Параметри стрічкового електронного пучка, сформованого гарматами ВТР: дослідження фокальних параметрів

Автор(и)

  • Ігор Віталійович Мельник Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» , Україна image/svg+xml https://orcid.org/0000-0003-0220-0615
  • Сергій Борисович Тугай Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» , Україна image/svg+xml https://orcid.org/0000-0001-7646-1979
  • Олександр Миколайович Коваленко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» , Україна image/svg+xml
  • Михайло Юрійович Скрипка Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» , Україна image/svg+xml https://orcid.org/0009-0006-7142-5569

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347024040010

Ключові слова:

високовольтний тліючій розряд, анодна плазма, метод послідовної верхньої релаксації, метод трубок струму, метод Рунге–Кутта четвертого порядку, арифметико-логічне співвідношення, рекурентна матриця

Анотація

У другій частині статті, з використанням відомих аналітичних виразів щодо визначення положення плазмової межі відносно поверхні катоду, розраховано розподіл електричного поля, траєкторії електронного пучка та його фокальні параметри. Для визначення розподілу електричного поля в електродній системі використано метод послідовної верхньої релаксації, для розрахунку просторового заряду — методу трубок струму, для розрахунку траєкторій електронів в області вільного дрейфу в анодній плазмі — метод Рунге–Кутта четвертого порядку, а для оцінки товщини електронного пучка в фокусі — числові методи екстремального аналізу. Для спрощення реалізації в програмному коді ітераційні співвідношення для розрахунку розподілу електричного поля та траєкторій електронного пучка записані у вигляді арифметико-логічних співвідношень та рекурентних матриць. Відносна різниця між розрахунковими та експериментальними даними для отриманих значень товщини електронного пучка в фокусі не перевищує 15–20%. Отримані результати теоретичних та експериментальних досліджень є важливими для проведення подальших інженерних розробок електронно-променевого технологічного обладнання, призначеного для промислового застосування.

Посилання

  1. І. В. Мельник, С. Б. Тугай, О. М. Коваленко, М. Ю. Скрипка, “Параметри стрічкового електронного пучка, сформованого гарматами ВТР: дослідження положення плазмової межі,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 67, no. 6, pp. 347–359, 2024, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347024020031.
  2. S. V. Denbnovetsky, I. V. Melnyk, V. G. Melnyk, B. A. Tugai, S. B. Tuhai, “High voltage glow discharge electron guns and its advanced application examples in electronic industry,” in 2016 International Conference Radio Electronics & Info Communications (UkrMiCo), 2016, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/UkrMiCo.2016.7739615.
  3. И. В. Мельник, “Численное моделирование распределения электрического поля и траекторий частиц в источниках электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 48, no. 6, pp. 61–71, 2005, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347005060087.
  4. S. V. Denbnovetsky, V. I. Melnyk, I. V. Melnyk, “High voltage glow discharge electron sources and possibilities of its technological application,” in 20th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 2002, pp. 111–114, doi: https://doi.org/10.1109/ISDEIV.2002.1027321.
  5. I. V. Melnyk, “Simulation of geometry of high voltage glow discharge electrodes’ systems, formed profile electron beams,” in Proc. SPIE 6278, Seventh Seminar on Problems of Theoretical and Applied Electron and Ion Optics, 2006, pp. 627809-627809–13, doi: https://doi.org/10.1117/12.693202.
  6. И. В. Мельник, А. В. Починок, “Моделирование источников электронов высоковольтного тлеющего разряда, формирующих профильные электронные пучки,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 62, no. 6, pp. 311–323, 2019, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347019060013.
  7. J. Chang, S. Li, Z. Lin, F. Bai, G. Li, Z. Bai, “Characterization of magnetic focusing of electron gun based on structural parameters of magnetic lens,” Chinese J. Vac. Sci. Technol., vol. 44, no. 5, pp. 463–469, 2024, doi: https://doi.org/10.13922/j.cnki.cjvst.202401009.
  8. L. Gu, J. Yang, H. Zhao, W. Tan, J. Li, “Simulation analysis of factors affecting penning discharge in high current pulsed electron beam,” Chinese J. Vac. Sci. Technol., vol. 44, no. 2, pp. 184–190, 2024, doi: https://doi.org/10.13922/j.cnki.cjvst.202306003.
  9. Y. Qiu, S. Li, X. Zheng, S. Fu, F. Bai, “Electrostatic focusing characteristic of electron gun with multi-parameter coupling,” Chinese J. Vac. Sci. Technol., vol. 41, no. 11, pp. 1094–1100, 2021, doi: https://doi.org/10.13922/j.cnki.cjvst.202101027.
  10. S. Schiller, U. Heisig, S. Panzer, Electron Beam Technology. New-York: John Wiley & Sons, 1982.
  11. M. Szilagyi, Electron and Ion Optics. Heidelberg: Springer, 2011.
  12. R. W. Hockney, J. W. Eastwood, Computer Simulation Using Particles. Boca Raton: CRC Press, 2021, doi: https://doi.org/10.1201/9780367806934.
  13. C. K. Birdsall, A. B. Langdon, Plasma Physics via Computer Simulation. Boca Raton: CRC Press, 2018, doi: https://doi.org/10.1201/9781315275048.
  14. B. R. Martin, G. Shaw, Particle Physics. Wiley, 2017, uri: https://www.wiley.com/en-us/Particle+Physics%2C+4th+Edition-p-9781118911907.
  15. E. M. Purcell, D. J. Morin, Electricity and Magnetism. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.
  16. R. Wald, Advanced Classical Electromagnetism. Princeton: Princeton University Press, 2022, uri: https://press.princeton.edu/books/ebook/9780691230252/advanced-classical-electromagnetism.
  17. D. J. Griffiths, Introduction to Electrodynamics. Addison-Wesley: Pearson, 2012.
  18. I. Melnyk, S. Tuhai, M. Surzhykov, I. Shved, “Discrete vehicle automation algorithm based on the theory of finite state machine,” in Emerging Networking in the Digital Transformation Age. TCSET 2022. Lecture Notes in Electrical Engineering, Cham: Springer, 2023, pp. 231–245.
  19. I. Melnyk, A. Luntovskyy, “Networked simulation with compact visualization of complex graphics and interpolation results,” in Emerging Networking in the Digital Transformation Age. TCSET 2022. Lecture Notes in Electrical Engineering, Vol 965, Cham: Springer, 2023, pp. 175–196.
  20. I. Melnyk, A. Luntovskyy, “Estimation of energy efficiency and quality of service in cloud realizations of parallel computing algorithms for IBN,” in Future Intent-Based Networking. Lecture Notes in Electrical Engineering, Vol 831, Cham: Springer, 2022, pp. 339–379.
  21. J. R. Taylor, Classical Mechanics. University Science Books, 2005.
  22. D. Morin, Introduction to Classical Mechanics: With Problems and Solutions. Cambridge: Cambridge University Press, 2008.
  23. S. J. R. Humphries, Charged Particle Beams. Mineola: Courier Corporation, 2013.
  24. R. C. Davidson, Q. Hong, Physics of Intense Charged Particle Beams in High Energy Accelerators. Singapore: World Scientific, 2001.
  25. G. Brewer, Electron-Beam Technology in Microelectronic Fabrication. Elsevier, 2012.
  26. T. E. Stringer, “The physics of charged-particle beams,” Phys. Bull., vol. 29, no. 10, pp. 479–480, 1978, doi: https://doi.org/10.1088/0031-9112/29/10/037.
  27. P. W. Hawkes, E. Kasper, Principles of Electron Optics, Volume 2. Cambridge: Academic Press, 2017, uri: https://shop.elsevier.com/books/principles-of-electron-optics-volume-2/hawkes/978-0-12-813369-9.
  28. K. D. Mathews, J. H. Fink, Numerical Methods Using MATLAB. New Jersey: Prentice Hall, 1998, uri: https://www.amazon.com/Numerical-Methods-Using-MATLAB-3rd/dp/0132700425/.
  29. J. F. Epperson, An Introduction to Numerical Methods and Analysis. Wiley-Interscience, 2007.
  30. S. Chapra, R. Canale, Numerical Methods for Engineers. McGraw Hill, 2021, uri: https://www.mheducation.com/highered/product/Numerical-Methods-for-Engineers-Chapra.html.
  31. R. L. Burden, J. D. Faires, A. M. Burgen, Numerical Analysis. Boston: Cengage Learning, 2015, uri: https://faculty.ksu.edu.sa/sites/default/files/numerical_analysis_9th.pdf.
  32. T. Sauer, Numerical Analysis. Pearson, 2017.
  33. R. W. Hamming, Numerical Methods for Scientists and Engineers. Dover Publications, 1987, uri: https://store.doverpublications.com/products/9780486652412?srsltid=AfmBOoqMAw13_g6hoq1VYfk3gAN4pXnaVZ646jgT172K6f7EeutfnITO.
  34. B. M. Smirnov, Theory of Gas Discharge Plasma, vol. 84. Cham: Springer International Publishing, 2015, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-11065-3.
  35. Y. P. Raizer, Gas Discharge Physics. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1991, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-61247-3.
  36. M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, 2nd Edition. Wiley, 2005, uri: https://www.wiley.com/en-us/Principles+of+Plasma+Discharges+and+Materials+Processing%2C+2nd+Edition-p-9780471724254.
  37. I. Melnyk, S. Tugay, V. Kyryk, I. Shved, “Methods and algorithm for calculating the focal parameters of a hollow conical electron beam in high-voltage glow discharge electron guns with a focusing magnetic lens,” Syst. Res. Inf. Technol., vol. 0, no. 3, pp. 17–32, 2021, doi: https://doi.org/10.20535/SRIT.2308-8893.2021.3.02.
  38. I. V. Melnyk, A. V. Pochynok, “Algorithm of calculation of focal parameters of profile electron beams, formed by the gas-discharge electron guns,” Syst. Res. Inf. Technol., vol. 0, no. 2, pp. 7–17, 2019, doi: https://doi.org/10.20535/SRIT.2308-8893.2019.2.01.
  39. I. Melnyk, S. Tuhai, M. Surzhykov, I. Shved, V. Melnyk, D. Kovalchuk, “Different approaches for analytic and numerical estimation of operation temperature of cooled cathode surface in high voltage glow discharge electron guns,” in Progress in Advanced Information and Communication Technology and Systems. MCiT 2021. Lecture Notes in Networks and Systems, Cham: Springer, 2023, pp. 575–595.
  40. І. В. Мельник, С. Б. Тугай, І. С. Швед, М. Ю. Скрипка, “Розрахунок геометричних розмірів поверхні холодного катоду в джерелах електронів високовольтного тліючого розряду,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 66, no. 1, pp. 39–49, 2023, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347023010028.
Розподіл електричного поля в електродній системі ВТР без анодної діафрагми

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-12-26

Як цитувати

Мельник, І. В., Тугай, С. Б., Коваленко, О. М., & Скрипка, М. Ю. (2024). Параметри стрічкового електронного пучка, сформованого гарматами ВТР: дослідження фокальних параметрів. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 67(12), 733–745. https://doi.org/10.20535/S0021347024040010

Номер

Том 67 № 12 (2024)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.