Газорозрядні системи з вторинними емітерами для електронної апаратури
| dc.contributor.advisor | Денбновецький, Станіслав Володимирович | |
| dc.contributor.author | Кузьмичєв, Анатолій Іванович | |
| dc.date.accessioned | 2018-06-05T09:31:00Z | |
| dc.date.available | 2018-06-05T09:31:00Z | |
| dc.date.issued | 2018 | |
| dc.description.abstracten | The scientific and applied problem of development of scientific and technical bases of construction and practical use of gas-discharge systems with secondary emitters (GDSSE) of particles for switching, technological and biomedical equipment with improved indicators is solved in the dissertation. In this regard, the following subjects have been studied: - the mechanism of action of interrelated elementary processes in low-pressure GDSSE under conditions of strong field that was formalized by means of a system of kinetic equations; the role and interconnection of individual processes and their impact on the external characteristics of GSPEE, - characteristics of high-voltage magnetron type gas-discharge switches/current breakers and pathways to improve their parameters, - design principles and characteristics of pulsed systems with secondary particle emitters for ion and plasma technology for the formation of surface structures, - characteristics of systems based on atmospheric pressure discharge with a secondary emission cathode and their application in biomedical ozone apparatuses. The following new scientific results have been obtained: For the first time, the theoretical model of GDSSE for a regime of a strong field at low pressures (in the range of parameters for the left branch of the Paschen curve) was improved, taking into account the ionization of gas by fast neutral atomic particles reflected from the cathode, in addition to the known mechanisms of ionization by electrons, ions and fast neutral particles after recharging of ions, as well by electrons reflected from the anode, that improved the matching of theoretical results with the experiment. It was shown that the contribution of the new process to gas ionization can reach tens of percent. For the first time, on the basis of physical kinetics principles, the complex of improved physical-topological models of typical gas-discharge systems with secondary emitters and particle motion in a strong field was developed and confirmed by the results of the experiment; the models take into account the variety of elementary physical processes in gas and on the surface of electrodes, including the reflection (back scattering) of high-energy particles from them. New data on high-voltage low-pressure discharges, which show the essential role of the atomic particles reflected from the cathode in the ionization of low-pressure gas are obtained. The developed models allow everyone to calculate the particle distribution functions and secondary emission of electrodes, including the emission and mass transfer of the sputtered material through a gas and to predict the parameters and characteristics of designed GDSSE of various applications. Application of models allows everyone to increase the accuracy of computer-aided design. For the first time, basing on the results of the theoretical analysis and the experimental study of characteristics of gas-discharge magnetron-type switches-current interrupters with a super-dense secondary electron emission of a cold cathode for powerful pulse modulators, new pathways was proposed and tested to improve the parameters of switches and reducing the power of the magnetic control by the amplitude and packetpulse modulation of the control pulsed magnetic field, the step-by-step voltage supply to the switch during its switch-on period, profiling electrodes shape by the diameter and sectioning the gap between electrodes. New and improved known structures of pulse systems with secondary solid and plasma emitters for depositing thin films and coatings with ion-plasma activation, which provide the stability of deposition processes to electrical breakdowns and the arc formation on substrates and sputtered targets was proposed and realized. The proposed pulse modulation allowed to regulate the temperature regime of the substrates in a qualitatively and operatively manner in the energy-intensive deposition processes and to provide a control over the coating content and microstructure. New principles of work and schemes of pulse modulators for systems of thermionic and magnetron deposition of thin films and coatings with improved characteristics was proposed, studied and implemented. The transition from a pulsed modulation with a uniform pulse distribution in time to a packet-pulse modulation of a plasma-forming discharge in systems of the physical deposition of coatings with vapor-gas ionization has increased several times the concentration of ions in the plasma medium and the ion emission current from it to the substrate while maintaining the average power of the plasma discharge. Such approach increases the energy efficiency of systems. For the first time, for the acceleration of ions in systems of the thermionic deposition of coatings and the plasma ion implantation, it was proposed and studied the substrate feeding by a negative pulse voltage through an electronic vacuum device-control switch with a positive-potential grid in the mode of partial return of electrons from the main anode and their interception by a grid, as another anode. This approach provides a weak dependence of the accelerating voltage from the current of ion emission of the plasma with the automatic limiting of the maximum current to the substrate by a given value, and thus prevents the arc formation on the substrate. The value of the maximum ion current of the substrate is determined by the maximum allowable current of the electronic switch, which is given by parameters of the electric mode of the grid. The use of a vacuum-type switch provides electrical isolation and protection of the control circuit from electrical overstress and breakdowns, which increases the reliability of the equipment. It was proposed and approved the deposition of layers of gradient optical metamaterial with a given profile of the refractive index for electromagnetic radiation by the simultaneous secondary emission of atoms of various metals from two spaced targets that are sputtered by the ion bombardment at the pulsed substrate voltage. The control of the refractive index profile is carried out by moving the substrates over the emitters of atomized particles according to a given program, and the plasma activation of the reactive gas medium in the region of the substrates makes it possible to obtain the required chemical composition of the qualitative optical metamaterial. It is shown that the concentration of ozone C at the outlet of an ozonizer with a streamer-less multi-corona atmospheric pressure discharge with a secondary emission cathode depends on the total current of discharge I and the flow of gas Q, while the configuration of the corona discharge electrode system affecting no more than 30 % of the ozone concentration. For the AK-4M apparatus with a bipolar multi-corona discharge between the needles electrodes at the flow of oxygen in the range of 1-10 l/min (flow rate 0.6-6.0 cm/s) and a discharge current up to a several milliamperes, without compulsory ozonizer cooling, the value C [mg/m3] = 1,15I [μA]Q–0,7314 [l/min], while a short-term (up to 8 hours) and a long-term (up to 1000 hours) stability of ozone generation is achieved in the mode of current stabilization; this ensures the application of this ozonizer in biomedicine with a positive effect. The obtained results have the following practical value: Kinetic models of high-voltage low-pressure discharges with secondary emission electrodes have been developed, the calculations results of which allow predicting the parameters and characteristics of the apparatus and systems based on such discharges. An adequate calculation methodology have been proposed and implemented on the basis of the kinetic approach for the following: - energy characteristics of fluxes of particles that bombard electrodes of high-voltage gas-discharge devices and system in the pre-run mode, as well as for electrical hold-off of low-pressure switching device; - parameters of the flux of particles that bombard electrodes or substrates under the negative potential in a plasma gas discharge in technological systems; - mass transfer of the sputtered material and thickness profiles of films and coatings on substrates in ion-sputtering systems. A high-voltage gas-discharge switch-interrupter of current on the magnetron-type glow discharge with a high-density secondary emission cold cathode for powerful pulse modulators with capacitive and inductive energy storages has been developed and approved in experimental industrial manufacturing. In the device design the results of the research on new pathways of improving the parameters and characteristics of high-voltage gas-discharge switches-interrupters of current with magnetic control were realized. New pulse systems with secondary emitters and ion-plasma activation have been created and used in the production of thin films and coatings, which have improved the quality of the characteristics of coatings and films, as well as the stability of deposition processes against electrical breakdowns and the arc formation on substrates and sputtered targets due to employment and optimization of pulse operation modes. The periodic multilayered and gradient microstructures have been manufactured for optics and machine building technology. The experimental technology of the pulsed reactive thermionic deposition and the magnetron sputtering for deposition of metallic coatings with advances well-developed microstructure onto low-voltage electrolytic capacitors anode foils with a high specific capacity has been developed. New designs of pulse modulators for systems of the thermionic and the magnetron deposition of thin films and coatings, that are used in technological processes of a number of industrial and research institutions, have been proposed and practically implemented. It has been proposed to apply a pulsed mode with packet-pulse impulses for vapor ionizing devices and substrate biases. A method for increasing the ionization efficiency of a metal vapor in the system of thermionic deposition of thin films was realized by a transfer to a packet-pulse mode of the induction discharge excitation. A new method of the pulse ionization of a metal vapor using an oscillating (ringing) L-C circuit with shock excitation have been developed and practically implemented that simplifies the design and adjustment of technological installations. This new development is used for the metallization of silicon wafers and flexible polyimide carriers for the unclosed assembly of integrated circuits. The implementation of the development provided for an increase in the yield of suitable products. An originally designed pulse modulator for power supply of a magnetron sputtering device has been created for the Leybold Z 550M set-up for the technological tasks of the Institute of Physics of the Academy of Sciences of the Czech Republic (Prague); the modulator is used to study a pulsed sputtering and deposition of thin films, in particular, carbon films with a high discharge current density. The results of the dissertation work in the form of scientific proposals, theoretical calculations, design and technological developments of ion-plasma evaporation and sputtering systems with secondary emitters have been used in the Research Center “Pratt & Whitney-Paton” (Kyiv) during the research & development projects devoted to creating the pulsed ion-plasma technology for applying metal and ceramic coatings onto gas turbine blades. The developed technological processes have provided the stability of the operation of high-performance technological equipment in the extended range of operating parameters, as well as the quality of the coatings. At the same time, the pulse modulator on the base of electronic vacuum switch is used in the mode of partial return of electrons from the main anode and their interception by the grid with a positive potential, as another anode, for application of the negative pulse voltage to substrates. On the basis of an ozonizer with streamer-less multi-corona discharges of atmospheric pressure with a secondary emission cathode, the ozon-therapeutic apparatus AK-4M has been developed for an expanded spectrum of application. The Ukrainian health community is informed on the apparatus AK-4M as well as the results of its application by medical collaborators of development. The data that have been obtained indicate the prospect of using atmospheric pressure discharges with a secondary emission cathode in biomedical apparatuses, in particular for ozone-therapy and low temperature sterilization. The results of the work are implemented in the educational process of the department of electronic devices of Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute during lecturing and laboratory workshops on the courses "Technological fundamentals of electronics", "Technology of electronics production", "Plasma and pulse electronics", "Electronicphotonic methods in ecology", "Electronic systems". On the basis of the results, new research headings for postgraduate students (PhD students) of the department have been formulated. According to research results 193 scientific publications have been published, while new design and technological proposals are protected by patents and patent applications of Ukraine, USA, EU and other countries. The obtained results can be used for the development of the electronic and machine-building industry in Ukraine. | uk |
| dc.description.abstractuk | В дисертації розв’язано науково-прикладну проблему розробки наукових і технічних основ побудови і практичного використання газорозрядних систем з вторинними емітерами (ГрСВЕ) частинок для комутуючої, технологічної та біомедичної апаратури з поліпшеними показниками. Для цього досліджувалися: - механізм дії взаємопов'язаних елементарних процесів в ГрСВЕ низького тиску в умовах сильного поля, який формалізований за допомогою системи кінетичних рівнянь; роль і взаємозв'язок окремих процесів і їх вплив на зовнішні характеристики ГрСВЕ, - характеристики високовольтних газорозрядних комутаторів-переривників струму магнетронного типу і шляхи поліпшення їх параметрів, - принципи побудови і характеристики імпульсних систем з вторинними емітерами частинок для іонної і плазмової технології конструювання поверхневих структур, - характеристики систем на основі розрядів атмосферного тиску з вторинноемісійним катодом і їх застосування в біомедичній озонній апаратурі. Були одержані такі нові наукові результати: Вперше удосконалено теоретичну модель ГрСВЕ для режиму сильного поля при низьких тисках (в діапазоні параметрів, характерних для лівої гілки кривої Пашена) шляхом урахування іонізації газу відбитими від катода швидкими нейтральними атомними частинками додатково до відомих механізмів іонізації електронами, іонами та нейтралами перезарядки, а також електронами, відбитими від анода, що поліпшило узгодження розрахункових теоретичних результатів з експериментом. Показано, що внесок нового процесу в іонізацію газу може досягати десятків відсотків. Вперше, на принципах фізичної кінетики створено та підтверджено результатами експерименту комплекс удосконалених фізико-топологічних моделей типових газорозрядних систем з вторинними емітерами та рухом частинок в режимі сильного поля; моделі враховують різноманітність елементарних фізичних процесів у газі та на поверхні електродів, включаючи відбивання (зворотне розсіювання) від них високоенергетичних частинок. Отримано нові дані про високовольтні розряди низького тиску, які показують істотну роль атомних частинок, відбитих від катода, в іонізації газу низького тиску. Побудовані моделі дозволяють розраховувати функції розподілу частинок та вторинну емісію електродів, включаючи емісію та масоперенос розпиленої речовини через газ, прогнозувати параметри та характеристики проектованих газорозрядних систем (приладів та пристроїв) різноманітного призначення. Застосування моделей дозволяє підвищити точність автоматизованого проектування. Вперше, за результатами теоретичного аналізу та експериментального дослідження характеристик газорозрядного комутатора-переривника струму на тліючому розряді магнетронного типу з надщільною вторинною електронною емісією холодного катода для потужних імпульсних модуляторів запропоновані і апробовані нові способи поліпшення параметрів комутатора і зменшення потужності магнітного керування шляхом амплітудної і пакетно-імпульсної модуляції керуючого імпульсного магнітного поля, ступінчастого подавання напруги на комутатор під час його вмикання, профілювання електродів за діаметром та секціонування міжелектродного проміжку. Запропоновано і реалізовано удосконалення систем для осадження тонких плівок і покриттів з іонно-плазмовою активацією шляхом введення в системи вторинних твердотільних і плазмових емітерів нейтральних і заряджених частинок осаджувальної речовини з імпульсним електричним живленням, що дозволяє якісно та оперативно керувати вмістом і мікроструктурою тонких плівок та покриттів і регулювати температурний режим мішеней і підкладок. Імпульсна модуляція також забезпечує стійкість процесів осадження до електричних пробоїв та дугоутворення на підкладках і мішенях, які розпилюються”. Запропоновані і перевірені нові принципи роботи і схеми імпульсних модуляторів для систем термоіонного та магнетронного осадження тонких плівок і покриттів з поліпшеними характеристиками. Запропонований перехід від імпульсної модуляції з рівномірним розподілом імпульсів за часом до пакетно-імпульсної модуляції плазмоутворюючого розряду в системах фізичного осадження покриттів з іонізацією паро-газового середовища збільшив в декілька разів концентрацію іонів у плазмовому середовищі та струм емісії іонів з нього на підкладку при збереженні середньої потужності розряду Вперше для прискорення іонів в системах термоіонного осадження покриттів і плазмової іонної імплантації запропоновано і вивчено подавання на підкладки негативної імпульсної напруги через електронний вакуумний прилад-комутатор з керуванням за допомогою сітки з позитивним потенціалом в режимі часткового повернення електронів від головного анода та їх перехоплення сіткою, як другим анодом. Це забезпечує слабку залежність прискорювальної напруги від струму іонної емісії плазми при автоматичному обмеженні максимального струму на підкладку заданою величиною, а відтак запобігає