Електромагнітне випромінювання і тепловий вплив високопервеансних електронних потоків

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова

Національної академії наук України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико - математичних наук

01.04.04 - Фізична електроніка

Електромагнітне випромінювання і тепловий вплив високопервеансних електронних потоків

Афанас'єв Віктор Ілліч

Харків 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор фізико- математичних наук, тЛукін Костянтин Олександрович ( Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова НАН України, завідувач відділу Нелінійної динаміки електронних систем, м. Харків).

Офіційні опоненти: доктор фізико - математичних наук, професор, Ваврів Дмитро Михайлович ( Радіоастрономічний інститут НАН України, завідувач відділу електронних НВЧ приладів, м. Харків).

доктор фізико - математичних наук,професор, Чурюмов Геннадій Іванович, (Харківський національний університет радіоелектроніки МОН України, професор кафедри ф1зичних основ електронної техніки, м. Харків).

Провідна установа: Інститут плазмової електроніки і нових методів прискорення ННЦ Харківський фізико-технічний інститут, лабораторія ектродинаміки пучково-плазмових систем, м. Харків

Захист відбудеться “ 21 “ листопада, 2002 р. о 1500 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д64.157.01 в ІРЕ ім. О.Я.Усікова НАН України (61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури 12, у залі засідань)

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова Національної академії наук України за адресою: м. Харків, вул. Ак. Проскури 12.

Автореферат розісланий “16 ” жовтня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради.

1. Загальна характеристика роботи

високопервеансний електронний випромінювання триелектродний

Актуальність теми. В сучасній вакуумній електроніці важливе місце займають інтенсивні електронні потоки первеанс яких перевищує 10А/В. Первеанс характеризує просторовий заряд, а також визначає інтенсивність електронного променя. Потужність яка поглинається в мішені можливо збільшити тільки за рахунок підвищення щільності току електронного потоку або зменшуючи його потенціал при цьому підвищується і первеанс. Для формування електронних потоків з великим первеансом використовують електронні потоки з поперечною та поздовжньою компресією просторового заряду. В електронних потоках з поперечною компресією використовують стиск просторового заряду за рахунок конічного сходження потока, яке забезпечує первеанс (3 - 4)10А/В. Особливо ефективними і перспективними при побудові електронно-оптичних систем є електронні потоки з поздовжньою компресією електронного потоку, які формуються триелектродними електронними гарматами. Такі системи ефективно використовуються в НВЧ устроях, приладах та технологічних процесах. Триелектродні гармати являють собою збираючий імерсійний об'єктив, фокусуюча дія якого визначається відстанню між електродами їх потенціалами і може, змінюватися в широких межах, що дозволяє вводити сфокусований електронний потік в задану точку простору взаємодії. Такі електронні гармати забезпечують більш високий коефіцієнт токопрохождення (порівняно з діодними гарматами) забезпечують іонний захист катоду, дозволяють формувати потужні низковольтові електронні потоки, потужність яких може змінюватись без зміни їх потенціалу. Використання низьковольтових електронних потоків дозволяє зменшити металоємність джерел живлення, виключити необхідність захисту від жорсткого рентгенівського випромінювання, яке виникає при дії високовольтових електронних потоків на матеріали. Крім того, триелектродні гармати дозволяють керувати в широких межах глибиною проникнення електронного потоку в метал без зміни потужності електронного променя і створювати в зростаючому магнітному полі необхідний розкид поздовжніх швидкостей для побудови широкосмугових НВЧ генераторів. Для ефективного використання електронних потоків з поздовжньою компресією просторового заряду необхідно розвивати і удосконалювати методи їх формування та управління, досліджувати поведінку їх в процесі руху, взаємодії з періодичними структурами і матеріалами в процесі плавлення, випарювання та зварки.

Зв'язок з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційну роботу виконано у відділі Нелінійної динаміки електронних систем Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова НАН України. Розробка методів формування, керування та аналізу високопервеансних електронних потоків для використання їх при розв'язанні ряду прикладних задач, зднійснювались автором у рамках науково-дослідних робіт, які виконувались у 1980-2001р.р. Серед них такі як:

"Дослідження оптимальних режимів високопервеансних електронно-оптичних систем в зв'язку з різним їх застосуваннями" (номер держреєстрації 01.821.002.274) - Академія наук УРСР, Інститут радіофізики та електроніки, 1980 - 1985 р. р."Розвиток високопервеансної корпускулярної електронної оптики: розширення меж потужності, підвищення інтенсивності рентгенівських трубок і фокусування високопервеансних пучків" (номер держреєстрації 01.87.0064475) Академія наук УРСР, Інститут радіофізики та електроніки, 1985 - 1990 р.р.

"Теоретичні та експериментальні дослідження нелінійної динаміки електронних і електронно-оптичних систем з метою створення ефективних електронних гармат та джерел електомагнітніх коливань” (номер держреєстрації 01.92.И.027981) - Національна академія наук України, Інститут радіофізики та електроніки, ім. О.Я. Усікова, 1990 - 1993 р. р.

"Розроблення нових методів хаотизації нелінійних електронних систем з метою вивчення можливості побудови широкосмугових генераторів стохастичних коливань та їх використання в радіотехнічних системах" (номер держреєстрації 0194И031133) - Національна академія наук України, Інститут радіофізики та електроніки, ім. О.Я. Усіков 1993 - 1995 р. р.

“Динамічний хаос в радіофізичних і електронних системах з нелінійним перетворенням хвиль на межах і його використання” (номер госреєстрації 01.96.U.006107) - Національної академія наук України, Інститут радіофізики та електроніки, ім. О.Я. Усикова - 1995 - 2000 р. р.

