Довгомірна плазмова система малого діаметру з тліючим розрядом низького тиску

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЦибульский, Леонід Юрійович
dc.contributor.authorАндрієнко, Ольга Володимирівна
dc.date.accessioned2025-07-08T07:04:48Z
dc.date.available2025-07-08T07:04:48Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractАндрієнко О.В. Довгомірна плазмова система малого діаметру з тліючим розрядом низького тиску. – Кваліфікаційна робота на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 17 Електроніка та телекомунікації за спеціальністю 171 Електроніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Актуальність роботи. Розробка іонних технологій обробки матеріалів є перспективним напрямком у різних галузях. Зокрема, для обробки довгомірних виробів малого діаметру для медицини (створення протезів, медичних пристроїв), виробів оборонної промисловості (стволів вогнепальної зброї, системи СТЕЛС), виробів тонкої механіки. Великий потенціал для реалізації іонних технологій має тліючий розряд. Для проектування технологічного обладнання і розробки технологічних процесів потрібні знання про особливості і характеристики тліючого розряду, що може бути досягнуте за допомогою моделювання. Більшість робіт в цій галузі присвячено моделюванню тліючого розряду в плоско-паралельних системах, які не враховують складну топологію реальних довгомірних систем малого діаметру і особливості розряду в таких системах. Тому дана робота присвячена вирішенню задачі моделювання тліючого розряду в довгих трубках малого діаметру в умовах з відношенням довжини (L) до відстані між електродами (d) L>>d (при d в межах 3-20 мм, L - до 1 м) за тиску, що відповідає області мінімуму кривої Пашена, тобто для pd в межах 0,5-1,5 Па·м в середовищі аргону. Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі електронних пристроїв та систем в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» в рамках наступних наукових проектів: - НДДКР Дослідження електродинамічних ефектів у пристроях вакуумної та плазмової електроніки технологічного призначення, номер др 0119U103973, терміни виконання 2019-2022 рр. - НДДКР Технологія комбінованого лазерного та імпульсноплазмового нанесення зносостійких покриттів для зміцнення стволів вогнепальної зброї, номер др 0121U111822, терміни виконання 2020-2022 рр. - НДДКР Дослідження та моделювання динамічних процесів в електронно-іонних системах, номер др 0124U002408, терміни виконання 2024- 2026 рр. Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка та апробація гідродинамічних фізико-топологічних моделей тліючого розряду низького тиску в перспективних пристроях іонної техніки.. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні наукові та практичні задачі: 1. Огляд та аналіз особливостей моделювання тліючого розряду; 2. Розробка гідродинамічної фізико-топологічної моделі тліючого розряду низького тиску в довгих трубках малого діаметру та апробація на пристроях іонної техніки; 3. Дослідження розподілу потоку газу в коаксіальній системі з подачею газу через перфорований внутрішній електрод; 4. Експериментальна перевірка та аналіз ефективності запропонованої моделі, надання рекомендацій з їх практичного використання. Об’єкт дослідження: тліючий розряд в довгих тонких металевих та діелектричних трубках. Предмет дослідження: фізико-топологічні моделі, для врахування електрофізичних процесів та параметрів розряду і конструктивних особливостей розрядних (іонних) пристроїв. Методи дослідження: бібліографічний аналіз науково-технічної літератури, а також інформаційних матеріалів в базах даних та в Інтернеті, методи математичної фізики, фізико-топологічного моделювання і чисельного розрахунку, електричні вимірювання вольт-амперної характеристики та зондові вимірювання для визначення параметрів плазми та рівномірності її горіння. Наукова новизна результатів, отриманих автором, полягає у наступному: 1. Вперше побудовано фізико-топологічну гідродинамічну модель довгомірної плазмової системи з тліючим розрядом в дрейфово-дифузному наближенні з урахуванням пружних зіткнень електронів та іонів з молекулами газу, іонізації атомів газу електронним ударом, генерації метастабільних частинок, вторинної іонно-електронної емісії з поверхні катода, рекомбінації заряджених частинок, процесів дифузії та дрейфу заряджених частинок, впливу просторового заряду на розподіл електричного поля та прилипання частинок на поверхні електродів дозволяє адекватно розрахувати параметри розряду і розрядної плазми (максимальна похибка розрахунків вторинної електронної емісії склала 14%, а для струму не перевищувала 4%) в довгомірних вузьких трубчастих електродних системах з відношенням довжини до відстані між електродами L>>d (при d в межах 3-20 мм, L - до 1 м) за тиску, що відповідає області мінімуму кривої Пашена, тобто для pd в межах 0,5-1,5 Па·м в середовищі аргону. 2. Вперше побудована модель газорозподілу у довгомірній плазмовій коаксіальній системі малого діаметру з перфорованим внутрішнім електродом у ламінарному режимі руху газових молекул (при діаметрі отворів суттєво більше ніж довжина вільного пробігу молекул газу) дозволяє визначити характеристики розподілу газу в газорозрядному проміжку, зокрема величину неоднорідності газового потоку зі швидкістю вхідного потоку порядку 100 м/с Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: 1. Створена фізико-топологічна модель тліючого розряду забезпечує адекватні розрахунки параметрів розряду (напруги, струму, густини струму) та газорозрядної плазми (розподіл концентрації заряджених частинок в міжелектродному проміжку, потенціалу плазми, температури електронів) при різних розмірах та топології електродних систем полегшує проектування пристроїв для технологій іонної обробки в довгомірних вузьких трубчастих електродних системах з відношенням довжини до відстані між електродами L>>d (при d в межах 3-20 мм, L - до 1 м) за тиску, що відповідає області мінімуму кривої Пашена, тобто для pd в межах 0,5-1,5 Па·м в середовищі аргону, але система може застосовуватись для різних газів. 2. Результати моделювання та дослідження використані при розробці технології іонного обробки трубчастих металевих довгомірних виробів малого діаметру для обґрунтування режимів підтримання іонно-генеруючого тліючого розряду за електричним живленням і тиском робочого газу. Також моделювання дозволило обґрунтувати вибір діаметру внутрішнього електроду при заданому внутрішньому діаметрі зовнішнього електроду. 3. Розроблена модель двохелектродного пристрою у діелектричній оболонці з неоновим наповненням за допомогою якої був розроблений індикатор критичної напруженості електромагнітного поля. Пристрій успішно апробований для використання в мікрохвильовій печі. На основі даного пристрою може бути побудована плазмова система великої площини для використання в системах керування електромагнітним випромінюванням. 4. Розроблена модель газорозподілу дозволяє визначити режим протікання та розподіл тиску газу в міжелектродному проміжку коаксіальної системи при подачі газу через перфорований внутрішній електрод та показала суттєву неоднорідність тиску робочого газу при такому способі подачі газу в електродну систему.
dc.description.abstractotherAndriienko O.V. Longitudinal Plasma System of Small Diameter with LowPressure Glow Discharge. – Qualifying scientific work, the manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of philosophy in the field of knowledge 17 Electronics and Telecommunications in specialty 171 Electronics. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. Relationship with academic programs, plans, themes. This research was conducted at the Department of Electronic Devices and Systems at the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" as part of the following scientific projects: - R&D: Investigation of Electrodynamic Effects in Vacuum and Plasma Electronics Devices for Technological Applications, state registration number 0119U103973, implementation period 2019–2022. - R&D: Technology for Combined Laser and Pulsed Plasma Deposition of Wear-Resistant Coatings for Strengthening Firearms Barrels, state registration number 0121U111822, implementation period 2020–2022. - R&D: Investigation and Modeling of Dynamic Processes in Electron-Ion Systems, state registration number 0124U002408, implementation period 2024–2026. The purpose and objectives of the study The aim of the dissertation is to develop and test hydrodynamic physicaltopological models of low-pressure glow discharge in prospective ion-technology devices. To achieve this goal, the following key scientific and practical tasks must be addressed: 1. Review and analyze glow discharge modeling features. 2. Develop a hydrodynamic physical-topological model of low-pressure glow discharge in elongated, narrow tubes and validate it using ion technology devices. 3. Study gas flow distribution in a coaxial system with gas introduced through a perforated inner electrode. 4. Experimentally verify and analyze the effectiveness of the proposed model, providing recommendations for practical application. Object of research: Glow discharge in elongated, thin metal and dielectric tubes. Subject of research: Physical-topological models for considering electrophysical processes, discharge parameters, and design specifics of discharge (ion) devices. Research methods: Bibliographic analysis of scientific and technical literature, as well as information materials from databases and the Internet; methods of mathematical physics, physical-topological modeling, and numerical calculation; electrical measurements of current-voltage characteristics; and probe measurements for determining plasma parameters and the uniformity of its glowing. The scientific novelty of the results obtained by the author is as follows: 1. For the first time, a physical-topological hydrodynamic model for an elongated plasma system with glow discharge was developed using a drift-diffusion approximation, considering elastic electron-ion collisions with gas molecules, electron-impact ionization of gas atoms, generation of metastable particles, secondary ion-electron emission from the cathode surface, recombination of charged particles, diffusion and drift of charged particles, spatial charge effects on electric field distribution, and particle adhesion to electrode surfaces. This model accurately calculates discharge and plasma parameters (maximum error of secondary electron emission calculations is 14%, while current calculations error does not exceed 4%) in elongated narrow tubular electrode systems with length-to-electrode spacing ratios L>>d (d within 3-20 mm, L up to 1 m), under pressures corresponding to the Paschen curve minimum region (pd within 0.5-1.5 Pa·m) in argon. 2. For the first time, a gas distribution model was developed for elongated plasma coaxial systems with a small diameter and perforated inner electrode in laminar gas molecule flow mode (with hole diameters significantly greater than gas molecule free path length), enabling characterization of gas distribution within the discharge gap, particularly the gas flow non-uniformity at inlet flow velocities around 100 m/s. The practical significance of the obtained results 1. The developed glow discharge model enables accurate calculation of discharge parameters (voltage, current, current density) and discharge plasma characteristics (charged particle concentration distribution, plasma potential, electron temperature) for different electrode system dimensions and topologies, facilitating the design of ion-processing devices in elongated narrow tubular electrode systems with length-to-electrode spacing ratios L>>d (d within 3-20 mm, L up to 1 m), under pressures corresponding to the Paschen curve minimum region (pd within 0.5-1.5 Pa·m) in argon, with potential applicability to other gases. 2. The modeling and research results supported the development of ion processing technology for elongated small-diameter metal tubular products, substantiating the operational regimes for maintaining ion-generating glow discharge through power supply and working gas pressure. Additionally, modeling justified selecting the internal electrode diameter based on the given external electrode diameter. 3. A two-electrode model device within a dielectric shell filled with neon was developed, leading to the creation of an indicator for critical electromagnetic field intensity. The device was successfully tested in microwave ovens. Based on this device, a large-area plasma system for electromagnetic radiation control systems can be developed. 4. The gas distribution model developed allows determining gas flow regimes and pressure distribution in coaxial system electrode gaps when gas is introduced through a perforated inner electrode, revealing significant working gas pressure nonuniformities with this gas introduction method.
dc.format.extent144 с.
dc.identifier.citationАндрієнко, О. В. Довгомірна плазмова система малого діаметру з тліючим розрядом низького тиску : дис. … д-ра філософії : 171 – Електроніка / Андрієнко Ольга Володимирівна. – Київ, 2025. – 144 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74712
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectрозряд
dc.subjectтліючий розряд
dc.subjectмоделювання плазми
dc.subjectдифузійні моделі
dc.subjectгідродинамічні моделі
dc.subjectгазорозрядні пристрої
dc.subjectперфорована трубка
dc.subjectкоаксіальна система
dc.subjectазот
dc.subjectаргон
dc.subjectнеон
dc.subjectdischarge
dc.subjectglow discharge
dc.subjectplasma modeling
dc.subjectdiffusion models
dc.subjecthydrodynamic models
dc.subjectgas discharge devices
dc.subjectperforated tube
dc.subjectcoaxial system
dc.subjectnitrogen
dc.subjectargon
dc.subjectneon
dc.subject.udc537.525, 537.56
dc.titleДовгомірна плазмова система малого діаметру з тліючим розрядом низького тиску
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Andriienko_dys.pdf
Розмір:
2.42 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕПС)
Дисертації (вільний доступ)