Комплексна модель електронної оптики технологічних гармат високовольтного тліючого розряду
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Скрипка М.Ю. Комплексна модель електронної оптики технологічних гармат високовольтного тліючого розряду - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 Електроніка - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2026.
Метою дисертаційної роботи є створення комплексної чисельної моделі електронних гармат високовольтного тліючого розряду, яка дозволяє узгоджено моделювати процеси формування, транспортування та фокусування електронного пучка, забезпечуючи оптимізацію параметрів електродів і режимів розряду для досягнення заданих технологічних характеристик. Така модель має охоплювати всі ключові фізичні підсистеми гармати, бути відтворювальною та придатною для інженерного застосування. Досягнення цієї мети передбачало розв’язання низки взаємопов’язаних завдань. По-перше, необхідно було здійснити теоретичний аналіз фізичних механізмів роботи електронних гармат тліючого розряду, зокрема емісії електронів, розподілу електричного потенціалу, формування плазмової межі та кінематики електронного пучка. По-друге, потрібно було систематизувати сучасні підходи до математичного моделювання відповідних процесів і на цій основі розробити методологію системного прикладного аналізу електронної гармати як цілісної керованої системи. У межах цієї методології було необхідно реалізувати системну архітектуру, що поєднує описання геометрії електродів, розв’язання рівняння Лапласа, обчислення електростатичного поля, розрахунок траєкторій електронів і модуль оптимізації. Наступним завданням стало створення механізму автоматичної оптимізації електродної системи гармати за обраним критерієм, зокрема пошуку оптимального радіуса кривизни катода з урахуванням заданих геометричних та енергетичних параметрів електронного пучка. Завершальним завданням стало проведення верифікації моделі на основі емпіричних даних та оцінка її точності й придатності до практичного використання в інженерному моделюванні. У дисертаційній роботі досліджено процеси формування та транспортування електронного пучка в електронних гарматах високовольтного тліючого розряду та розроблено комплексну математичну модель, яка забезпечує узгоджене описання основних фізичних явищ, що визначають роботу таких систем. Актуальність дослідження обумовлена широким застосуванням електронно-променевих технологій у науці та промисловості, зокрема в зварюванні, напилені покриттів і модифікації поверхонь матеріалів, плавленні металів та діелектричних матеріалів, адитивному виробництві, де виникає потреба у точному керуванні профілем, шириною та фокусуванням електронних пучків. Об’єктом дослідження є процеси формування та транспортування електронного пучка в електронних гарматах високовольтного тліючого розряду, які працюють у середовищі залишкового газу та формують пучок за участю плазмової межі. Предмет дослідження становлять методи узгодження та оптимізації параметрів тліючого розряду — напруги, розподілу потенціалу, тиску робочого газу, геометрії катода і анода — з метою отримання електронного пучка із заданими технологічними характеристиками. Першим етапом дослідження стало висвітлення розвитку сфери електронних гармат, особливо джерел на основі тліючого розряду, які активно використовуються у вакуумних технологіях, електронно-променевому зварюванні та нанесенні покриттів, а також в адитивному виробництві. Показано еволюцію конструктивних рішень, починаючи від класичних термоелектронних джерел до плазмових гармат, що працюють у режимі самопідтримуваного тліючого розряду. Проаналізовано чинники, які визначають геометрію катода, форму анода, розподіл потенціалу та межу плазми, а також вплив залишкового газу на стабільність пучка. Особливу увагу приділено тому, як розвиток технологій вимагав створення узгоджених моделей для точного керування фокусуванням і профілем електронного пучка. Також розглянуто розвиток підходів до розрахунків електронних гармат, включно з класичними електростатичними методами, моделями плазмового шару, апроксимаційними методами та методами з використанням кореневополіноміальних функцій. Показано еволюцію чисельних методів від простих аналітичних наближень до складних гібридних моделей, що поєднують рішення рівняння Лапласа, кінетичні моделі руху електронів та процедури оптимізації. Наголошено на важливості того, що сучасні задачі, пов’язані з проєктуванням гармат ВТР, вимагають врахування взаємозалежних фізичних явищ і переходу від окремих моделей до комплексних інтегрованих платформ симуляції. На цій основі розроблено та обґрунтовано з точки зору системного прикладного аналізу новий спосіб розрахунку, який полягає у декомпозиції складного фізичного об’єкта — електронної гармати — на взаємопов’язані підсистеми: геометрична конфігурація електродів, плазмова межа, електростатичне поле, кінематика електронів, механізми втрат та критерії оптимізації. Запропоновано послідовність побудови моделей, яка забезпечує комплексний підхід: від формування параметрів розряду до отримання вихідних характеристик пучка. Такий системний підхід дозволяє визначити точки впливу кожного параметра, виявити структурні залежності та побудувати єдиний алгоритм оптимізації. У роботі наведено всебічний аналіз фізичних процесів, що відбуваються у гарматах ВТР: емісія електронів із холодного катода, формування плазмової межі, прискорення заряджених частинок у неоднорідному електричному полі, вплив залишкового газу та іонізаційних процесів на форму пучка, а також фокусування, розходження та втрати електронів під час транспортування. На основі узагальнення сучасних наукових джерел розглянуто класичні та сучасні підходи до моделювання електронних гармат, включно з методами розв’язання рівняння Лапласа, моделями плазмового шару, алгоритмами трасування та методами оптимізації геометрії електродів. Застосований методологічний апарат поєднує теоретичні, чисельні та аналітичні підходи. У роботі використано методи математичного моделювання (структурно-орієнтованому, фізично-обґрунтованому, детермінованому зі статичною та динамічною складовими, імітаційного та оптимізаційного моделювання), теорії електромагнітного поля, чисельні методи розв’язання диференціальних рівнянь, методи оптимізації та аналізу похибок. Значна частина дослідження присвячена побудові комплексної комп’ютерної моделі в середовищі GNU Octave, яка включає модулі побудови геометрії електродів, розрахунку межі плазми, обчислення електростатичного потенціалу, визначення електричного поля, інтегрування траєкторій електронів та автоматичної оптимізації параметрів джерела. Створена модель реалізує комплексний обчислювальний цикл, у якому всі етапи пов’язані між собою через глобальні параметри: геометрія електродів формує межі області для задачі Лапласа; розраховане потенціальне поле визначає напрямки та прискорення електронів; траєкторії формують показники ширини пучка та положення фокусної зони; отримані значення слугують критеріями для оптимізації радіуса кривизни катода та інших параметрів системи. Такий підхід забезпечує узгодженість на всіх рівнях моделювання й дозволяє проводити параметричні дослідження для пошуку оптимального режиму роботи гармати. У роботі виконано тестовий розрахунок за запропонованим способом моделювання із задачею пошуку фокусної відстані та автоматичної оптимізації параметрів, що дозволяє досягти заданого діапазону ширини пучка. Розроблений алгоритм оптимізації враховує радіус кривизни катода, положення плазмової межі, умови розряду та геометрію анода. З використанням засобів чисельного моделювання здійснюється перебудова геометрії електродної системи, повторно розв’язується задача Лапласа, обчислюються траєкторії електронів і визначаються критерії відповідності, що забезпечує збіжність розрахунків до конфігурації зі зменшеною шириною пучка та покращеними фокальними властивостями. Результатом є створення адаптивного інструменту підбору параметрів для технологічних застосувань. Розроблена модель дозволяє визначати положення фокусної точки, мінімальну ширину пучка, рівень асиметрії та втрати електронів на аноді. Було виконано чисельну оптимізацію радіуса кривизни катода, в результаті якої знайдено конфігурації, що мінімізують ширину пучка при заданих обмеженнях. Враховуючи отримані результати моделювання, отримано оптимальні параметри гармати, що забезпечують ширину пучка близько 3 мм за умови фокусної відстані ~85 мм. Окремий етап роботи присвячено верифікації моделі на основі експериментальних даних. Для цього були використані відомі результати стендових досліджень параметрів електронних гармат, у яких виміряна фокусна відстань, радіус і ширина стрічкового пучка при різних прискорювальних напругах. Порівняння даних моделювання із експериментом показало відхилення у межах 10–15%, що підтверджує коректність як електростатичної моделі, так і обраних моделей плазмової межі та початкових умов емісії. Це також підтверджує, що запропонований спосіб узгодження моделей є фізично достовірним та може використовуватись для інженерних розрахунків. Також розглянуто окремі методи розрахунку, зокрема кореневополіноміальні функції, які використовують для інтерполяції граничних траєкторій та наближення профілю пучка. Показано їх переваги над класичними інтерполяційними методами у разі роботи з жорсткими функціями, які характерні для короткофокусних електронних пучків. Наведено аналітичні залежності для різних порядків RPF, метод розв’язання системи лінійних рівнянь та оцінку точності. Окремо проаналізовано покращену геометрію анода, що реалізована на основі оптимізованої формули корисної моделі та забезпечує зменшення втрат електронів пучка та його потужності, рівномірне поле в зоні прискорення та покращені умови фокусування. Показано, що форма анода є критичною для стабільності фокусної зони та відтворюваності параметрів пучка. Наукова новизна роботи полягає у розробці методики інтеграції різнорідних моделей формування та транспортування електронного пучка в єдиний комплексний чисельний інструмент моделювання. Уперше показано, що поєднання електростатичної моделі, коренево-поліноміальної апроксимації та параметричної оптимізації дає змогу досягнути високої точності розрахунку профілю пучка у гарматах ВТР. Крім того, вперше запропоновано механізм автоматичного циклу перерахунку параметрів із динамічною зміною геометрії та граничних умов, що забезпечує збіжність моделі до оптимального рішення. Практичне значення полягає у створенні інструменту моделювання, який може застосовуватися для проєктування електронних гармат, налаштування технологічних режимів, прогнозування поведінки електронного пучка та верифікації нових конструктивних рішень. Розроблена модель може бути інтегрована в системи автоматизованого проєктування. Запропонований підхід може бути розширений для врахування додаткових фізичних ефектів, зокрема просторового заряду, магнітного фокусування, зіткнень електронів із газом, термоемісії та нагріву катода. Це робить модель перспективною для застосування у подальших дослідженнях та інженерних розробках, спрямованих на вдосконалення плазмових і електроннопроменевих систем. Таким чином, дисертаційна робота демонструє всебічний підхід до моделювання й оптимізації електронних гармат, формує єдиний узагальнений спосіб побудови складних комп’ютерних моделей та підтверджує їх ефективність та точність порівняно з емпіричними даними. Отримані результати мають як теоретичну, так і практичну цінність, і можуть бути використані у подальших дослідженнях та у прикладних технологічних задачах.
Опис
Ключові слова
розряд, тліючий розряд, електронна гармата високовольтного тліючого розряду, комплексна модель електронної оптики, формування та фокусування електронного пучка, плазмова межа, моделювання траєкторій електронів, оптимізація геометрії електродів, профільний електронний пучок, інженерне моделювання, discharge, glow discharge, high-voltage glow discharge electron gun, complex model of electron optics, electron beam formation and focusing, plasma boundary, electron trajectory modeling, electrode geometry optimization, shaped electron beam, engineering modeling
Бібліографічний опис
Скрипка, М. Ю. Комплексна модель електронної оптики технологічних гармат високовольтного тліючого розряду : дис. … д-ра філософії : 171 – Електроніка / Скрипка Михайло Юрійович. – Київ, 2026. – 207 с.