Усі роботи затверджені Постановою Президії Академії наук України. В усіх перелічених темах дисертант був виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Основною метою роботи є розвиток і удосконалення процесів: формування, керування, динаміки руху високопервеансних електронних потоків, а також їх взаємодії з періодичними структурами і матеріалами мішені для створення нових НВЧ пристроїв, приладів та підвищення ефективності технологічних процесів вакуумної очистки, наплавлення та випарювання металів. Для досягнення цієї мети потрібно було розв'язати такі задачі:

1. Провести дослідження процесів формування високопервеансних електронних потоків триелектродними гарматами, первеанс яких перевищує 310А/В.

2. Виконати дослідження процесів пов'язаних з розподілом густини току по перерізу електронного променя, та керуванням динамікою руху електронних потоків з високим просторовим зарядом.

3. Дослідити умови збудження монохроматичних та хаотичних НВЧ коливань в лампах зворотної хвилі О - типу сантиметрового та міліметрового діапазонів такими потоками в зростаючому магнітному полі соленоїда.

4. Виконати дослідження процесів генерації гальмувального рентгенівського випромінювання та з його допомогою виконати вимірювання діаметра променя на мішені і визначити умови використання цього випромінювання в рентгенівській літографії.

5. Дослідити особливості взаємодії високопервеансних електронних потоків з матеріалом мішені знайти методи реєстрування та подавлювання плазмових коливань в зоні дії електронного променя та вимірювання виникаючих при цьому теплових напружень та деформацій. Провести дослідження процесів напилювання, очистки, наплавлення та зварювання металів електронними потоками з великим просторовим зарядом.

Об'єкт дослідження - високопервеансні електронні потоки.

Предмет дослідження - явище електромагнітного випромінювання та теплової дії високопервеансних електронних потоків.

Методи дослідження полягають в використанні сучасних теоретичних і і експериментальних методів аналізу поведінки електронних потоків в процесах формування, керування, динаміки руху та взаємодії їх з НВЧ структурами і матеріалами мішені. Для аналізу поведінки електронних потоків вимірювались: первеанс електронних потоків, розподіл електронів по швидкостях та густини току в суцільному електронному потоку, довжини збуджених коливань, ширина полоси НВЧ коливань, деформації, які виникають при дії теплових навантажень, коливання в колі мішені. Проведення модельних розрахунків числовими методами та порівняння їх з експериментальними даними дозолили зробити висновки про фізику процесів взаємодії високопервеансних електронних потоків з структурами та матеріалами об'єкту дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

Розвинуті та удосконалені методи формування і керування електронними потоками з повздовжньою компресією просторового заряду, які забезпечують питому потужність на мішені 10- 10Вт/смз уловлюванням до 98% току променя, використання яких підвищує ефективність рентгенівських трубок та технологічних процесів: наплавлення, рафінування, випарювання і зварювання металів.

Експериментально встановлено, що при достатньо високому вакуумі електронні потоки з поздовжньою компресією просторового заряду мають гаусів розподіл густини току в його поперечному перерізу, в той час, як відхилення від гаусового розподілу спостерігається при підвищенні тиску в вакуумній камері більше ніж 10-5 тор і пониженні потенціалу променя нижче 1кВ.

Проведено аналіз поведінки електронних потоків з поздовжньою компресією просторового заряду при значеннях первеансу більше 310А/В з застосуванням методів математичного моделювання і паралельного експериментального дослідження, на основі якого побудовано електронні гармати потужністю від 0,5 до 150 кВт з густиною току до 30 А/см2 при коефіцієнті токопроходження більше 99,5 % і показана ефективність їх застосування в НВЧ устроях та технологічних процесах.

Побудовано макет ЛЗХО, який використовує високопервеансні електронні потоки при фокусуванні їх магнітним полем соленоїда і здатний генерувати монохроматичне випромінювання сантиметрового діапазону при відносно малих густинах току 3 - 6 А/см.

На основі електронних потоків, які формуються з великим розкидом поздовжніх швидкостей, вперше показана можливість збудження шумових коливань 8 мм діапазону.

Разом з вченими Інституту технічної теплофізики НАН України (м. Київ) розроблено стенд для випробування теплонапружених об'єктів, який використовує розроблені методи формування та керування електронними потоками з розробленою електронною гарматою потужністю 150 кВт, що дозволяє плавно регулювати і контролювати температуру нагрітої поверхні з допомогою тепловізора, а голографічними та інтерферометричними методами теплові напруження і деформації, що виникають на поверхнях матеріалів при дії на них теплових джерел в тому числі, потужних лазерів.

Практичне значення одержаних результатів. Розвинуто методи формування і керування високопервеансними електронними потоками, що формуються триелектродними гарматами з поздовжньою компресією, які використано при розробках нових приладів і технологій.

Результати наукових досліджень проведених в дисертаційній роботі впроваджено на Калінінградському машинобудівному заводі і на Полтавському заводі “Знамя” використано при розробці пристроїв вакуумного напилювання; в Харківському фізико-технічному інституті для очистки іодідного цирконію і металокерамічного ніобію; на підприємстві п/я Г- 4665 в рентгенівському двухдзеркальному спектрометрі.