дугоутворенню на підкладці. Величина максимального струму підкладки визначається максимально дозволеним струмом електронного комутатора, який задається параметрами електричного режиму сітки. Застосування комутатора вакуумного типу забезпечує електричну ізоляцію та захист керуючого кола від перенапруг та електричних пробоїв, що підвищило надійність роботи обладнання. Запропоновано і підтверджено осадження шарів градієнтного оптичного метаматеріалу з заданим профілем розподілу коефіцієнта заломлення шляхом одночасної вторинної емісії атомів різних металів з двох рознесених мішеней, які розпилюються за рахунок іонного бомбардування при подаванні на них імпульсної напруги. Керування профілем розподілу коефіцієнта заломлення здійснюється шляхом переміщення підкладок над емітерами розпилених атомних частинок за заданою програмою, а плазмова активація реакційного газового середовища в області розташування підкладок дозволяє отримати необхідний хімічний склад якісного оптичного метаматеріалу Показано, що концентрація озону C на виході озонатора з безстримерним мульти-коронним розрядом атмосферного тиску з вторинно-емісійним катодом залежить від загального струму розряду I і потоку газу Q, при цьому конфігурація електродної системи коронного розряду впливає на концентрацію озону не більше ніж на 30 %. Для апарату АК-4М з біполярним мульти-коронним розрядом проміж голковими електродами при потоці кисню в діапазоні 1-10 л/хв (швидкості потоку 0,6-6,0 см/с) і розрядному струмі до декількох міліампер без примусового охолодження озонатора величина C [мг/м3] = 1,15I [мкА]Q–0,7314 [л/хв], при цьому досягається короткочасна (до 8 годин) і довгострокова (до 1000 годин) стабільність генерації озону у режимі стабілізації струму, що забезпечує застосування даного озонатора в біомедицині з позитивним ефектом. Отримані результати мають наступне практичне значення: Розвинені кінетичні моделі високовольтних розрядів низького тиску з вторинно-емісійними електродами, результати розрахунків за якими дозволяють передбачати параметри та характеристики ГрСВЕ і апаратури на основі таких розрядів. Запропоновано і реалізовано адекватну методику розрахунків на основі кінетичного підходу: - енергетичних характеристик потоків частинок, які бомбардують електроди високовольтних газорозрядних приладів і систем у передпробійному режимі, а також електричної міцності комутуючих приладів низького тиску; - параметрів потоку частинок, які бомбардують електроди або підкладки під негативним потенціалом в плазмі газового розряду в технологічних системах; - масопереносу розпиленого матеріалу і профілю товщини плівки на підкладці в пристроях іонного розпилення. Був розроблений та успішно випробуваний в експериментальному промисловому виробництві високовольтний газорозрядний комутатор-переривник струму на тліючому розряді магнетронного типу з надщільною вторинною електронною емісією катода для потужних імпульсних модуляторів з ємнісним та індуктивним накопичувачами енергії В конструкції приладу реалізовані результати досліджень нових способів поліпшення параметрів і характеристик газорозрядних комутаторів-переривників струму з магнітним керуванням. Створені та використовуються у виробництві покриттів та тонких плівок нові імпульсні системи з вторинними емітерами та іонно-плазмовою активацією, які забезпечують підвищення якості характеристик покриттів і плівок, а також стійкість процесів осадження до електричних пробоїв та дугоутворення на підкладках і мішенях, що розпилюються, за рахунок використання та оптимізації імпульсних режимів роботи. Отримані покриття з періодичною мульти-наношаровою та градієнтною мікроструктурою для оптики та машинобудування. Апробована дослідна технологія імпульсного реакційного термоіонного осадження і магнетронного розпилення для нанесення металевих покриттів з розвинутою мікроструктурою на анодну фольгу низьковольтних електролітичних конденсаторів з підвищеною питомою ємністю. Запропоновані та практично реалізовані нові схеми імпульсних модуляторів для систем термоіонного та магнетронного осадження тонких плівок та покриттів, які використовуються в технологічних процесах ряду промислових та науководослідних установ. Запропоновано застосовувати імпульсний режим з пакетноімпульсним подаванням імпульсів на іонізуючі пристрої та підкладки. Реалізовано спосіб підвищення ефективності іонізації металевої пари в системі термоіонного осадження тонких плівок шляхом переходу до пакетно-імпульсного режиму збудження індукційного розряду. Реалізовано і впроваджено новий метод імпульсної іонізації металевої пари із застосуванням коливального L-C контура з ударним збудженням, який спрощує конструкцію і настроювання технологічної