Підвищення стабільності параметрів технологічних електронних гармат високовольтного тліючого розряду

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

УДК 533.9.07:537.533

ПІДВИЩЕННЯ СТАБІЛЬНОСТІ ПАРАМЕТРІВ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ЕЛЕКТРОННИХ ГАРМАТ ВИСОКОВОЛЬТНОГО ТЛІЮЧОГО РОЗРЯДУ

05.27.02 - Вакуумна, плазмова та квантова електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Тугай Борис Андрійович

Київ 2000

Дисертація є рукописом

Роботу виконано у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" (НТУУ "КПІ") на кафедрі електронних приладів та пристроїв

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Денбновецький Станіслав Володимирович, завідуючий кафедрою електронних приладів та пристроїв НТУУ "КПІ"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Воронов Сергій Олександрович, професор кафедри оптичних та оптоелектронних приладів НТУУ "КПІ"

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Саєнко Володимир Антонович,провідний науковий співробітник НЦ "Інститут ядерних досліджень" НАН України

Провідна Установа: Інститут фізики Національної Академії Наук України, відділ газової електроніки.

Захист відбудеться 15 січня 2001 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої Ради Д 26.002.08 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. 12, ауд. 114.

З дисертаційною роботою можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ "КПІ".

Автореферат розіслано "14" грудня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради к.т.н., професор Писаренко Л.Д.

Загальна характеристика роботи

гармата розряд електродний тиск

Актуальність проблеми. В сучасних технологічних процесах широко застосувуються прогресивні методи термічної обробки матеріалів та виробів, в яких використовуються прискорені потоки електронів, що генеруються електронними гарматами. Найбільш розроблені та широко використовуються гармати з термокатодами, які мають високу питому потужність електронних пучків, але їх суттєвими недоліками є невисокі ресурс та надійність роботи, що обумовлено використанням термокатодів. Тому поряд з вдосконаленням гармат з термокатодами розробляються та використовуються електронні гармати з емітерами других типів. Перпективними для технологічного використання є газорозрядні електронні гармати з холодним катодом, в яких для генерування електронного пучка використовується високовольтний тліючий розряд. Вони забезпечують формування електронних пучків різної форми, працюють в широкому діапазоні тисків в різних газових середовищах, відносно прості та більш надійні в роботі. Їх використання дозволяє спростити технологічне обладнання. Однак при практичному використанні газорозрядних електронних гармат високовольтного тліючого розряду (ГРЕГ ВТР) зустрічається ряд ускладнень, пов'язанних з недостатньою стабільністю їх параметрів, обмеженістю даних про процеси, що відбуваються в гарматах при керуванні їх параметрами, недостатньою ефективністю роботи пристроїв та систем, які використовуються для їх стабілізації. Тому дослідження проблеми підвищення стабільності параметрів перспективних газорозрядних гармат та розробка систем ефективного керування ними є актуальним.

Мета та основні задачі досліджень. Метою роботи є створення методів та засобів підвищення стабільності параметрів технологічних ГРЕГ, в тому числі розробка систем автоматичного керування струмом гармати зміною тиску в її розрядному проміжку та систем малоінерційного керування за допомогою низьковольтних тліючих розрядів, розробка електродних систем гармат з підвищенною електричною міцністю, та розробка систем високовольтного живлення, які здатні обмежувати розвиток дугових пробоїв в розрядному проміжку ГРЕГ.

Об'єктом досліджень в дисертаційній роботі є ГРЕГ ВТР з системами відкачування та напуску газу, джерелами живлення та системами керування їх параметрами. Дослідження спрямоване на підвищення стабільності параметрів технологічних газорозрядних електронних гармат.

Методи досліджень. Дослідження проводились аналітичними та експериментальними методами з послідуючим порівнянням результатів. Аналітичний метод містив в собі розробку математичної моделі об'єкту, що досліджувався, та аналізу його з використанням чисельних методів за допомогою персонального компьютера (ПК). Експериментальні дослідження виконувались на розробленних експериментальних стендах, макетах та зразках створених ГРЕГ.

Наукова новизна роботи відображена в слідуючих наукових положеннях:

1. Вперше запропонована математична модель процесу автоматичного керування струмом ГРЕГ зміною тиску в розрядному проміжку, яка отримана на основі рівнянь, що описують газодинамічні процеси в гарматі, системах відкачування та напуску газів, а також динаміку пристрою для напуску газу і дозволяє використовувати компьютерне моделювання при розробці систем автоматичного керування струмом ГРЕГ, визначати необхідні газодинамічні характеристики гармат, систем відкачування та напуску газу, що спрощує проектування газорозрядних гармат технологічного призначення з системами автоматичного керуванням їх параметрами та підвищує стабільність їх роботи.

2. Встановлено, що при автоматичному керуванні струмом розряду гармат ВТР зміною тиску в розрядному проміжку мінімальний час регулювання, що обмеженний інерційністю газодинамічних характеристик гармати, систем відкачування та напуску газу, складає десятки - сотні мілісекунд.

3. Вперше визначені залежності енергетичних та електронно-оптичних параметрів тріодних електронних гармат ВТР від геометрії та полярності керуючих електродів при керуванні їх струмом за допомогою несамостійних допоміжних розрядів.

4. Встановлено, що ефективне керування струмом ГРЕГ за допомогою несамостійного допоміжного розряду досягається як при позитивному, так і при негативному потенціалі на керуючому електроді у випадках, коли геометрія електроду відповідної полярності забезпечує полокатодний режим горіння допоміжного розряду. При цьому мінімальний час регулювання обмеженний інерційністю джерела високовольтного живлення і для реальних систем становить сотні мікросекунд.