Особистий внесок здобувача У роботі [2] здобувач розрахував електронно-оптичну систему з великим розкидом поздовжніх швидкостей експериментально дослідив розкид поздовжніх швидкостей в умовах збудження хаотичних коливань в ЛЗХО 8 мм діапазону. У роботі [3] дисертант дослідив роботу гармат в обмеженому об'ємі, створив вакуумно-щільний варіант гармати і експериментально дослідив їх параметри в робочих режимах. У роботі [4] здобувач розрахував електронно-оптичну систему гармати, дослідив її характеристики в лабораторних і промислових установках. У роботі [5] здобувач дослідив електронно-оптичну систему для крапляного переплаву з скануванням променя у двох взаємно перпендикулярних напрямках при обертальній подачі заготовки і брав участь в експериментальному дослідженні процесу очистки. У роботі [6] здобувач розрахував електронно-оптичну систему установки і експериментально дослідив її параметри в режимі випарювання. У роботі [7] здобувач дослідив адгезійні властивості клею ВТ-25-200 в присутності добавок, знайшов оптимальний склад клею, який задовольняє вимогам електронних гармат, дослідив параметри гармат, виготовлених з допомогою клеєвої технології. У роботі [8] здобувач дослідив електронно-оптичну систему з контролюємим тепловим навантаженням електронного потоку, по питомій потужності і по глибині нагріву, приймав участь в побудові експериментального стенду і в експериментальному дослідженні параметрів деформації в залежності від умов нагріву. У роботі [9] здобувач розрахував електронно-оптичну систему випарюючого пристрою з виловленням відбитого електронного потоку в умовах іонізації випарюючого потоку пара і експериментально дослідив його параметри в робочих режимах. У роботі [10] здобувач дослідив тензонапруження і контактні явища в процесі зондових вимірювань, брав участь в побудові експериментального зразка зондової голівки.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації представлялись і доповідались: на конференціях та семінарах: п'ятому Всесоюзному семінарі з проблем технологічного застосування потужних електронних пучків (Томськ, 1985р.); на Другому Міжвідомчому семінарі (Харків, 1987р.); на Дев'ятому симпозіумі по сильноточній електроніці (Екатеринбург, 1992р.); конференції "Фізика в Україні" (Київ, 1994р.); на четвертому міжнародному Харківському симпозіумі “Physics and Engineering of Millimeter and SubMillimeter Waves” (Харків, 2001р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в 9 статях у фахових журналах, у 3 авторських свідоцтвах на винаходи, у 4 матеріалах і тезах Всесоюзних і міжнародних конференцій і семінарів.

Структура дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, п'ять розділів, основного тексту з 57 рисунками , висновки й списку використаних літературних джерел із 146 найменувань. Повний обсяг роботи 224 сторінки, список використаних джерел містить 16 сторінок.

2. Зміст роботи

Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків роботи.

У вступі викладено сутність і стан наукової проблеми. Обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено зв'язок роботи з науковими програмами і темами, розкрито наукову новизну і практичне значення здобутих результатів.

У першому розділі представлено огляд літератури відповідно до тематики дисертаційної роботи.

У другому розділі проведені дослідження процесів формування високопервеансних електронних потоків з поздовжньою компресією просторового заряду триелектродними гарматами. Електронно-оптичні системи, які, формують такі електронні потоки створено з метою одержання низковольтових електронних потоків з первеансом, що перевищує 310А/В. Формування таких потоків засноване на поздовжній компресії електронного потоку на визначеній ділянці в напрямку руху променя. Величина просторового заряду може підвищуватись до визначеного критичного значення, коли електронний потік переходить в нестійкий стан.

У підрозділі 2.1 описао особливості електронних потоків, що формуються триелектродними гарматами з поздовжньою компресією просторового заряду. Триелектродні гармати з поздовжньою компресією являють собою збираючий імерсійний об'єктив. Важливу роль в фокусуванні променя відіграє сферична форма емітуючої поверхні катоду разом з дією прикатодного електроду. Фокусуюча дія гармати визначається потенціалами її електродів і відстанню між ними. В триелектродних гарматах з поздовжньою компресією просторовий заряд в наслідок сумірності поперечних розмірів з осьовими та великих значень відношення потенціалу першої діафрагми V до другої V розподілення потенціалів неоднорідне з переважанням крайових полів. Це значно ускладнює експериментальні дослідження та теоретичний аналіз поведінки електронногопотоку в області його формування, динаміки його руху та взаємодії з мішенню.

У підрозділі 2.2 виконані дослідження по моделюванню та розрахунках триелектродних гармат з поздовжньою компресією потужністю від 0,5 до 150 кВт. Існуючі методи розв'язання задачі формування електронних потоків дають приблизний розрахунок траєкторії потоку в триелектродній гарматі і можуть бути використані як перше наближення, а інваріант критерію подібності пучків може бути використаний для невеликих коректуючих змін геометрії гармати в процесі опрацьовування її моделі. Найбільш точні результати дає числовий метод розв'язання рівняння Пуассона. Можлива точність розрахунку визначається розміром сітки, числом траєкторій, а також похибками зумовленими способом апроксимації, точність знаходиться в межах від 10-2 до 10-3.

У підрозділі 2.3 досліджено вплив конструктивних особливостей та геометричних розмірів елементів електронних гармат на вихідні параметри електронного потоку, який формується. Використання електронних гармат в різних галузях техніки потребує проведення випробування їх в реальних умовах, в яких передбачається використати дану гармату для забезпечення довгої та стійкої роботи. Випробування в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона показали стійку роботу гармати в умовах низького вакууму до 10-4тор при експриментах по напиленю вольфраму та молібдену. Гармата допускає зміну міжелектродних відстаней без порушення стійкої роботи, однак, при цьому змінюються її номінальні параметри і робочі характеристики. Використання електронних гармат в НВЧ пристроях та в ряді технологічних процесів потребує високої чистоти покриття. З метою підвищення чистоти вакуумних умов створені електронні гармати з вакуумнощільним металокерамічним корпусом для розташуванням їх зовні вакуумної камери. Як показали експериментальні дослідження, при цьому зберігаються номінальні параметри і характеристики гармат. Для розв'язання задач пов'язаних з дією потужних електронних потоків створено гармату потужністю 150 кВт. З метою ефективного управління параметрами електронного потоку створено триелектродну гармату з додатковим електродом, що дозволяє регулювати накопичення позитивних іонів в об'ємі гармати і забезпечувати ламінарність електронного потоку.

У підрозділі 2.4 експериментально досліджена стабілізації теплових режимів електронних гармат. Стабілізація теплового режиму електронних гармат створюється за рахунок проточних рідин, які забезпечують охолодження ізоляторів і захист їх від руйнування під впливом високих температур та прикладеної до них високої постійної напруги. У випадку ускладнення використання холодоагентів для охолодження корпуса пушки створено триелектродну гармату з кварцовими ізоляторами, стійку до впливу високих температур і прикладеного постійного потенціалу. Гармата охолоджується за рахунок теплового випромінювання корпуса. З метою захисту ізоляторів від напилювання гармата споряджена телескопічними екранами.

У третьому розділі виконано результати дослідження процесів, які пов'язані з керуванням та динамікою руху електронних потоків з поздовжньою компресією.

У підрозділі 3.1 досліджено росподіл густини току по перерізу суцільного циліндричного електронного променя з високим просторовим зарядом. Внаслідок того, що теплові швидкості електронів визначаються максвелівським розподілом, густина току в суцільному циліндричному електронному промені визначається гауссовою кривою. Експериментальні дослідження показали, що при пониженні потенціалу променя нижче 1 кВ і підвищенні тиску в вакуумній камері більше ніж 10Па спостерігається мінімум на експериментальній кривій розподілу густини току, що може бути зумовлено бомбардуванням поверхні катоду іонами утвореними на ділянці катод перша діафрагма, що порушує емісійну здатність центральної частини катоду.

У підрозділі 3.2 наведено результати дослідження динаміки руху електронних потоків та контролю їх параметрів. При русі електронного променя в вільному просторі вакуумної камери важливо знати діаметр променя на заданій відстані від виходу із гармати. З метою дослідження характеру поведінки електронного потоку в процесі руху в вакуумній камері та вибору оптимальних режимів були проведені вимірювання діаметру променя на різних відстанях від виходу його із гармати з допомогою двухшарового зонда, що обертається. Проведені дослідження показали, що при потенціалі променя до 2 кВ кут розходження залежить від просторового заряду і потенціалу променя. На відстані 50 мм від виходу променя із гармати спостерігається зменшення кута розходження променя. При потенціалі променя 3 кВ точки перегину не спостерігається, що може бути зумовлено зменшенням іонізації залишкового газу. Керування електронним променем здійснюють за допомогою відхиляючої системи, яка дозволяє виключити можливість попадання на катод густого розпиленого матеріалу із зони впливання електронного потоку. Створена електронно-оптична система з уловлюванням відбитого електронного потоку, яка дозволяє уловлювати до 98 % падаючого електронного потоку. Для одночасного відхилення і керування електронним променем створено малогабаритне магнітне дзеркало, яке використовує відхилення променя сильним магнітним полем. Змінюючи кут між напрямком виходу променя із гармати і осі магнітного поля, можна керувати кутом відхилення променя.

У підрозділі 3.3 експериментально досліджено накопичення іонів в електронному потоці та релаксаційних коливань. В триелектродних гарматах при фіксованому значенні потенціалу другої діафрагми підвищення потенціалу першої діафрагми (в режимі обмеження току просторовим зарядом) веде до зростання току променя, який може досягати критичного значення, коли потенціал в промені знижується до потенціалу катоду з утворенням віртуального катоду. При супроводженні електронного потоку зростаючим магнітним полем критичне значення просторового заряду досягає при відносно слабких магнітних полях до 10 мТ для току променя 100 мА при потенціалі 2 кВ. В цих умовах електронний потік переходить з стійкого стану в нестійкий з відновленням стійкого стану при накопиченні позитивних іонів, які компенсують просторовий заряд електронного потоку.

У четвертому розділі проведено дослідження збудження НВЧ коливань та рентгенівського випромінювання високопервеансними електронними потоками, а також можливості використання їх в ЛЗХО, рентгенівській літографії, рентгенівських спектроаналізаторах, рентгенівських трубках м'якого випромінювання і для вимірювання діаметра променя на мішені.

У підрозділі 4.1 наведено результати експериментального дослідження збудження НВЧ коливань у резонансній лампі зворотної хвилі (ЛЗХО) 3-х сантиметрового діапазону в магнітному полі соленоїда. Збудження електромагнітних коливань проводилось електронними потоками, які формуються триелектродною гарматою з поздовжньою компресією, на спеціально створеному макеті (ЛЗХО) 3-х см діапазону. Фокусуюче магнітне поле в ЛЗХО створювалось з допомогою соленоїда. Магнітний екран захищав гармату від проникнення магнітного поля в область катоду, а резонатори гребінки періодичної структури мали прохідний отвір для проходження електронного потоку. Періодична структура розташовувалась в області максимуму магнітного поля соленоїда. Коливання виникають при відносно слабких магнітних полях 0,014 Т і густинах току 3,3 - 6 А/см. При цьому спостерігається висока стабільність генеруємих коливань з шириною полоси, яка не перевищує 50 кГц. Гарні спектральні характеристики випромінюваних коливань свідчать про доцільність використання таких електронно-оптичних систем з триелектродними гарматами для підвищення ефективності створюваних потужних джерел монохроматичних коливань сантиметрового діапазону довжин хвиль.

У підрозділі 4.2 досліджено збудження хаотичних НВЧ коливань в ЛЗХО 8 міліметрового діапазону. Використання електронних потоків з поздовжньою компресією та розкидом поздовжніх швидкостей дозволило здійснити збудження хаотичних коливань в ЛЗХО 8-ми мм діапазону. Плоска гребінка розташовувалась в області найбільшого магнітного поля соленоїда. Генерація хаотичних коливань спостерігається при аномально низьких значеннях величини фокусуючого магнітного поля. Залежність потужності цих коливань від величини фокусуючого магнітного поля має декілька ізольованих максимумів, які чергуються через 21 мТ. Ширина спектру і потужність генеруємих коливань залежить від потенціалу першої діафрагми. Значення ширини спектру, які спостерігаються в експерименті порядку 80 МГц. Змінювання потенціалу першої діафрагми дозволяють керувати не тільки шириною частотного спектру коливань, а також його формою.

