Фізико-топологічне моделювання приладів з ВЧ концентрацією електромагнітного поля
| dc.contributor.advisor | Цибульский, Леонід Юрійович | |
| dc.contributor.author | Майкут, Сергій Олексійович | |
| dc.date.accessioned | 2021-01-20T10:39:13Z | |
| dc.date.available | 2021-01-20T10:39:13Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.abstractuk | Актуальність роботи. Робота пристроїв вакуумно-плазмової і потужної електроніки базуються на використанні електромагнітного керуванням формою та напрямом електронного потоку. До них відносяться індукційні пристрої для випаровування матеріалів з подальшою іонізацією, газорозрядні та вакуумні комутатори тощо. Зазвичай магнітне поле у цих пристроях створюється за допомогою ВЧ індукторів, які потребують узгодження електричних параметрів з джерелом живлення, електромагнітних та конструкційних параметрів з іншими функціональними елементами приладів та пристроїв. Обмеження, яке накладається на робочі частоти ВЧ приладів, та протиріччя узгодження параметрів можна усунути використанням додаткового елементу – ВЧ концентратора електромагнітного поля. Використання ВЧ концентратора магнітного поля дозволяє: – узгодити імпеданси електричного джерела і індуктора і, як наслідок, зменшити витрати потужності на генерацію керуючих магнітних полів; – розширити діапазон керованості напруженістю електричного та магнітного полів; – підвищити ефективність керування формою та напрямом електронного потоку. Хоча ВЧ концентратори магнітного поля використовуються у ряді технологічних установок, наприклад, для закалювання деталей, сортуванні металів, тощо, однак тривають пошуки нових принципів їх застосування та оптимізації конструкції. Широке впровадження ВЧ концентраторів в якості елементу керування формою та напрямом електронного потоку в електронних приладах та пристроях стримується відсутністю розвинутих в достатній мірі методів комп’ютерного дослідження пов’язаних фізичних явищ, до яких відносяться електромагнітні, електротермічні, термо- та гідродинамічні та вакуумно-плазмові, електронно-променеві тощо. Спостерігається недостатній рівень освоєння математичного апарату та програмних алгоритмів для вивчення характеру і закономірностей протікання пов’язаних процесів в таких приладах та пристроях. Наявність таких методів могло б стати передумовою для проектування приладів з ВЧ концентрацією електромагнітного поля, прогнозування їх можливостей, виявило б шляхи отримання необхідних характеристик, розширило б науково-фізичні уявлення і рамки технічної та виробничої застосовності конкретних видів приладів. Для мультифізичного дослідження електронних приладів доцільно використовувати фізико-топологічні моделі, які на базі сучасних комп’ютерних технологій дозволяють найбільш повно встановити вплив конструктивних особливостей на пов’язані фізичні процеси, на експлуатаційні параметри та характеристики. Розв’язок задач може відбуватися для стаціонарного і нестаціонарного режимів. Фізико-топологічні моделі є складовою систем автоматизованого проектування і широко використовуються для дослідження електронних приладів та пристроїв. В галузі електроніки над розробкою фізико-топологічного моделювання працювали закордонні автори Д. Хьюз, Д. Мичтом, Д. Химмельблау, Є.В. Авдєєв, І.П. Норенков, П.А. Зіновєв, Ю.Р. Носов, Б. В. Баталов та українські автори В.П. Сігорський, А.І. Петренко, Р. П. Базилевич, А.І. Кузьмичєв, І.Н. Кучерява та інші. Розвиток методів розрахунку параметрів приладів з ВЧ концентрацією електромагнітного поля з урахуванням структурної ієрархії і особливостей протікання пов’язаних фізичних процесів на базі фізико-топологічних моделей та розробка математичних моделей для тривимірного дослідження таких пристроїв є важливою науковою задачею. Її актуальність підтверджується також потребами практичного використання та модернізації електронних технологічних пристроїв та потужних комутаційних приладів і реалізації їх раціональних режимів експлуатації. У даній роботі пропонується поглиблене рішення перерахованих вище задач. Розробка та поліпшення методів розрахунку електромагнітного поля і пов'язаних з ним фізичних процесів в елементах електронних технологічних пристроїв та потужних комутаційних приладів шляхом тривимірного моделювання з метою подальшого удосконалення та забезпечення надійної експлуатації їх, являє собою вирішення важливої науково-прикладної задачі, а тема дисертаційної роботи, яка вирішує таку проблему, є актуальною. Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» в рамках наступних наукових проектів, що відповідають напрямкам цільової програми наукових досліджень НАНУ «Перспективні дослідження з фізики плазми, керованого термоядерного синтезу та плазмових технологій» (п. 4. «Низькотемпературна плазма і технології на її основі»): – НДДКР «Фізико-топологічне математичне моделювання джерел заряджених та нейтральних частинок», державний реєстраційний номер: 0115U006750 (термін виконання 2015 - 2018 рр.); – НДДКР "Дослідження електродинамічних ефектів у пристроях вакуумної та плазмової електроніки технологічного призначення», державний реєстраційний номер: 0119U103973 (термін виконання 2019 – 2022 рр.). Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка удосконалених фізико-топологічних і математичних моделей для чисельного розрахунку тривимірних електромагнітних полів при дослідженні їх розповсюдження в елементах пристроїв з ВЧ концентрацією магнітного поля і аналіз пов'язаних з ними процесів різної фізичної природи. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні наукові та практичні задачі. 1. Аналіз особливостей фізико-топологічного моделювання та обґрунтування доцільності його розвитку і застосування для чисельного розрахунку тривимірного електромагнітного поля і пов'язаних з ним процесів різної фізичної природи в елементах пристроїв з ВЧ концентрацією магнітного поля зі складною внутрішньою ієрархічною структурою. 2. Розробка нової фізико-топологічної моделі та розвиток використання програмних засобів для тривимірного розрахунку пов’язаних фізичних процесів в індукційному випарнику з ВЧ концентратором електромагнітного поля при послідовному розгляді рівнів структурної ієрархії – індукторі, ВЧ концентраторі, тиглі, матеріалі завантаження для випаровування та іонізації при температурі випаровування, потоці електронів. 3. Встановлення зв'язку між конструктивними параметрами індукційного випарника з ВЧ концентратором електромагнітного поля зі структурою тривимірного температурного поля в тиглі з завантаженням при температурі випаровування різних матеріалів. 4. Встановлення зв'язку між електричними потенціалами на елементах індукційного випарника з концентратором електромагнітного поля з параметрами електронного потоку, який емітує з поверхні тигля з завантаженням при температурі випаровування. 5. Розробка нових фізико-топологічних моделей та розвиток використання програмних засобів для тривимірного розрахунку пов’язаних фізичних процесів в потужних комутаторах струму з ВЧ концентратором електромагнітного поля при послідовному розгляді рівнів структурної ієрархії – індукторі, ВЧ концентраторі, проміжку між електродами, емісії та потоці електронів. 6. Встановлення зв'язку між конструктивними параметрами вакуумного переривнику струму з ВЧ концентратором електромагнітного поля зі структурою тривимірного електричного та магнітного полів, та ефективністю керування електронним потоком. Об’єкт дослідження: прилади з ВЧ концентрацією магнітного поля для випаровування матеріалів та іонізації їх парового потоку, газорозрядні та вакуумні комутатори. Предмет дослідження: тривимірні фізико-топологічні моделі, конструктивні, технологічні та електрофізичні параметри пристроїв, траєкторії руху електронів. Методи дослідження: методи математичної фізики, фізико-топологічного моделювання і чисельного розрахунку для розробки та дослідження тривимірних фізико-топологічних моделей вакуумних приладів з ВЧ концентрацією магнітного поля – випарника, вимикача та перервника струму і визначення шляхів удосконалення їх конструкції. Наукова новизна результатів, отриманих автором, полягає у наступному: – Вперше розроблена тривимірна фізико-топологічна модель вакуумного випарника з ВЧ концентрацією магнітного поля для дослідження режимів випаровування металів та емісії електронів, яка дозволяє встановити вплив конструктивних параметрів на енергетичну ефективність приладу. – Вперше розроблена тривимірна фізико-топологічна модель вакуумного переривника струму з ВЧ концентрацією магнітного поля для дослідження траєкторій електронів в проміжку між електродами у перехресному електромагнітному полі з урахуванням вихрових індукованих струмів в електродах та крайових ефектів, яка дозволяє встановити вплив конструктивних параметрів приладу на направленість електронного потоку та величину критичної індукції магнітного поля для відсікання електронів від аноду. – Вперше розроблена тривимірна фізико-топологічна модель вакуумного вимикача струму з площинними електродами та ВЧ концентрацією магнітного поля для дослідження траєкторій електронів в проміжку між електродами у перехресному електромагнітному полі з урахуванням вихрових індукованих струмів в електродах та крайових ефектів, яка дозволяє встановити вплив конструктивних параметрів приладу на направленість електронного потоку та встановити величину критичної індукції магнітного поля для відсікання електронів від аноду. – Отримали подальший розвиток методи ієрархічного тривимірного фізико-топологічного моделювання приладів з ВЧ концентрацією магнітного поля шляхом чисельних розрахунків пов’язаних мультифізичних процесів в єдиному розрахунковому просторі; – На підставі розрахунків за допомогою тривимірних фізико-топологічних моделей вакуумних приладів з ВЧ концентрацією магнітного поля встановлено, що: 1. Використання ВЧ концентратора електромагнітного поля в якості аноду у вакуумному переривнику струму удосконаленої конструкції дозволяє здійснювати ефективне розмикання при 50 А імпульсу струму відсікання на керівному індукторі і 300 вольтах на колекторах. 2. При збільшенні кількості радіальних щілин у нижньому контакті вакуумного переривника струму з 1 до 8, струм відсікання зменшується на 57 % 3. При трансформаторному типі випарника в тиглі виділяється на 3% більше потужності, ніж при автотрансформаторному. При цьому і загальна потужність, яка виділяється у випарнику на 12,3% більше ніж у випарника з трансформаторним з'єднанням індуктора і концентратора. 