5. Показано, що стійкі дугові пробої в електронних гарматах ВТР не можуть розвиватися, коли струм короткого замикання високовольтного джерела живлення обмежений на рівні, який нижче струму обривання дуги в ГРЕГ, що залежить від матеріалу катоду, або час його наростання до цього рівня перевищує тривалість мікропробою, що стимулює розвиток стійкої дуги.

6. Автоматичне керування струмом розряду зміною тиску, а також малоінерційне керування за допомогою несамостійних допоміжних розрядів при незмінній прискорюючій напрузі забезпечують ефективне керування потужністю пучка електронних гармат ВТР, що дозволяє розширити можливості використання їх в більшості процесів електронно-променевих технологій.

Практичне значення отриманних результатів полягає в тому, що:

запропонована математична модель дозволяє застосовувати комп'ютерне моделювання при розробці систем автоматичного керування струмом ГРЕГ зміною тиску, що значно спрощує проектування технологічних газорозрядних гармат з підвищеною стабільністю параметрів;

результати дослідження процесу автоматичного керування струмом ГРЕГ зміною тиску дозволяють проєктувати системи автоматичного керування безпосередньо для конкретних гармат та газодинамічних систем вакуумних установок, що покращує характеристики керування та підвищує стабільність параметрів ГРЕГ.

результати дослідження процесу автоматичного керування струмом ГРЕГ за допомогою допоміжних розрядів дозволяють проєктувати тріодні електронні гармати для роботи в безперервному та імпульсному режимах з малоінерційним регулюванням струму розряду, що підвищує стабільність параметрів гармат та роширює діапазон їх застосування;

запропонована методика інженерного розрахунку параметрів елементів систем високовольттного живлення, що обмежують розвиток дугових пробоїв в ГРЕГ, спрощує визначення цих параметрів, а застосування електродних систем ГРЕГ з підвищеною електричною міцністю забезпечує високу стабільність роботи гармат;

на основі отриманих в роботі результатів розроблені електронні гармати, що відрізняються підвищеною стабільністю роботи, та системи автоматичного керування їх параметрами а також системи автоматичного керування тиском в вакуумних установках. Розробки впроваджені на підприємствах: п/с Х-5827, Київ, дог.1/ОНТИ від 1.01.87; підпр. п/с А-7555, Саратов, Росія, дог. 0479 від 7.07.86; ПО "Кінескоп", Львів, дог. 110 від 4.01.88, підпр. п/с М-5305, Сморгонь, Білорусь, дог. від 7.07.89, завод вакуумної апаратури, Болеславець, Польща, дог. 47 від 15.06.89; НДІ "БУКОН", Хмельницький, дог. 65, 1990; Інститут електронних технологій, Варшава, Польща, дог.616 від 23.09.94;

Апробація роботи. Основні результати досліджень, що включені до дисертації, докладалися на наукових конференціях: II, IV Всесоюзному симпозіумі по електроніці великих струмів, Томськ, 1982, 1986; I Регіональній науково-технічній конференції "Електронне приладобудування", Новосибірськ, 1986; VIII Всесоюзному симпозіумі по електроніці великих струмів, Свердловськ, 1990; Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми фізичної та біомедичної електроніки", Київ, 1997, 1998, 2000; Міжнародній конференції по оптиці заряджених частинок, Делфт, Нідерланди, 1998, XVIII Міжнародному симпозіумі по розряду та електричній ізоляції у вакуумі, Ейндховен, Нідерланди, 1998; IV Міжнародній конференції по електронно-променевим технологіям, Варна, Болгарія, 2000.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 9 наукових статтях, 13 тезах доповідей на наукових конференціях та 17 авторських свідоцтвах на винаходи.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел та додатку. Повний обсяг дисертації складає 187 сторінок, з яких 37 сторінок рисунків, 3 таблиці, 15 сторінок списку використаних джерел в кількості 167 найменувань та 9 сторінок додатку.

Зміст роботи

У вступі відмічено, що використання електронних гармат високовольтного тліючого розряду підвищує надійність технологічного обладнання, зменшує його собівартість і є перспективним для проведення більшості електронно-променевих технологічних операцій. Широке впровадження гармат у виробництво потребує підвищення стабільності їх параметрів та розробки систем автоматичного керування ними.

В першому розділі на підставі літературних даних сформульовані вимоги до стабільності параметрів технологічних електронних гармат в залежності від їх використання, розглянуті осбливості роботи та взаємозвязок основних параметрів ГРЕГ ВТР, визначена система основних параметрів, що підлягають стабілізації, проаналізовані засоби, а також існуючі пристрої та системи їх стабілізації.

Зазначаеться, що основними дестабілізуючими факторами, що погіршують стабільність параметрів ГРЕГ, є зміна тиску газу та емісійних характеристик катоду в процесі роботи гармати, а також наявність дугових пробоїв розрядного проміжку, характерних для електронних гармат ВТР. Підвищення стабільності параметрів ГРЕГ можливе шляхом розробки ефективних систем стабілізації та автоматичного керування ними, а також пристроїв та систем, що обмежують розвиток дугових пробоїв. Стабілізацію потужності електронного пучка ГРЕГ доцільно здійснювати автоматичним керуванням струмом розряду при незмінній прискорюючій напрузі. При цьому ефективним може бути керування струмом шляхом зміни тиску в розрядному проміжку, або за допомогою несамостійного низьковольтного тліючого розряду, запалюємого в області плазми основного розряду гармати.

Визначені основні задачі роботи: дослідження та розробка пристроїв та систем автоматичного керування струмом ГРЕГ зміною тиску та малоінерційного керування струмом ГРЕГ за допомогою допоміжного розряду, дослідження дугових пробоїв в ГРЕГ, а також розробка систем високовольтного живлення, що обмежують розвиток пробоїв.

В другому розділі аналітичним та експериментальним методами досліджується процес автоматичного керування струмом ГРЕГ ВТР зміною тиску щляхом регульованого напуску газу в гармату при безперервному її відкачуванні (рис.1). Аналітичний метод містить в собі розробку математичної моделі процесу автоматичного керування струмом гармати зміною тиску та реалізацію її розв'зку на ПК, дослідження на ПК характеристик системи керування струмом ГРЕГ та їх залежність від параметрів систем відкачування та напуску газу. Експериментально досліджувались статичні та динамічні характеристики розроблених зразків малоінерційного електромагнітного натікача газу та системи керування при роботі з ГРЕГ, а також залежність характеристик керування від параметрів систем відкачування та напуску газу.

При розробці математичної моделі газодинамічна система гармати з системою відкачування розглядалася як система з зосередженними параметрами, в якій не враховувались об'єми вакуумопроводів та газовиділення з їх поверхонь. Передбачалось, також, що відкачування вакуумної камери та газорозрядної гармати здійснюється вакуумним насосом, в якому швидкість дії в значній мірі постійна в широкій області тисків. Модель ГРЕГ, як об'кта, в якому стабілізується струм розряду зміною тиску за допомогою електромагнітного натікача газу, містить в собі рівняння газового балансу для розрядної камери ГРЕГ та вакуумної камери установки, рівняння Максвела та Ньютона, що описують динаміку електромагнітного приводу натікача, а також алгебраїчні рівняння, що описують залежність пропускної здатності натікача від положення штоку його клапану та залежність струму гармати від тиску в ній і має вигляд

де R, iн, L, - опір, величина струму та індуктивність катушки електромагніта натікача; mн - маса його якоря; СЕ - крутизна тягової характеристики електромагніта; Сп - жорсткість пружини; Ск - коефіцієнт тертя; lн - координата положення клапана; А, В, k - сталі,що залежать від конструкції клапану натікача газу; tз - запізнення в каналі напуску газу; Vп, Vк - об'єм розрядної камери гармати та вакуумної камери установки; рА, рП, рК - тиск газу в натікачі, розрядній камері гармати та вакуумній камері установки; рМ - граничний тиск вакуумного насосу; SГ, SЛ, SВ, SП - пропускна здатність пропускного каналу натікача, променепроводу гармати, вакуумопроводу та вакуумного насосу; UП - прискорююча напруга гармати; а, m, n -сталі, що залежать від роду газу, матеріалу катоду та геометрії електродів.

Модель є нелінійна. Вхідним параметром моделі є керуюча напруга на катушці електромагніта Uн, а вихідним - струм розряду гармати ІП.

На першому етапі моделювання здійснювалось в лінійному наближенні. Лінеаризована модель замкненої систами автоматичного керування струмом з пропорційно-інтегрально-диференційним регулятором представлена у вигляді структурної схеми на рис.2, де передаточні функції Wрег(p) - електронного регулятора, W1(p) - катушки електромагніта натікача газу, W2(p) - його механічної частини натікача, W3(p) - газового каналу, W4(p)- розрядної камери гармати, W5(p) - вакуумної камери установки, W6(p) - променепроводу, W7(p) - ВТР гармати, W8(p) - датчика струму мають вигляд:

де

де

де

де

де , де .

, де k7 =Iп/рп; W8(p) = k8, де k8 = Rd;

При невеликих сигналах неузгодження відхилення розрахункових параметрів від отриманних експериментально не перевищувало 15 - 20 %, що пітверджувало корректність отриманної моделі та її лінеарізвції в малих відхиленнях. Однак лінеаризована модель не дозволяла досліджувати поведінку системи при вмиканні ГРЕГ та дугових пробоях, які є характерними для її роботи. Тому була розроблена програма, що дозволяє моделювати динаміку окремо взятого об'єкта, а також об'єкта в складі замкнутої системи з урахуванням впливу нелінійностей та запізнення, що має місце в каналі напуску газу. Чисельне інтегрування нелінійної системи рівнянь виконується методом Ейлера, для чого рівняння, що мали вигляд dY(t)/d(t) = F(t,Y), подаються у вигляді (Yn+1 - Yn)- F(tn,Yn) = 0, де n - номер кроку розв'язку, - крок по часу, Y - вектор розв'язків системи, F - функція часу потоного стану об'єкта досліджень, а забезпечення та контроль точності розв'язку здійснюється з використанням принципа Рунге. Розв'язок виводиться на екран компьютера у вигляді графіка перехідної характеристики процесу керування. Програма також передбачає вар'ювання коефіціентами системи рівнянь та параметрами настройки регулятора, зкапам'ятовування та накладання графіків на екрані комп'ютера, що дозволяє співставляти варіанти розв'язків.

В процесі дослідження системи керування встановлено, що параметри Vп, Vк, Sл, Sв, Рп, Sн визначають інерційність газодинамічних процесів в ГРЕГ, а в реальних фізичних системах обмежують швидкість дії систем автоматичного керування струмом розряду на рівні десятків - сотень мс. Наявність запізнення в каналі напуску газу при транспортуванні газового потоку погіршує характеристики керування. Важливим елементом, що впливає на характеристики керування є натікач газу, який повинен бути малоінерційним, працювати в аналоговому режимі роботи, забезпечувати необхідну продуктивність а також високу стабільність статичних параметрів. Статичні та динамічні характеристики натікача забезпечувались вибором відповідних коефіціентів рівнянь при моделюванні системи керування на ПК.

Експериментально визначено час спрацьовування та максимальну продуктивність розробленого натікача, що становлять відповідно tН = 15 мс, QН = 1,8 Пам3/с. Висока стабільність його статичних характеристик досягається вибором матеріалів та конструкцій деталей, що компенсують вплив їх теплового лінійного розширення на величину пропускного зазору дозуючого вузла, та розробкою пристроїв для стабілізації тиску газу в натікачі.

При дослідженні динаміки поступання газу в ГРЕГ було встанвлено, що в каналі напуску газу, розташованого між натікачем та гарматою, має місце запізнення поступання газового потоку в гармату, величина якого залежить від геометричних розмірів каналу і для реальних фізичних систем може складати одиниці - десятки мс.

Проведено порівняння перехідних характеристик процесу керування, отриманих експериментально, з характеристиками, отриманими моделюванням системи керування на комп'ютері. Значення коефіцієнтів рівнянь при моделюванні відповідали їх реальним значенням досліджуваної фізичної системи і приведені в табл. 1.

Як і у випадку моделювання на ПК, при вмиканні гармати час виходу струму на номінальний режим ІП = 400мА складав близько t1 = 400мс (рис. 3). При підвищенні струму та незмінних параметрах настройки регулятора збільшувалась аперіодичність процесу, а при його зменшенні зростала коливальність, що пояснюється нелінійністю характеристик гармати, натікача та системи відкачування. Час виходу на заданий режим роботи (t2, t3) в першому і другому випадку зростав. Порівняння експерментальних та розрахункових характеристик показує, що їх невідповідність по величині перерегулювання та часу виходу на робочий режим не перевищує 15 ? 20 %, що підтверджує корректність запропонованої моделі та її розв'язку. Зазначена невідповідність пояснюється похибками при визначенні газодинамічних характеристик систем відкачування та напуску газів, параметрів пристрою для напуску газів та інше. При експериментальному дослідженні роботи ГРЕГ з системою керування статична похибка регулювання струму не перевищувала 1,5 %.

У третьому розділі досліджувалось малоінерційне керування струмом ГРЕГ за допомогою допоміжного розряду, що запалювався в області основного розряду гармати, визначались залежність енергетичних та часових характеристик керування від геометрії та полярності керуючого електроду, вплив допоміжного розряду на к.к.д. та електронно-оптичні характеристики тріодної гармати.

Допоміжний розряд є несамостійним, для його запалювання необхідний невеликий початковий струм основного розряду, який необхідно підтримувати автоматично на заданому рівні. Керування струмом гармати здійснюється зміною параметрів допоміжного, а відповідно, і основного розрядів шляхом регулювання електричного потенціалу на керуючому електроді. Досліджувались електродні системи з кільцевим, циліндричним та порожнистим керуючими електродами.

Встановлено, що збільшення амплітуди керуючого потенціалу від десятків до сотень вольт призводить до зміни струму основного розряду від десятків до сотень міліампер. Керування струмом основного розряду найбільш ефективне у випадках, коли негативний керуючий електрод виконаний порожнистим, а позитивний має кільцеву форму (рис. 4). Це пояснюється тим, що у випадку негативного керуючого електроду циліндричної форми його порожнина являє собою пастку для електронів, де здійснюється ефективна іонізація газу осцилюючими електронами, прискореними в області прикатодного падіння потенціалу допоміжного розряду. Таким чином, в області анодної плазми основного розряду, де розміщений керуючий електрод, горить допоміжний розряд з порожнистим катодом. При позитивному потенціалі на керуючому електроді катодом допоміжного розряду служить поржниста камера гармати і більш ефективне керування забезпечується у випадку, коли електрод менше екранує її поверхню. Встановлено, що к.к.д. тріодної гармати у випадку з допоміжним розрядом на 1 - 2 % менше, ніж у випадку керування зміною тиску при однакових режимах роботи і складає близько 75 %. Дослідження розподілу потужності втрат між електродами гармати показало, що на негативному керуючому електроді циліндричної форми може виділятися до 10 % від загальної потужності розряду, що в більшості випадків потребує примусового його охолодження. На позитивному електроді виділяється незначна потужність і він не потребує охолодження.

Часові характеристики керування визначались по реакції струму основного та допоміжного розрядів на керуючі імпульси напруги негативної та позитивної полярності, тривалість фронтів яких не перевищувала 10 мкс, а амплітуда встановлювалась в діапазоні 0 - 300 В. Встановлено, що в досліджуваному часовому діапазоні тривалість фронтів зростання та спаду імпульсів струму основного та допоміжного розрядів гармати визначається динамічними характеристиками високовольтного джерела живлення гармати. У випадку з джерелом живлення без ємністного фільтру тривалість переднього та заднього фронтів імпульсу струму основного розряду складала близько 1 мс, а у випадку з фільтром С = 0,2 мкФ тривалість переднього фронту становила 0,1 - 0,2 мс, а тривалість заднього фронту не перевищувала 0,3 мс.

В ГРЕГ ВТР положення та форма межі анодної плазми впливає на електронно-оптичні характеристики гармати і визначається умовами рівності кінетичного тиску зарядженних частинок газу в плазмі та тиску електричного поля області катодного падіння потенціалу на зовнішню межу плазми. Встановлено, що положення межі плазми в зоні проходження електронного пучка залежить від режиму роботи гармати і не залежить від способу керування струмом, а форма границі плазми відрізняється при керуванні зміною тиску та за допомогою допоміжного розряду (Рис. 5). Це пояснюється тим, що положення плазмової межі в зоні проходження електронного пучка визначається температурою електронів пучкової плазми, яка є однаковою для діодних і тріодних ГРЕГ при заданному струмі розряду і вищою від температури електронів дифузійної плазми ВТР. Проте при запалюванні допоміжного розряду густина плазми ВТР зростає, особливо поблизу поверхні катоду допоміжного розряду, а її межа набуває увігнутої форми. Діаметр пучка у випадку регулювання струму допоміжним розрядом має більший поперечний розмір,ніж при регулюванні зміною тиску, проте фокусна відстань змінюється значно менще, ніж у першому випадку і приблизно дорівнює радіусу кривизни поверхні катоду (Fп = Rк).

Проведено комп'ютерне моделювання електронно-іонної оптики тріодних гармат ВТР з допоміжним розрядом. Завдяки використанню комп'ютерних методів розпізнавання образів форма межі плазми задавалась безспосередньо з фотографії розрядного проміжку гармати, а алгоритм аналізу зводився до алгоритму аналізу електронно-оптичних систем діодних гармат ВТР. Результати чисельного аналізу та їх експериментальна перевірка показали, що запропонована модель дозволяє отримувати відносно грубі оцінки параметрів електронного пучка. Так, якщо для діодної моделі точність отриманних результатів складала 20 - 40 %, то для тріодної моделі 60 - 80 %. Покращення результатів потребує більш глибокого вивчення складних процесів в плазмі, що утворена ВТР та допоміжним низьковольтним розрядом.

У четвертому розділі досліджувався вплив дугових пробоїв в розрядному проміжку на стабільність параметрів ГРЕГ ВТР з холодним катодом, визначалась залежність їх частоти утворення та тривалості існування від режиму та тривалості роботи гармати, матеріалу катоду, складу робочого газу. Досліджувався вплив параметрів висовольтного кола живлення гармати на розвиток дугових пробоїв та визначались умови, що обмежують розвиток стійкого дугового пробою в ГРЕГ.

Встановлено, що найбільш інтенсивне дугоутворення спостерігається у гарматах з алюмінієвим катодом, що найчастіше застосовується, при роботі в середовищі кисню (рис. 6). Це пояснюється тим, що в даному випадку причиною дугоутворення є осадження по периферії емісійної поверхні катоду діелектричної плівки Al2O3, яка утворюється при розпиленні матеріалу катоду іонами розряду. При цьому на поверхні катоду за рахунок накопичення локального позитивного заряду на діелектричній плівці та її пробою можуть утворюватись емісійні центри, які стимулюють дугові пробої.

Визначена величина струму обриву дуги ІО в гарматах ВТР для різних матеріалів катоду. При багаторазовому осцилографуванні процесу обриву дуги величина ІО мала відхилення від середнього значення в межах 10% і складала для алюмінію - 1.3 А, а для неіржавіючої сталі - 2.1 А.

Стійкий дуговий пробій може утворюватись, коли високовольтне джерело живлення (ВДЖ) забезпечує струм, більшої від струму ІО. Обмежуючи максимальний струм джерела живлення за допомогою баластного опору RБ, можна забезпечити умови, при яких стійкий дуговий пробій в ГРЕГ не може розвиватись. Тоді при відомій величині ІО величина RБ визначається із співвідношення, де Uи - напруга холостого ходу ВДЖ; rи - внутрішній опір ВДЖ. Виконання таких умов можливе лише для малопотужніх гармат з струмом в десятки мА, тому що при збільшенні струму гармати знижується к.к.д. установки. Для гармат більшої потужності значне підвищення стабільності роботи можливе при збільшенні сталої часу кола високовольтного живлення гармати завдяки підключенню послідовно з гарматою високовольтного дроселя заданої індуктивності. При цьому величину індуктивності можна визначити за умови, що за час tO, що відраховується від моменту виникнення пробою, струм джерела живлення не повинен перевищувати значення порогового струму ІО. Тоді при відомих параметрах джерела високовольтного живлення та тривалості мікродуги величина індуктивності дроселю LД в колі живлення гармати буде

,

де rд - активний опір дроселя; Lи - приведена індуктивність високовольтного трансформатора.

Ефективне підвищення стабільності роботи гармати було досягнуто застосуванням в її конструкції електричного екрану, встановленого між катодним вузлом та корпусом гармати. При цьому електричний екран підключався до одного з полюсів джерела живлення гармати через індивідуальний баластний опір RЭ, величина якого вибиралась з умови

.

У п'ятому розділі розглядаються особливості конструкції та варіанти найбільш ефективного використання розробленних на основі проведених досліджень електронних гармат з підвищеною стабільністю роботи та систем автоматичного керування їх параметрами, приведені їх основні експлуатаційні параметри (табл. 2).

Зазначається, що найбільш ефективним є застосування електронних гармат ВТР для зварювання тонкостінних виробів широкого асортименту, зварювання тонкостінних виробів фігурними швами в моноімпульсному режимі, пайка у вакуумі з локальним нагріванням, нанесення діелектричних та захисних покриттів Al2O3, просвітляючих покриттів із окислів рідкоземельних металів, нанесення багатошарових захисних та зміцнюючих покриттів Ti, Ti + TiN, TiN, TiC. Запропонована в роботі математична модель та програма її реалізації на ПК дозволяє застосовувати компьютерне моделювання як при розробці ефективних систем автоматичного регулювання струму ГРЕГ, так і систем автоматичного керування тиском у вакуумних установках різного призначення. З її використанням розроблені система автоматичного керування тиском в установці для алюмінування корпусів кінескопів, багатоканальна система автоматичного керування сумішшю газів у заданому співвідношенні, та інші.

У додатку приведений текст програми, що застосовувалась для компьютерного моделювання системи автоматичного керування струмом електронної гармати ВТР зміною тиску.

Висновки

1. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження проблеми підвищення стабільності параметрів технологічних ГРЕГ ВТР шляхом автоматичного керування ними, підвищенням електричної міцності їх електродних систем та вибором параметрів систем високовольтного живлення, що обмежують розвиток дугових пробоїв.

2. Розроблена математична модель процесу автоматичного керування струмом ГРЕГ, яка базується на рівняннях газового балансу в гарматі та вакуумній камері установки та рівняннях, що описують динаміку пристрою для напуску газу, що дозволяє застосовувати компьютерне моделювання при проектуванні ГРЕГ з системою керування її параметрами.

3. Встановлено, що при регулюванні струму ГРЕГ зміною тиску мінімалний час регулювання обмежений інерційністю газодинамічних процесів в гарматі, системах відкачки та напуску газу і становить десятки - сотні мс. Розроблена система автоматичного керування струмом з малоінерційним натікачем.

4. Досліджено керування струмом ГРЕГ за допомогою несамостійного допоміжного розряду, показано, що воно може бути еффективним якщо електродна система забезпечує полокатодний режим горіння допоміжного розряду. Запропоновані конструкції електродних систем, що забезпечують полокатодний режим горіння допоміжного розряду.

5. Досліджені часові та електронно-оптичні характеристики керування струмом ГРЕГ. Встановлено, що при імпульсному керуванні тривалість фронтів імпульсів струму гармати визначається динамічними характеристиками джерела високовольтного живлення гармати та складає сотні мкс, що дозволяє використовувати ГРЕГ для імпульсної обробки матеріалів.

6. Досліджені умови розвитку дугових пробоїв, визначені величини струму обриву дуги для ГРЕГ з різними матеріалами катоду, що дозволило аналітично визначати параметри елементів в високовольтному колі живлення гармати, обмежуючих розвиток стійких пробоїв.

7. Розглянуті варіанти найбільш доцільного використання розроблених гармат з підвищеною стабільністю роботи та системами керування їх параметрами. Створені та впроваджені в виробництво гармати з системами керування, що підвищило якість процесів обробки та розширило можливості використання перспективних ГРЕГ ВТР.

Список основних публікацій за темою дисертації

1. Денбновецкий С.В., Кубрак А.И., Мельник В.И., Тугай Б.А. Моделирование процесса управления током газоразрядной элеткронной пушки // Элеткроника и связь. Киев. 1997. вып. №2. ч. II. с. 266 270.

2. Денбновецкий С.В., Мельник В.И., Тугай Б.А. Нанесение биосовместимых покрытий с использованием газоразрядного электронно-лучевого испарителя // Электроника и связь. 1999. №6. т. 2. с. 150 153

3. Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тугай Б.А. Исследование транспортировки электронного пучка из газоразрядной пушки в технологическую камеру// Вестник КПИ. сер. радиоелектроники. 1983. № 20. с. 31 33.

4. Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тагиль А.Г., Тугай Б.А., Газоразрядная электронная пушка для термического испарения // Вестник КПИ. сер. радиоэлектроники. 1981. № 18. с. 9 11.

5. Тугай Б.А., Манагин А.Д. Электронный блок системы автоматического управления током пучка газоразрядной электронной пушки // Вестник КПИ. Радиоэлектроника. 1988. Вып. 25. с. 105 107.

6. Тугай Б.А. Особенности высоковольтного питания технологических газоразрядных электронных пушек // Электроника и связь. 1998. № 4. Часть 1. с. 129 133.

7. Тугай Б.А. Электрическое управление током технологических газоразрядных электронных пушек высоковольтного тлеющего разряда // Электроника и связь. 1998. № 4. Часть 1. с. 144 148.

8. Денбновецкий С.В., Долгов Ю.Н., Коробков В.В., Лубинец Г.Я., Мельник В.И.,Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Газоразрядная электронная пушка / А. С. № 971030 (СССР). Опубл. 30.10.82, Бюл.№40. С. 285.

9. Денбновецкий С.В., Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Электронно-лучевой испаритель / А. С. № 1051977 (СССР). Опубл. 30.10.83, Бюл. №40.С. 227.

10. Денбновецкий С.В., Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Газоразрядная электронная пушка / А. С. № 1086987 (СССР). Опубл. 15.04.84, Бюл. №14. С. 197.

11. Денбновецкий СВ., Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Электомагнитный натекатель / А. С. 1232075 (СССР), Опубл.15.05.86, Бюл. №18. С. 263.

12. Безрадетский А.В., Денбновецкий С.В., Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Недачин С.П., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Способ управления импульсным напряжением газоразрядной электронной пушки / А. С. № 1263136 (СССР), Опубл. 7.10.86, Бюл. №37. С. 267.

13. Денбновецкий С.В., Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Электромагнитный натекатель / А. С. № 1345948 (СССР), Опубл. 15.10.87, Бюл. №38. С. 271.

14. Денбновецкий С.В., Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Электронно-лучевой испаритель / А. С. № 1385633 (СССР), Опубл. 30.03.88, Бюл. №12. С. 249.

15. Безрадетский А.В., Денбновецкий С.В., Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Недачин С.П., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Газоразрядная электронная пушка / А. С. № 1501828 (СССР), Опубл. 15. 08.89, Бюл. №30. С.2 84.

16. Мельник В.И., Мельник И.В., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Газоразрядная электронная пушка / А. С. №1501830 (СССР), Опубл. 15. 08.89, Бюл. №30. С. 284.

17. Безрадетский А.В., Денбновецкий С.В., Лубинец Г.Я., Мельник В.И, Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Газоразрядная электронная пушка./ А. С. № 1510616 (СССР), Опубл. 23.09.89, Бюл. №35. С. 289.

18. Гудым В.К., Мельник В.И., Тагиль А.Г., Череднюк В.С., Тугай Б.А. Электронно-лучевой испаритель / А. С. №1547368 (СССР), Опубл. 28.02. 90, Бюл. №8. С. 276.

19. Мельник В.И., Новиков А.А., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Газоразрядная электронная пушка для термообработки цилиндрических изделий / А.С. №1647697 (СССР), Опубл. 7.05.91, Бюл. № 17. С. 219.

20. Денбновецкий С.В., Мельник В.И., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Электронно-лучевой испаритель / А. С. № 1708102 (СССР), Опубл. 23.01.92, Бюл. № 3. С. 224.

21. Мельник В.И., Мельник И.В., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Газоразрядная электронная пушка / А. С. №1795813 (СССР), Опубл. 08.10.92, Кл. Н01J 37/077.

22. Андреева А.Ф., Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Химич Е.Г., Тугай Б.А. Применение газоразрядной электронной пушки с холодным катодом в технологии получения тонких плёнок // Сб. тез. докл. "Получение и свойства тонких плёнок". Киев. 1981. с. 61 64.

23. Денбновецкий С.В., Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тугай Б.А. Влияние процессов в зоне термического воздействия электронного пучка на его формирование // Сб. тез. докл. VI Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск. 1986. с. 81 84.

24. Денбновецкий С.В., Мельник В.И., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Электронные пушки высоковольтного тлеющего разряда для технологических применений // Труды Украинского вакуумного общества "Вакуумная техника и вакуумные технологии". Киев. 1998. т. 1. с. 72 74.

25. Денбновецкий С.В., Мельник В.И., Мельник И.В., Тугай Б.А. Оптимизация параметров электронной пушки высоковольтного тлеющего разряда // Тезисы докладов VIII Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Часть 1. Свердловск. 1990. с. 251 253.

26. Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тугай Б.А. Исследование дугового пробоя в газоразрядных электронных пушках и его зависимости от параметров внешней цели// Сб. тез. докл. IV Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск. 1982. с. 119-122.

27. Лубинец Г.Я., Мельник В.И., Тугай Б.А. Автоматическое управление давлением в вакуумных установках // Сб. тез. докл. I региональной научно-технической конференции "Электронные приборостроение". Новосибирск. 1986. с. 38.

28. Мельник В.И., Мельник И.В., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Газоразрядный электронно-лучевой испаритель. Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектроние // Сборник тезисов докладов научно-технического межотраслевого семинара. октябрь 1991. Харьков. М. 1991 с. 50.

29. Denbnovetsky S.V., Melnik V.I., Melnik I.V., Tugay B.A., Investigation of electron-ion optical properties in triode glow discharge electron guns., V-th International Conference on Charged Particle Opties CPO-5. Programs and Abstracts., April 14 17, 1998, Delft, The Netherland., p. 117.

30. Denbnovetsky S.V., Melnik V.I., Tugay B.A., Using of Gas Discharge Electron Beam Evaporation for Obtaining of Chemically Complex Compunds Coatings. Sixth International conference pf electron beam technologies. Varna, Bulgaria, 2000, p. 117 118.

31. Denbnovetsky S.V., Melnik V.I., Melnik I.V., Tugay B.A., Investigation of forming of electron beam in glow disgarge electron gun with additional electrode., XVIII-th International Symposium on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum., Eindheven, The Netherland, August 17 21, 1998, p. 637-640.

32. Felba I., Melnik V.I., Sievanko W., Tugay B., Wybrane Metody ograniczenia wadliwosci spain wykonanych wiazka elektronowa. VI Konferencja Naukowa "Technologia Elektronowa" ELTE' 97. T. 2. Krynica 6.05 9.05.1997. Akademia Gorniczo-Hutnicza, krakow, 1997. s. 315 319.

Анотація

Тугай Б.А. "Підвищення стабільності параметрів технологічних електронних гармат високовольтного тліючого розряду". Дисертацією є рукопис на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.02 - Вакуумна, плазмова та квантова електроніка. НТУУ "КПІ", Київ, 2000 р.

Робота присвячена проблемі підвищення стабільності параметрів технологічних єлектронних гармат високовольтного тліючого розряду з холодним катодом. Досліджені способи автоматичного керування струмом гармат зміною тиску в їх розрядному проміжку та за допомогою низьковольтних допоміжних розрядів. Запропонована математична модель процесу автоматичного керування струмом газорозрядної гармати зміною тиску в розрядному проміжку. Створені тріодні електродні системи для малоінерційного керування струмом гармат з використанням допоміжних розрядів. Проаналізовані особливості виникнення дугових пробоїв в гарматах високовольтного тліючого розряду та визначені умови, що обмежують їх розвиток. На основі досліджень розроблені газорозрядні гармати з підвищеною стабільністю роботи та системи автоматичного керування їх параметрами, що впроваджені на підприємствах України та за її межами.

Ключові слова: електронна гармата, газовий розряд, математична модель, автоматичне керування, стабільність, параметри, високовольтне живлення.

Аннотация

Тугай Б.А. "Повышение стабильности параметров технологических электронных пушек высоковольтного тлеющего разряда". Дисертацией является рукопись на получение учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.02 - Вакуумная, плазменная и квантовая электроника. НТУУ "КПИ", Киев, 2000 г.

Работа посвящена проблеме повышения стабильности параметров технологических электронных пушек высоковольтного тлеющего разряда с холодным катодом. Исследовались способы управления током разряда газоразрядных пушек изменением давления в разрядном промежутке и с помощью вспомагательного низковольтного тлеющего разряда, зажигаемого в области анодной плазмы основного разряда, а также условия возникновения и способы ограничения развития дуговых пробоев разрядного промежутка, ухудшающих стабильность работы пушек.

Управление током разряда изменением давления в розрядном промежутке осуществлялось регулируемым натеканием газа в пушку с помощью автоматически управляемого электромагнитного натекателя при непрерывной её откачке. Предложена математическая модель процесса автоматического управления током разряда газоразрядной электронной пушки изменением давления, отражающая зависимость тока пушки от давления в разрядном промежутке и учитывающая инерционность процессов откачки и напуска газов, реализовано ее решение на персональном компьютере, что позволяет применять компьютерное моделирование при проектировании систем автоматического управления параметрами газоразрядніх пушек. Установлено, что минимальное время регулирования тока разряда изменением давления ограничено инерционностью газодинамических процессов в пушке, системах откачки и напуска газа, быстродействием натекателя и для реальных систем составляет десятки-сотни мс. Разработана система автоматического управления током пушки с малоинерционным електромагнитным натекателем, работающая в аналоговом режиме. Быстродействие натекателя составляет около 15 мс, а величина его максимальной производительности устанавливается под конкретную пушку с системой откачки. Малоинерционное управление током пушки с помощью вспомагательного низковольтного разряда осуществлялось изменением потенциала на управляющем электроде в диапазоне десятков-сотен В. Показано, что эффективное управление током пушки возможно как в случае отрицательного, так и положительного потенциала на управляющем электроде, если геометрия электродной системы пушки обеспечивает полокатодный режим горения вспомагательного разряда. Предложены конструкции триодных электронных систем с положительным и отрицательным управляющими электродами, обеспечивающие полокатодный режим горения вспомогательного разряда. Установлено, что при импульсной модуляции электронного пучка с помощью вспомогательного разряда минимальная длительность фронтов импульсов тока основного разряда пушки ограничена динамическими характеристиками источника высоковольтного питания и в исследуемых системах не превышает сотен мкс. Электронно-оптические характеристики пушки зависят от положения и формы границы анодной плазмы, которая, в зависимости от способа управления, оказывает различное влияние на характеристики пучка. В случае управления током с использованием вспомагательного разряда диаметр пучка имеет больший поперечный размер, чем в случае управления изменением давления, а его фокусное расстояние при изменении режимов работы пушки практически не изменяется. Исследованы особенности развития дуговых пробоев в пушках высоковольтного тлеющего разряда и их влияние на стабильность параметров пушек. Определены значения величины тока обрыва дуги пушках при различных материалах катода и рабочих газах. Установлено, что ограничение развития дуговых пробоев и их влияния на стабильность работы пушек может быть достигнуто выбором рабочей среды, материалов и конструкций электродных систем, а также применением источников высоковольтного питания с параметрами, ограничивающими развитие дугових пробоев. Предложена методика определения параметров елементов цепи высоковольтного питания газоразрядных пушек, ограничивающих развитие устойчивых дуговых пробоев. На основании результатов исследований разработаны газоразрядные пушки с повышенной стабильностью работы и системы управления их параметрами, а также системы автоматического управления давлением в вакуумных установках. Разработанные пушки и системы управления были внедрены на ряде предприятий и организаций Украины и за рубежом.

Ключевые слова: электронная пушка, газовый разряд, матиматическая модель, автоматическое управление, стабильность, параметры, высоковольтное питание.

Summary

Tugay Boris A. "Stabilisation of parameters of technological glow discharge electron guns". Dissertation work is a manuscript on reception of the scientist, a degree of sciences candidate behind a speciality 05.27.02 - Vacuum, plasma and quantum electronic. NTUU "KPI", Kiev, 2001.

This work is devoted to the problem of stabilising of cold cathode glow discharge electron guns parameters. Different methods of automatic control of guns current with changing pressure in discharge chamber as well as with using of additional low-voltage discharges have been investigated. Triode electrode's systems which provided low-time regulation of guns current by using additional discharges was elaborated. Conditions of forming of arc breakdowns in glow discharge electron guns are analysed and the methods of its limiting have been proposed. Glow discharge electron guns with high stability of operation as well as control systems for automatic regulation of its parameters have been elaborated as result of this work. These guns were put into operation in the different companies of Ukraine and other countries.

Keywords: Glow discharge, electron gun, mathematics simulation, automatic control, stability, parameters, high voltage power sources.

Размещено на Allbest.ru