У підрозділі 4.3.1 описано експериментальні результати дослідження по підвищенню розрізнювальної здібності в рентгенівській літографії. Перспективним напрямком в рентгенівській літографії являється використання низковольтових сильноточних електронних гармат для генерації гальмувального рентгенівського випромінювання в діапазоні 6 - 10 А. У такому випадку при потенціалі променя 2 - 3 кВ, як показали експериментальні дослідження, збуджується тільки гальмувальне випромінювання, яке в крайньому разі в д вічі перевищує інтенсивність випромінювання рентгенівських трубок, які працюють з антикатодом, що обертається і генерує характеристичне рентгенівське випромінювання з такою ж довжиною хвилі.

У підрозділі 4.3.2 наведено експериментальні результати вимірювання діаметра променя на мішені з допомогою м'якого рентгенівського випромінювання та спектральні характеристики рентгенівських трубок. Проведені дослідження показали придатність фотографування для вимірювання променя діаметром 2 - 3 мм на мішені за допомогою камери обскури в м'якому рентгенівському випромінюванні. Крім того, цей метод придатний для вивчення динаміки процесу взємодії електронного променя з матеріалом мішені по збудженому ним м'якому гальмувальному рентгенівському випромінюванні. Для рентгенівського дводзеркального спектрометра створена рентгенівськая трубка з потужністю променя до 1,2 кВт, яка дозволяє змінювати довжину хвилі гальмувального випромінювання в межах від 4 до 40 А.

У п'ятому розділі досліджені особливості взаємодії з мішенню електронних потоків, які формуються триелектродними гарматами та їх використання в технологічних процесах очистки, наплавки, напилення та зварки металів.

У підрозділі 5.1 наведено результати дослідження впливу первеансу електронного потоку на питому потужність, яка діє на мішень. Вплив електронного потоку на мішень визначається по питомій поверхневій потужності, яка приходиться на одиницю поперечного перерізу променя. Другою важливою характеристикою дії променя на мішень є об'ємна питома потужність. Об'ємна питома потужність пропорційна густині току і обернено пропорційна прискорючій напрузі. А тому підвищити потужність, яка поглинається в одиниці об'єма речовини мішені можливо тільки шляхом підвищення первеансу електронного потоку. Як показали експериментальні дослідження, підвищення первеансу електронного потоку до (6 - 7)10-6А/В спочатку веде до зниження питомої потужності, а потім до її росту при подальшому підвищенні первеансу. Таким чином, в цьому процесі суттєву роль відіграє густина електронного потоку, підвищення якої вище визначеного значення веде до зниження густини парової хмари в зоні впливу електронного потоку. Це знижує розсіяння електронного променя на зустрічному потоці утвореної ним хмари пари та підвищує компенсацію просторового заряду променя іонною хмарою, яка утворена ним.

У підрозділі 5.2 наведено експериментальні дослідження хвильових процесів та плазмових коливань в зоні впливу електронного потоку на мішень. Електронний промінь при взаємодії з плазмою втрачає значну частину своєї енергії (до 30 - 40 %). З метою подавлення плазмових коливань та зниження непродуктивних витрат проводились дослідження подавлення плазмових коливань шляхом подачі позитивного потенціалу на мішень, як в присутності фокусуючого магнітного поля, так і в його відсутності. У відсутності фокусуючого магнітного поля, в області випарюючого тигля з розплавом алюмінію, шляхом подачі позитивного потенціалу на тигель від 100 до 800 В, при тоці променя 0,9 А і потенціалі 2 кВ, плазмові коливання подавлюються и до 96 % току променя залишається в тиглі. Присутність фокусуючого магнітного поля не дозволяє повністю подавити плазмові коливання. При індукції фокусуючого магнітного поля до 40 мТ при прикладенні позитивного потенціалу 800 В плазмові коливання подавлюються і до 92 % току променя залишається у тиглі. При індукції магнітного поля більше 60 мТ подавити плазмові коливання в області тиглю не вдається, при подачі на нього позитивного потенціалу 800 В, и до 30 % енергії променя переходить в плазмові коливання.

У підрозділі 5.3 описані результати експериментального дослідження впливу теплової дії електронного потоку з великим просторовим зарядом на мішень. На створеному стенді досліджено теплові деформації на матеріалах при їх нагріванні, локальний тепловий обмін при наплавленні сплавів та процеси очистки при переплаві металів.

У підрозділі 5.3.1 наведено результати експериментального дослідження деформацій, які виникають при дії електронного променя. Вплив електронного потоку на мішень створює теплові деформації, величина яких може досягати гранично допустимої величини. Для дослідження деформацій, які виникають при впливі теплових навантажень створено стенд. Він оснащений тепловізором для вимірювання температури поверхні і дозволяє з допомогою голографічних та інтерферометричних методів контролювати теплові навантаження і деформації, які виникають на поверхні матеріалів. Стенд оснащений триелектродною гарматою з потужністю променя 150 кВт та системою фокусування променя з вимірюванням діаметру променя на мішені за допомогою зонда, що обертається. Гармата дозволяє за рахунок регулювання потенціалу другої діафрагми задавати необхідну глибину енерговиділення, а шляхом задавання потенціалу першої діафрагми керувати потужністю променя. Фокусуюча система забезпечує регулювання питомої потужності, яка діє на мішень.

У підрозділі 5.3.2 експериментально досліджено локальний тепловий обмін при наплавленні сплавів низковольтовим електронним променем. Створена низковольтова електронно-променева технологія забезпечує наплавлення багатокомпонентних сплавів на леговані матеріали без порушення стехіометричного складу наплавляємого сплаву. В цьому випадку при наплавленні підшипників ковзання розплавляється тільки шар наплавляємого матеріалу, а поверхня обойми розігрівається за рахунок конвективного теплообміну розплавленого шару. Такий спосіб забезпечує достатню адгезію наплавленого шару без присутності домішків матеріалу обойми підшипника в наплавленому шарі.

У підрозділі 5.3.3 наведено результати експериментального дослідження процесів рафінування металів крапельним переплавом за допомогою низьковольтового електронного променя. Низьковольтова триелектродна гармата з потужністю променя до 50 кВт використовувалась для крапельної переплавки металокерамічного ніобію та іодідного цирконію з скануванням електронного променя при обертально-поступовому русі переправляємої заготовки. Такий метод забезпечує умови переплавки аналогічні зонній очистці металу, та забезпечує більш високу очистку металу однією гарматою при порівнянні з дворазовою переплавкою, що виконана п'ятьма діодними гарматами на тій же установці.

У підрозділі 5.4 наведено результати експериментального дослідження випарювання та зварки металів високопервеансним низьковольтовим електронним потоком. Швидкість випарювання матеріалу визначається температурою поверхневого шару та швидкістю подачі матеріалу в зоні випарювання. В цьому випадку доцільно використовувати низьковольтні електронні потоки, які забезпечують розігрів тільки поверхневого шару до температури випарювання матеріалу, а низький потенціал променя забезпечує високий переріз іонізації пару металу. В цьому випадку випарюється метал, який має підвищену концентрацію іонів, що збільшує адгезію напилених плівок. Створений електронно-променевий випарювальний пристрій при низькому потенціалі променя дозволяє уловлювати до 98 % початкового електронного потоку, що зберігає структуру та матеріали напиленого покриття від руйнування його відбитим електронним потоком. Другим важливим застосуванням низьковольтових високопервеансних електронних потоків є електронно-променева зварка металів. Глибина проплавлення металу пропорційна току і потенціалу електронного променя. Проте, зварка при високій напрузі потребує більш жорстких вимог до точності складання деталей, підвищена концентрація в них газів збільшує імовірність росту пор, а також при цьому потрібний додатковий захист від жорсткого рентгенівського випромінювання. Позбавленою цих недоліків виявляється зварка металів по методу Ольшанського при низьких робочих напругах. Ударна в'язкість звареного шва та в біля шовній зоні знаходиться на рівні основного термічно обробленого металу. Зварні сполуки без нормлізуючого відпалу відповідають вимогам котлонагляду.

У висновках сформульовано наукові проблеми, що розв'язувались і наведено основні наукові результати роботи.

Висновки

У дисертаційній роботі наведено розв'язання наукової проблеми формування та управління високопервеансними електронними потоками з поздовжньою компресією електронного потоку. Експериментальні дослідження цих явищ, які містять формування і динаміку руху електронних потоків дозволили вирішити задачі збудження хаотичних коливань в НВЧ генераторах, вимірювання деформацій та подавлення плазмових коливань в зоні дії електронного променя і вирішити ряд технологічних задач направлених на підвищення їх ефективності.

Основні наукові висновки дисертаційної роботи:

1.Триелектродні гармати являють собою збираючий імерсійний об'єктив, який дозволяє керувати фокусуючою відстанню і направляти сфокусований електронний потік в задану точку взаємодії шляхом вибору потенціалів електродів.

2. Розподіл густини току в перерізі суцільного електронного потоку описується гаусовою кривою, відхилення від гаусового росподілу спостерігається при підвищенні тиску в вакуумній камері більше 10-2 Па і зниженні робочого потенціалу електронного потоку нижче 1 кВ. При русі

електронного потоку з потенціалом від 0,7 до 2 кВ на відстані 50мм від виходу із гармати спостерігається точка перегину після якої спостерігається зменшення кута розходження променя. Побудована електронно-оптична система, яка забезпечує питому потужність електронного потоку на мішені 10-5 - 10-6 Вт/см2 після відхилення його секторним магнітним полем і фокусуванням магнітною лінзою при потенціалі променя 1 - 2 кВ з уловлюванням до 98 % електронного потоку на мішені та в колекторі відбитих електронів. Побудована малогабаритна електронно-оптична система, яка забезпечує одночасне відхилення і фокусування електронного променя з питомою потужністю 105 - 106 Вт/см.

3. Проведено аналіз поведінки електронних потоків з поздовжньою компресією просторового заряду при первеансах більших ніж 310А/В з застосуванням методів математичного моделювання і експериментального дослідження, на основі яких створені електронні гармати потужністю від 0,5 до 150 кВт з густиною току до 30 А/смі коефіцієнтом токопрохождення більш ніж 99,5 %, які охолоджуються водою, та гармата потужністю 1,2 кВ, що охолоджується тепловим випромінюванням корпуса.

4. На основі триелектродної гармати створена рентгенівська трубка м'якого рентгенівського випромінювання для рентгенівської літографії. Для використання в рентгенівському спектральному аналізі побудована розбірна рентгенівська трубка, яка дозволяє міняти довжину хвилі м'якого рентгенівського випромінювання від 3 Адо 50 А. Розроблено метод визначення діаметра електронного променя на мішені за допомогою фотографування його м'якого випромінювання на рентгенівську плівку.

5. Створено макет ЛЗХО, який генерує монохроматичне випромінювання сантиметрового діапазону при густинах току 3 - 6 А/см, який збуджується в слабких магнітних полях соленоїда В = 0,014 Т високопервеансним електронним потоком при цьому ширина спектральної лінії генеруємих коливань не перевищую 50 КГц.

6. Експериментально досліджено можливість формування високопервеансних електронних потоків з значним розкидом поздовжніх швидкостей, показано можливість збудження такими потоками хаотичних коливань в ЛЗХО восьмиміліметрового діапазону.

7. В постійному магнітному полі підвищення первеансу до (6 - 7)10 А/В веде до зниження питомої потужності, яка діє на мішень, а при подальшому підвищенні первеансу питома потужність знову зростає. Взаємодія електронного потоку з матеріалом мішені при фокусуванні магнітним полем збуджує плазмові коливання частота яких залежить від енергії електронів, питомої потужності і індукції фокусуючого магнітного поля. Прикладення позитивної напруги на мішень 800 В при індукції магнітного поля менше 0,04 Т дозволяє подавити плазмові коливання і уловлювати на мішені до 96 % електронного току, а при індукції магнітного поля більше 0,06 Т плазмові коливання подавити не вдається.

8. Створена триелектродна електронна гармата потужністю 150 кВт та розроблені методи керування питомою потужністю і глибиною нагрівання мішені були використані і випробувані в стенді для дослідження теплонапружених об'єктів з плавним регулюванням та контролюванням теплового режиму тепловізором. Це дало можливість вимірювати голографічними та інтерферометричними методами теплові напруження і деформації, які виникають під впливом теплового навантаження.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Афанасьев В.И. Трехэлектродная электронная пушка с мощностью луча 1,2 кВт, охлаждаемая тепловым излучением корпуса // Приборы и техника эксперимента.1994. - № 2. - С. 167-169.

2. Афанасьев В.И., Лукин К.А., Ракитянский В.А. Возбуждение хаотических колебаний в ЛОВО неламинарными электронными потоками // Радиофизика и электроника НАН Украины, Харьков. - 1997. - Т.2. - №1. - С.115-116.

3. Зинченко Н.С., Афанасьев В.И., Зайцев Г.Д., Соколова В.А., Хорошайло Н.Е. Высокопервеансные электронные пушки с вакуумноплотным металлокерамическим корпусом // Приборы и техника эксперимента. - 1985.-№1.- С. 137-139.

4. Зинченко Н.С., Афанасьев В.И.Соколова В.А., Тимашов В.А., Василюк М.П., Клюев К.Н.., Чайка Н.В. Исследование электронной пушки с продолной компрессией при низком вакууме // Радиотехника и электроника. - 1986. - Т.31. - Вып.1. - С.135 - 139.

5. Ажажа В.М., Афанасьев В.И., Вьюгов П.Н., Гоменюк В.С., Зинченко Н.С., Лавриненко С.Д.,Пилипенко Н.Н. Применение высокопервеансной пушки для переплава металлов // Вопросы атомной науки и техники. - Серия: Общая и ядерная физика. - Вып. 1(7). - 1987. - С.53-55.

6. Зинченко Н.С.. Афанасьев В.И., Соколова В.А. Модернизация установки вакуумного напыления УРМ 3.279.011 на основе применения низковольтного (высокопервеансного) испарительного устройства // Электронная техника. - сер.7.- Технология, процессы, оборудование и материалы. - 1987 Вып.3. - С.11 - 15.

7. Зинченко Н.С., Афанасьев В.И., Глуцюк И.М., Хорошайло Н.Е., Соколова В.А. Применение клея ВТ - 25 - 200 при изготовлении корпусов электронных пушек // Приборы и техника эксперимента. - 1983. - № 3. - С. 203 -204.

8. Стенд для испытания теплонапряженных объектов: Полож. Реш. Гос. Науч. - тех. Экспертизы Российской Федерации изобрет. от 30.03.92, МКИ кл. H 02 J 48/3 / В.В. Аполлонов, В.И. Афанасьев, К.А. Лукин, И.Г. Однороженко, В.Б. Пицын, А.М. Прохоров, Е.В. Чесноков. - №4909312/28; Заявлено 9.08.91.

9. Электронно-лучевое испарительное устройство: Реш. Российского патентного ведомства от 11.09.92 о выдаче патента. МКИ 5 H01 J 37/2. / B.И. Афанасьев, К.А. Лукин (Украина). - № 5007364/21 (063845) Заявлено 25.06.91.

10. Зондовая головка А.с. 843325 СССР, МКИ Н 05 К 1/11. /. Афанасьев В.И Борщев В.Н., Гилецкий Н.П. (УССР) № 2771833/18 - 21; Заявлено 29.05.79; Опубл. 30.06.81, Бюл. № 24. - 2с.

11. Afanas`ev V.I. Triode gun genereiting a 1,2kW beam and cooled by surface radiation // Instrument end Experimental Techniques. 1994. - Vol. 37. - №.2. - Part 2.- pp. 238 - 239.

12. Afanas'ev V.I., Lukin K.A., Rakitynsky V.A. Excitation of Chaotic Oscillations in BWO by Means of Turbulent Electron Flows // Telecommunications and Radio Engineering. - 1997. Vol.51, № 6-7.- P. 148 - 152.

13. Афанасьев В.И., Лукин К.А. Трехэлектродная электронная пушка с мощностью луча 100 кВт // Труды 9-го симпозиума по сильноточной электронике. - Екатеринбург. - Россия. - 1992. - С. 108-109.

14. Afanas`ev V.I. Influence of the space charge of the electron flow on the specific power usedforce on the target // Physics in Ukraine International Conf.. - Kiev (Ukraine). - 1993. - P. 11-14.

15. Afanas'ev V.I. Chaotic waveform generator using a turbulent electron beam // Fourth International Kharkov Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and SubMillimeter Waves”. - Kharkov (Ukraine) - 2001.- P. 562 - 564.

Анотація

Афанас'єв В.І. Електромагнітне випромінювання та тепловий вплив високопервеансних електронних потоків . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04. - фізична електроніка. - Інститут радіофізики та електроніки ім. А.Я. Усікова НАН України, Харків, 2002.

Дисертація присвячена питанням формування, фокусування, керування, дослідженням динаміки руху та вивченню процесів взаємодії з періодичними структурами і матеріалами мішені високопервеансних електронних потоків, які мають великий просторовий заряд і формуються триелектродними гарматами. Для дослідження цих процесів використані відомі в фізиці електронних потоків та розроблені нові активні діагностичні методи. В дисертаційній роботі дослідження особливості процесів формування високопервеансних електронних потоків з повздовжньою компресією просторового заряду виконані з використанням числових розрахунків і моделювання електронних гармат, в яких враховано вплив конструктивних особливостей та стабілізації теплових режимів. На основі цих досліджень побудовані електронні гармати потужністю від 0,5 до 150 кВт і макети НВЧ приладів сантиметрового та міліметрового діапазонів, які працюють в монохроматичному та широкосмуговому діапазонах і мають підвищені характеристики. Дослідження процесів керування такими електронними потоками в динаміці руху та взаємодії з металами дозволило підвищити ефективність ряду технологічних процесів: вимірювання деформації металів при тепловому напруженні під дією електронного променя, підвищення розрізнювальної спроможності в рентгенівській літографії, використання м'якого рентгенівського випромінювання для підвищення розрізнювальної спроможності в рентгенівському спектроаналізаторі, вимірювання діаметру променя на мішені і дослідження процесів взаємодії електронного променя з металом, наплавлення металів, очистки металів при крапельному переплаві, напилення та зварювання металів, підвищення корисної дії електронного променя за рахунок подавлення пучково-плазмових коливань та утриманням електронного потоку.

Ключові слова: електронний потік, дослідження, взаємодія, періодична структура, характеристика, ефект, електронна гармата, плазмові коливання, мішень, генератор, просторовий заряд.

Аннотация

Афанасьев В.И. Электромагнитное излучение и тепловое воздействие высокопервеансных электронных потоков. - Рукопись.

Диссертация на соискание физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова АН Украины, Харьков, 2002.

В диссертационной работе исследованы особенности процессов формирования високопервеансних электронных потоков с продольной компрессией пространственного заряда трехэлектродными пушками. Исследования выполнены с использованием численного расчета и моделирования электронных пушек с учетом влияния конструктивных особенностей и стабилизации тепловых режимов. На основе этих исследований созданы электронные пушки мощностью от 0,5 до 150 кВт.

Для эффективного управления такими электронными потоками, обладающими большим пространственным зарядом, проведены исследования распределения плотности тока по сечению сплошного цилиндрического электронного потока при различных режимах формирования электронного луча. При этом установлено, что при формировании электронных потоков в условиях низкого вакуума и малых рабочих напряжений возможно отклонение распределеня плотности тока от Гауссового. Отклонение обусловлено бомбардировкой катода ионами, образованными на участке катод первая диафрагма пушки. После выхода электронного потока из пушки при потенциале меньшем 3 кВ наблюдается отклонение электронного потока от расхождения с постоянным углом при некотором уменьшении расхождения луча, что обусловлено компенсацией части пространственного заряда ионами, образованными в процессе движения электронного потока. При фокусировании электронного потока в процессе его движения возможно образование виртуального катода с модуляцией потока. Частота модуляции электронного потока определяется временем накопления ионов, компенсирующих пространственный заряд потока.

На основе проведенных исследований поведения электронных потоков в нарастающем магнитном поле соленоида создан макет ЛОВО 3 см диапазона со сквозным отверстием в резонаторах периодической структуры для прохождения луча. Периодическая структура располагалась в максимуме магнитного поля соленоида. В такой системе колебания возникают в магнитных полях 0,014 Т при плотностях тока 3,3 - 6 А/см с высокой стабильностью генерируемых колебаний и шириной полосы меньше 50 КГц.. Создание электронных потоков с разбросом продольных скоростей позволило осуществить возбуждение хаотических колебаний в ЛОВО 8 мм диапазона при аномально низких значения величины фокусирующего магнитного поля. Изменением потенциала первой диафрагмы можно управлять шириной и формой спектра.

Созданные электронно-оптические системы с высокой плотностью тока при низких рабочих напряжениях позволяют значительно увеличить мощность, поглощаемую в единице объема и удельную мощность на мишени. Для измерения тепловых напряжений при воздействии таких электронных потоков создан стенд для испытания теплонапряженных объектов. Показано преимущество использования таких низковольтных сильноточных электронных потоков в следующих технологических процессах: наплавление сплавов на легированную сталь; очистка путем капельного переплава металлокерамического ниобия и иодидного циркония; испарение и сварка металлов. Разработаны специальные электронно-оптические системы.

Ключевые слова: электронный поток, плавка металлов, периодическая структура, электронная пушка, плазменные колебания, генератор, хаотические колебания, пространственный заряд.

Summary

Afanas'ev V.I. Electromagnetic Radiation and Thermal Effect of High-Perveance Electron Beams. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of science in physics and mathematics by specialty 01.04.04 - physical electronics - A.Usikov Institute for Radiophysics end Electronics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2002.

The thesis is devoted to the problems of forming, focusing and controlling of electron motion in high-perveance electron beams, as well as studying of their interaction with periodical structures and materials of a target. These high-perveance electron beams are formed via longitudinal compression of space charge in three-electrode guns and have large values of space charge. The methods both well-known in physics of electron beams and suggested new methods for active diagnostics were utilized to study these processes. The results obtained enabled creation of series of electron guns having beam power from 0.5 to 150 kW, as well as BWOs of X- and Ka-bands, working in monochromatic and chaotic regimes. Investigation into the controlling such electron beams and their interaction with metals enabled increasing in efficiency of some electron-vacuum technologies: evaporation and welding of metals vacuum cleaning of metals, etc.

Key words: electron beam, periodical structure, electron gun, plasma oscillations, material of target, generator, chaotic oscillations, space charge, welding and melting of metals.

Размещено на Allbest.ru