4. Неоднорідність температури на поверхні завантаження слабо залежить від частоти струму живлення і становить 2 К при діаметрі тигля 32 мм. Якщо прийняти умову ізотермічної поверхні випаровування, то абсолютна похибка розрахунків емісійних характеристик випарника, для всіх розглянутих варіантів конструкції, буде на рівні 0,0013÷0,002. 5. Встановлено, що на відстані 40÷50 мм над тиглем випарника електрони набувають енергію достатню для іонізації атомів міді. 6. Вперше встановлено, що у випарнику з ВЧ концентрацією магнітного поля, не залежно від діаметру тигля і його положення в концентраторі, температура на поверхні випаровування може вважатися однаковою з похибкою не більше 0,5 %. 7. При автотрансформаторній конструкції випарника з концентрацією електромагнітної енергії розрахована напруга на індукторі, яка при частоті 440 кГц забезпечує робочу температуру випаровування 1545 К (для міді) становить 273 В. Обґрунтованість і достовірність наукових результатів забезпечується коректним застосуванням математичного апарату, алгоритмів фізико-топологічного моделювання пов’язаних фізичних процесів та алгоритмів чисельних розрахунків, а також верифікацією результатів чисельних розрахунків по аналітичним тестовим розрахункам. Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: розроблені та удосконалені тривимірні фізико-топологічні моделі пов’язаних фізичних процесів у вакуумному випарнику, вакуумному вимикачі та перервнику струму з ВЧ концентрацією магнітного поля для вирішення задач ефективного керування електронними потоками. Розроблені фізико-топологічні моделі дозволяють проводити розрахунок пов’язаних фізичних процесів в єдиному розрахунковому середовищі: протікання струму по індуктору з урахуванням скін-ефекту, розподіл електромагнітного поля в межах приладу, індукцію струмів в елементах випарника, нагрівання тигля з завантаженням та трасування руху електронів. Розрахунок дозволяє встановити вплив конструктивних та експлуатаційних параметрів на електродинамічні, термодинамічні, емісійні та електронно-променеві характеристики приладів. Особистий внесок здобувача. Всі результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. Серед 4 публікації у фахових виданнях 1 стаття написана здобувачем одноосібно [5]. В публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать такі результати. В роботі [2] здобувачем проведено огляд застосування пристроїв індукційного нагріву в технології мікро- і нанодисперсних матеріалів. В роботі [3] здобувачем розроблено фізико-топологічну модель плоского діода з плоским індуктором для, дослідження ефекту відсічення електронів у плоскому діоді магнітним полем зовнішнього плоского індуктора на прикладі вакуумних вимикачів з плоскими контактами. У роботі [4] здобувач виконав моделювання та дослідження ефекту магнітної відсічення катодних електронів від анода в заключний період переривання струму - на стадії деіонізації плазми і конденсації металевого пара, коли катод ще здатний випускати електрони за рахунок залишкової термоелектронної емісії і вторинної емісії через бомбардування катода залишковими іонами. Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 робіт, з яких 4 – це статті у журналах і збірниках наукових праць, що входять до переліку фахових видань затверджених МОН України за спеціальністю дисертації або у періодичних виданнях іноземних держав (2 включені до міжнародної наукометричної бази SCOPUS), та 1 – публікації у матеріалах конференцій (у тому числі, міжнародних). Також мається один патент на корисну модель. Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із анотації, вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота містить 175 сторінок, у тому числі: 136 сторінок основного тексту, 70 рисунків, 18 таблиць, список використаних джерел із 158 найменувань на 15 сторінках. | uk |
| dc.format.pagerange | 175 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Майкут, С. О. Фізико-топологічне моделювання приладів з ВЧ концентрацією електромагнітного поля : дис. … д-ра філософії : 171 – електроніка / Майкут Сергій Олексійович. – Київ, 2020. – 175 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/38820 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | фізико-топологічна модель | uk |
| dc.subject | моделювання високочастотного нагріву | uk |
| dc.subject | індукційний випарник | uk |
| dc.subject | чисельні методи | uk |
| dc.subject | відсічення електронів в магнітному полі | uk |
| dc.subject | схрещені електромагнітні поля | uk |
| dc.subject | вакуумний вимикач | uk |
| dc.subject | перервник струму | uk |
| dc.subject | physical and topological model | uk |
| dc.subject | simulation of high-frequency heating | uk |
| dc.subject | induction evaporator | uk |
| dc.subject | numerical methods | uk |
| dc.subject | electron cut-off in a magnetic field | uk |
| dc.subject | crossed electromagnetic fields | uk |
| dc.subject | vacuum switch | uk |
| dc.subject | current circuit breaker | uk |
| dc.subject.udc | 621.389; 621.3.01; 621.385 | uk |
| dc.title | Фізико-топологічне моделювання приладів з ВЧ концентрацією електромагнітного поля | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Maikut_dys.pdf
- Розмір:
- 6.07 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.16 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: