Введение 3
Глава 1. Теоретические основы предметной области 8
1.1 Основное назначение электронной пушки 8
1.2 Проектирование пушек, формирующих цилиндрические и плоские
пучки 12
1.3 Процедура математической параметризации электронной пушки 12
Глава 2. Математические методы анализа электронных пушек 20
2.1 Расчеты электронных пушек методом синтеза 20
2.2 Расчеты электронных пушек методом анализа 22
2.3 Способы расчета реальных магнитных полей в электронных пушках .. 26
2.4 Расчет электростатических электронных пушек 30
Глава 3. Проведение модельных экспериментов по исследованию параметров пушки 39
Основные результаты и выводы 49
Заключение 50
Список использованных источников
Купить

Электронная пушка (ЭП) - это устройство, предназначенное для получения пучка электронов определенной конфигурации, обладающих определенным интервалом разброса значений кинетической энергии. ЭП служат для генерации и формирования электронного пучка, иногда называемого пучком. Чаще всего данное приспособление используется в кинескопах и других электронно-лучевых трубках, СВЧ-приборах (например, в лампах бегущей волны), а также в приборах, в основе которых лежит использование вместо светового потока пучка электронов, например, электронные микроскопы и ускорители заряженных частиц.
Типичными задачами моделирования ЭП являются задачи определения характера движения электронов в потоке, формируемом электродами заданной конфигурации, обычно без учета пространственного заряда. Путем последующего изменения формы и расположения электродов добиваются требуемых параметров электронного пучка. Часто желательно бывает определить геометрические формы, расположение электродов и потенциалы на них, считая известными физические параметры пучка.
Основными недостатками существующих устройств ЭП являются ограничение функциональных возможностей, надежности и ресурса работы, обусловленное наличием термоупругих напряжений в основных узлах, обеспечивающих рабочий режим электронно-лучевой пушки, что затрудняет их юстировку.
Актуальной задачей в настоящее время является создание компактных, технологичных и удобных в эксплуатации электронных пушек, формирующих протяженный электронный поток заданной ширины с равномерным распределением плотности тока по его сечению и обладающих высокой надежностью в течение длительного срока службы. Обеспечение этих параметров электронной пушки во многом зависит от конструкции ее катодного узла. Оптимальная геометрия катодного узла позволит повысить равномерность распределения протяженного электронного потока по сечению и повысить надежность и долговечность катодного узла.
В том случае, если при конструировании электронной пушки используются массивные и громоздкие элементы устройства для крепления катодной нити, происходит рассеивание тепловых потоков, уменьшается температура на концах катодной нити, что приводит к уменьшению тока эмиссии и удельной мощности линейного электронного потока и создает неравномерное распределение плотности тока по длине катода. Кроме того, при высокой рабочей температуре снижается предел прочности материала катода, что ограничивает ресурс его работы. Также в случае деформации крепежных элементов в результате нагрева может происходить искажение геометрии ЭОС электронной пушки прибора и может нарушаться токопрохождение в ней. Все это приводит к снижению надежности и долговечности работы катода, катодного узла и электронной пушки в целом.
Катодный узел содержит ряд элементарных ленточных катодов, расположенных последовательно вдоль общей оси, параллельной продольной оси окна вывода электронов. Элементарные ленточные катоды закреплены с помощью держателей элементарных ленточных катодов на общем основании катодного узла, расположенном параллельно плоскости торцевого окна вывода электронов. Обращенные в сторону окна вывода электронов эмитирующие поверхности катодов могут иметь плоскую или цилиндрическую (выпуклую, вогнутую) форму. Элементарные ленточные катоды отделены друг от друга технологическими зазорами. При подаче тока накала на катоды вследствие их теплового расширения происходит увеличение линейных размеров катодов, в результате чего элементарные катоды могут сближаться друг с другом.
При выборе оптимальной величины зазоров между элементарными ленточными катодами можно получить при нагреве общую эмитирующую поверхность, близкую к непрерывной поверхности, и обеспечить формирование протяженного электронного потока с более равномерным распределением плотности тока.
В реальных конструкциях катодных узлов длина общей эмитирующей поверхности может составить несколько сотен миллиметров. Поэтому при использовании в них проволочных держателей для крепления элементарных ленточных катодов возникают технологические проблемы, связанные с тепловыми деформациями элементов катодного узла. Под воздействием механических усилий и высокой температуры проволочные держатели деформируются и изгибаются во всевозможных направлениях, изменяя положение закрепленных на них элементарных ленточных катодов друг относительно друга, а также относительно других электродов электронной пушки. В результате происходит искажение формы элементарных ленточных катодов, катодного узла и геометрии ЭОС электронной пушки. При этом искажается форма отдельных электронных потоков, получаемых с элементарных ленточных катодов, и общего электронного потока электронной пушки, происходит неравномерное смещение электронных потоков относительно друг друга и электродов электронной пушки и оседание электронов на этих электродах. В результате ухудшаются равномерность распределения электронного потока по сечению и токопрохождение, увеличиваются потери мощности, снижается КПД и срок службы электронной пушки. Усилению этих недостатков способствуют также имеющие место технологические разбросы параметров и геометрии отдельных катодов и держателей.
Для практической реализации эффективных электронных пушек в качестве источника электронов исследователи рекомендуют использование полевого электронного катода (ПЭК), обладающего рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с другими видами источников свободных электронов. К этим преимуществам можно отнести:
- отсутствие напряжения накала;
- отсутствие температурного градиента;
- устойчивость ключевых узлов к внешней радиации;
- безынерционность;
- крутизна (вольт-амперных характеристик) ВАХ по экспоненциальному закону.
Совокупность этих свойств обусловливает перспективность использования ПЭК в различных электронных приборах таких, как электронно-лучевые трубки, плоские дисплейные экраны и т.д. Однако, на настоящий момент перечисленные преимущества ПЭК и их использование в приборах вакуумной электроники сложны в практической реализации.
Экспериментальные методы исследования требуют определенных экономических и временных затрат, поэтому основными методами исследования являются методы математического моделирования и численного эксперимента с применением средств современной компьютерной техники.
Теоретическое исследование в области расчета характеристик электронных полевых пушек представлено в работах Добрецова Л.Н., Егорова Н.В., Шешина Е.П. Следует отметить, что в последние годы идет интенсивный процесс создания новых устройств на основе ЭП.
Поэтому, тема представленной ВКР «Математическое моделирование электронной пушки с управлением конфигурацией пучка», несомненно, является актуальной.
Целью ВКР является исследование электронно-лучевой пушки с изменяемой конфигурацией пучка заряда.
Исходя из поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить библиографические источники по теме ВКР
2. Рассмотреть аналитическое представление задачи моделирования формы пучка электронов
3. Применить метод анализа для решения задачи
4. Применить метод синтеза для решения задачи
5. Построить модель электронно-лучевой пушки
6. Провести тестирование разработанной модели
Научная новизна работы
1. Математическое моделирование электрического поля в системе с катодным узлом произвольной конфигурации.
2. Алгоритм вычисления электрического поля по заданному распределению потенциала с автоматическим выбором шага.
3. Прогнозирование структуры и свойств электронного пучка на основе вычислительного эксперимента.
Практическая значимость работы
1. Разработан программный комплекс для моделирования электронной пушки.
2. Возможность использования результатов моделирования для практической реализации.
Структурно ВКР состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых библиографических источников и приложений.
Во введении рассмотрена актуальность выбранной темы, сформулирована цель, поставлены задачи, приведено содержание пояснительной записки ВКР.
В первой главе рассмотрена предметная область, приведены разновидности схем электронных пушек, проанализирована типичная процедура проектирования пушки, проведен обзор математических пакетов и программных средств для моделирования.
Во второй главе рассмотрены аналитический и синтетический методы решения поставленной задачи, выбраны исходные типы данных, построены зависимости.
В третьей главе приведена практическая реализация моделирования электронной пушки и тестирование построенной модели.
В заключении приведены основные результаты и выводы по работе.

Купить