установки. Розробка використовується в технології складальних операцій при виробництві інтегральних схем (ІС) для металізації кремнієвих пластин і гнучких поліімідних носіїв для безкорпусного складання ІС. Впровадження розробки забезпечило підвищення виходу придатних виробів. Створений оригінальний імпульсний модулятор для електричного живлення магнетронного розпилювача у складі установки Leybold Z 550M за технічним завданням Інституту фізики академії наук Чеської республіки (м. Прага); модулятор використовується для дослідження імпульсного розпилення і осадження тонких плівок, зокрема плівок з вуглецем, з підвищеною густиною розрядного струму. Результати дисертаційної роботи у вигляді наукових пропозицій, теоретичних розрахунків, конструкторських та технологічних розробок іонно-плазмових випарних і розпилювальних систем з вторинними емітерами використані в Дослідницькому центрі “Pratt & Whitney–Paton” (м. Київ) при виконанні НДР та ДКР, орієнтованих на розробку та освоєння імпульсної іонно-плазмової технології нанесення металевих і керамічних покриттів на лопатки газотурбінних двигунів. Розроблені технологічні процеси підвищили стабільність функціонування високопродуктивного технологічного обладнання у розширеному діапазоні операційних параметрів, а також якість покриттів. При цьому для подавання на підкладки негативної імпульсної напруги застосований новий тип імпульсного модулятора на базі електронного вакуумного комутатора в режимі часткового повернення електронів від головного анода та їх перехоплення сіткою з позитивним потенціалом, як другим анодом. На базі озонатора з безстримерним мульти-коронним розрядом атмосферного тиску з вторинно-емісійним катодом створено озонотерапевтичний апарат АК-4М розширеного спектра застосування. Медичне товариство України ознайомлене з апаратом АК-4М і результатами його застосування медичними співвиконавцями розробки. Отримано дані, які вказують на перспективність використання розрядів атмосферного тиску з вторинно-емісійним катодом в біомедичних апаратах, зокрема для озонотерапії і низькотемпературної стерилізації. Результати роботи впроваджені в навчальний процес кафедри електронних приладів та пристроїв КПІ ім. Ігоря Сікорського при читанні лекцій та в лабораторні практикуми курсів “Технологічні основи електроніки”, “Технологія виробництва електронної техніки”, “Плазмова та імпульсна електроніка”, “Електронно-фотонні методи в екології”, “Електронні системи.” На базі отриманих результатів сформульовані напрямки нових досліджень для аспірантів (PhD студентів) кафедри. За результатами досліджень опубліковано 193 наукові праці, при цьому нові конструкторські і технологічні пропозиції захищені патентами і патентними заявками України, США, Європи та інших країн. Отримані результати можуть бути використані для розвитку електронної та машинобудівної промисловості України. | uk |
| dc.format.page | 425 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Кузьмичєв А.І. Газорозрядні системи з вторинними емітерами для електронної апаратури : дис. ... д-ра техн. наук : 05.27.02 – вакуумна, плазмова та квантова електроніка / Кузьмичєв Анатолій Іванович. – Київ, 2018. – 425 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/23237 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | тліючий розряд | uk |
| dc.subject | дуговий розряд | uk |
| dc.subject | магнетронний розряд | uk |
| dc.subject | імпульсний розряд | uk |
| dc.subject | безстримерний коронний розряд | uk |
| dc.subject | газорозрядна система | uk |
| dc.subject | вторинний емітер | uk |
| dc.subject | плазмовий емітер | uk |
| dc.subject | імпульсний модулятор | uk |
| dc.subject | магнетронне розпилення | uk |
| dc.subject | термоіонне осадження | uk |
| dc.subject | озонотерапія | uk |
| dc.subject | бактерицидний ефект | uk |
| dc.subject | glow discharge | uk |
| dc.subject | arc discharge | uk |
| dc.subject | magnetron discharge | uk |
| dc.subject | pulse discharge | uk |
| dc.subject | streamerless corona discharge | uk |
| dc.subject | gas discharge system | uk |
| dc.subject | secondary emitter | uk |
| dc.subject | plasma emitter | uk |
| dc.subject | pulse modulator | uk |
| dc.subject | magnetron sputtering | uk |
| dc.subject | thermionic deposition | uk |
| dc.subject | ozone-therapy | uk |
| dc.subject | bactericidal effect | uk |
| dc.subject.udc | 537.523+537.525+537.533+537.534]:621.387](043.3) | uk |
| dc.title | Газорозрядні системи з вторинними емітерами для електронної апаратури | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Kuzmichev_diss.pdf
- Розмір:
- 24.69 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 7.74 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: