Моделирование процессов формирования электронных пучков в аксиально-симметричных системах элетронно-лучевых приборов

Abstract

Дисертаційна робота присвячена встановленню загальних закономірностей динаміки формування ЕП у статичних аксіально-симетричних полях ЕОС електровакуумних приладів НВЧ типу ЛЗХ, ЛБХ, ГДВ тощо, а також формуванню практичних рекомендацій щодо використання оптимальних режимів роботи зазначених пристроїв. У літературному огляді визначені найбільш актуальні задачі дослідження принципів побудови ЕОС для формування та фокусування ЕП в електровакуумних приладах. Для проведення чисельного моделювання реальної ЕОС із подальшим траєкторним аналізом попередньо були визначені геометричні характеристики, режими роботи, побудовані ВАХ системи. Розвинена методика експериментального дослідження структури ЕП за перехідним випромінюванням в оптичному діапазоні. Запропонована загальна методика моделювання режимів роботи триелектродної аксіально-симетричної електронної гармати на базі методу кінцевих інтегралів. Розрахована модуляційна характеристика електронної гармати, проведене дослідження коефіцієнта проходження, емітанса та положення кросовера пучка відносно катода, що дозволяє визначити оптимальність фокусування електронів. Запропонована методика була адаптована для дослідження мікроструктури пучків діодної гармати ЕОС ГДВ та під час проектування аксіально- симетричної гармати, що може бути використана як джерело електронів у мікрорентгенівській апаратурі. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/34289

Диссертация посвящена установлению общих закономерностей динамики формирования ЭП в статических аксиально-симметричных полях ЭОС электровакуумных приборов СВЧ типа ЛОВ, ЛБВ, ГДИ и др., а также выработке практических рекомендаций по использованию оптимальных режимов работы таких устройств. На основании литературного обзора определены наиболее актуальные в настоящее время задачи исследования принципов построения ЭОС различных конфигураций для формирования и фокусировки ЭП в электровакуумных приборах, обозначены основные объекты теоретических и экспериментальных исследований, а также задачи, решаемые в диссертационной работе. Для проведения численного моделирования конкретной геометрии ЭОС с последующим траекторным анализом на начальном этапе исследования были определены исходные параметры системы: геометрические характеристики и режимы работы, позволяющие получать параксиальные осесимметричные потоки с кроссовером в области выхода электронной пушки. Развита методика экспериментального исследования структуры ЭП по переходному излучению оптического диапазона, возникающего при падении пучка на металлическую мишень; проведено экспериментальное моделирование режимов работы трехэлектродной ЭОС, позволяющее использовать полученные данные при проведении численного анализа и оптимизации объемов машинного счета. Предложен численный алгоритм распознавания плотности энергии переходного излучения на металлических мишенях, который позволяет усовершенствовать методику экспериментального анализа структуры ЭП. Предложена общая методика моделирования режимов работы трехэлектродной аксиально-симметричной электронной пушки путем определения структуры статических электрических полей. Проведена серия численных экспериментов на базе метода FIT, что позволяет оптимизировать значения потенциалов электродов ЭОС, необходимые для получения потоков электронов оптимальной геометрии. Рассчитана модуляционная характеристика электронной пушки, позволяющая усовершенствовать методику траекторного анализа в области отрицательных значений потенциала фокусирующего электрода Uf ≤ 0 В. Траекторный анализ исследуемой ЭОС позволил провести исследование относительного коэффициента токопрохождения потока электронов в пролетном канале с последующим определением конкретных оптимальных значений фокусирующего электрода. Проведен анализ положения кроссовера относительно эмиссионной поверхности катода и эмиттанса ЭП в зависимости от выбранного режима работы, которые позволяют определить оптимальность фокусировки электронов. В качестве апробации методики анализа систем формирования и фокусировки ЭП исследованы реальные ЭОС различных геометрических конфигураций, в частности двухэлектродная диодная пушка, используемая в приборах типа ГДИ, ЛОВ, а также аксиально-симметричная электронная пушка, которая предназначена для источников электронов в микрорентгеновской аппаратуре. Выработана методика определения геометрических параметров фокусирующего электрода упрощенной модели пушки Пирса, а также ее адаптация к практической схеме микрорентгеновского источника ЭОС стенда. Исходя из существующих требований к конструкции канала дрейфа методом геометрической оптики, а также на основании результатов анализа распределения заряда в поперечном сечении ЭП определены поперечные размеры пучка на входе магнитной линзы. При этом обеспечивается оптимальное прохождение (полного) тока с катода до входа в электромагнитную фокусирующую линзу стенда. Максимальный размер пучка при этом составляет от (0.802 ± 0.122) мм до (3.914 ± 0.381) мм, а в кроссовере от (0.2 ± 0.015) мм до (0.25 ± 0.017) мм, что соответствует заданным исходным требованиям. Результаты численного исследования указывают на возможность применения предложенных методик в разработке практических схем систем формирования и фокусировки пучков различных энергетических спектров с максимально приемлемыми выходными параметрами. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/34289

The thesis is devoted to the establishment of general regularities in dynamics of the electron beam (EB) forming in static axially-symmetric fields of electron-optical systems (EOS) of super-high frequency electronic devices such as backward-wave tube, traveling-wave tube, diffraction radiation generator (DRG), etc., and to give practical recommendations of using the optimal working regimes in the abovementioned devices. In the literary review the most topical research problems of design concepts of various EOS, which are used to form and focus EB in electronic devices, were defined. To simulate a real EOS with subsequent trajectory analysis the geometry, working regimes and volt-ampere characteristics were defined previously. The methodology of experimental research of the EB structure on the transition radiation of the optical range was developed. The general technique of modeling of working regimes of three-electrode axially-symmetric electron gun on the basis of the final integration technique was proposed. The modulation characteristic of the electron gun was calculated; the investigation of the EB current transmission coefficient, position of the beam crossover and emittance values, which help to analyze the focusing quality of the electrons, was carried out. The proposed methodology was adapted to the research of the beam microstructure of the EOS DRG diode gun and was used in designing of the axially-symmetric gun, which can be used as the source of electrons in X-ray equipment, as well. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/34289