Введение к работе
Одним из основных элементов конструкции ЭВП является электрон-но-оппп'ї'ская система (ЭОС), которая зо многом определяет основные параметры прибора. Следует отмстить многообразие происходящих в ЭОС физических процессов, способных оказать решающее влияние на работоспособность узла. Помимо электронно-оптических, з го прелое всего теп-лофнзическне и термомехан;;ческ;:е процессы. Возможно таюхе нарушение электропрочности в виде токо; утечки и электрического пробоя.
В настоящее время совершенствование традиционных ЭВП (ЛБВ, клистронов и т. д.) в значительной мере идет по пути улучшения как мас-согабаритных характеристик, так и параметров группы надежности - таких, как наработка на отказ, коэффициент нг дскностп и т. д..
Препятствием для успешного продвижения в этом направлении являются проблемы теплофизпческого и термомеханнческого характера, а таюке возможность электрического пробоя. Такого же рода проблемы имеют место и при разработке качественно новых приборов (например, микрозакуумкых) и ЭВП с рекордными характеристиками (например, сверхмощных гиротронов). Поэтому исследование соответствующих физн-чо. ких явлений в ЭВП представляет большой интерес.
Извесп-:о, что экспериментальные исследования теплофпзическнх и термомехашгческігх явлений чрезвычайно трудоемки, а погреінпость такік нсследовашгіі довольно высока. К тому же не все параметры физических процессов поддаются экспериментальному исследованию (механические напряженім внутри тел, дифференциация токооседания за счет первичных и вторичных электронов и т, д.). Поэтому компьютерному моделировашво в данном случае трудно отыскать альтернативу.
Очевидно, для моделирования теплофшпчеекдх и термомеханических явлений большое значение имеет точность определения тепловых нагрузок. А' поскольку основным источником тепла в ЭВП является электронный'поток, точность решениЯдЗадачн электронной оптики имеет основополагающее значение.
Анализ состошшя проблемы показал., что указанные задачи решаются по отдельности, разными специалистами, разными программными средствами, что препятствует внедрению в практику проектирования разработанные методик. Отсутствие комплексного подхода не позволяет учи-
тывать имеющую место тесную взаимосвязь фігзических процессов, должным образом удовдстворить противоречивым требованиям обеспечения работоспособности с точки зрения электронной оптики, теплофизики, тер-момеханнхи и электропрочности. Причем ситуация обостряется в свете постоянного ужесточения требований к массогабаритным характеристикам приборов.
Поскольку электронно-оптические, теплофшические, термомеханические процессы, а также электрогтрочность являются взаимозависимыми, необходим комплексный анализ электронно-оптических систем (ЭОС). Соответствующие исследования должны быть сосредоточены в одних руках, а инструмент этих исследований, программный комплекс, должен быть построен на единой методологической основе и отвечать следующим требованиям:
-
Эффективности, то есть возможности решения задач с требуемой точностью при минимальных потребностях в ресурсах вычислительной техники.
-
Универсальности, то есть способности на единой методологической основе моделировать широкий крут физических явлении.
-
Высокой степени автоматизации, то есть сведения к минимуму как объема данных, необходимых для построения дискретной модели, так и операций, производимых пользователем.
Целью работы является комплексное исследование физических процессов в ЭОС, включая электрофизические, теплофизичеекке, термомеханические процессы.
-
Развитие методов моделирования физических процессов, происходящих в ЭОС.
-
Создание программного комплекса, позволяющего на единой методологической основе проводить исследование.широкого.круга физических явлений в ЭОС, а именно: электрофизических, теплофизических, тер-момеханических.процессов.
-
Исследование физических процессов в ЭОС.илдардботка на основе акаліпа их результатов рекомендаций по разработке.конструкций ЭОС ЭВП.
Разработан программный комплекс, позволяющий исследовать широкий круг физических явлений в ЭВП пользователям, не являющимся специалистами в области математического моделирования. Проведены исследования физических процессов в узлах конкретных ЭВП и выработаны рекомендации по совершенствованию их конструкции.
Результтгы работы использовались три разработке и модернизации приборов в ГНПП "Алмаз". НПО "Исток:\ НПО "Контакт" и в учебном процессе на филиале кафелры "Общей и прикладной фшики" СГУ при ИПТМУРАН.
Предложен и реализован в виде протаклі для двумерной области решения алгоритм генерации нерегулярной конечно-элементной сетки (КЭС) с непосредственным построением элемешов и основанный на нем метод прямого построении адаптивной кочечно-->лементной сетки. Предложен и реализован экономичный метод интерполяции функции, управляющей работой, генератора КЭС. Проведены исследования эффективности предложенного метода прямого построения адаптивной КЭС.
Разработана методика моделирования электронно-оптических процессов в электронной пушке, основанная на мегодс. прямого построения адаптивной КЭС. Рассмотрено влияние основных параметров дискретной модели на результаты расчета и выработаны рекомендации по их выбору.
Впервые проведено моделирование, термомеханических процессов в катодно-сеточном узле многолучевсл электронной пушки с учетом плас-ТИЧ'гости.
Предложена .методика моделирования многоскоростного электронного потока на входе в коллектор с равномерной по току дискретизацией спектра энергии продольного движения потока и числом^ точек аппроксимации спектра знері.іи продольного движения электронного потока, равным числу макрочастиц. Проведено исследование эффективности ііредло-женной методики.
. Рассмотрена возможность апостериорной оценки качества дискрет-чой модели электронного пучка иа основе анализа флуктуации итерационного решения само'.лгласованной электронно-оптической задачи.
Впервые проведено комплексное исследование физических явлений в
коллекторном узле, вклгэчая электронно-оптические, теплофшичесіаіе, термомеханическиспроцеесы, а также анализ на электропрочность.
Впервые проведено исследование влияния на работоспособность малогабаритного многоступенчатого коллектора с изолирующими вилками следующих основных конструктивне-технологических факторов: материалов электродов и оболочки, толщины электродов и оболочки, режима охлаждения оболочки, паличия'отверстии в диэлектрических втулках, геометрических параметров вакуумных зазоров изолятор-оболочка и изолятор-электрод, распределения тепловыделения по поверхности электрода, угла наклона конической части электрода.
Выработаны рекомендации по повытысняю теплорассенвающей способности и элсктропрочностп малогабаритного многоступенчатого коллектора с изолирующими втулками.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ-ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Материал диссертации изложен на 120 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 5 таблиц, библиографию из 140 .іаименовашш.
Результаты, работы апробированы на следующих международных, всесоюзных и всероссийских конференциях и семинарах:
-
международной школе-семинаре "Проблемы тепло- и массообмена" (Минск, 1990);
-
международном коллоквиуме " Vortra^sreihen der 35" (Ильыенау, 1990);
-
всесоюзном семинаре "Отраслевая наука - производству" (Москва, 1991);
-
международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-92" (Новосибирск, 1992);
-
международной' научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-94" (Саратов, 1994);
-
международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96" (Саратов, 1996);
7) международной научно-технической конференции "Теория и прак
тика комплексной оптимизации радиационного теплообмена и горения
при сжигании органических топлиз в энергетике и промышленности"
(Ташкент, Комп.ДИР, 1991;;
8) 21-ой международной научно-технической конференции
"Инфракрасные и миллиметровые волны" (Берлин, 19961;
9) международной конференции "Biomedical Optics Europe"
(Будапешт, 1993);
10) международном симпозиуме "Biomedical 6ptics'94" (Лос-Анжелес,
1994);
-
2-ой Всесоюзной конференции "Методы построения сеток" (Свердловск, 1990);
-
3-ой Всероссийской конференции "Методы построения сеток" (Челябинск-70, 1992); о
13) на международной конференции "Проблемы и перспективы пре
цизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 1997);
а также на научных семинарах ИПТМУ РАН и кафедры "Электроники, колебаний и во.ш" СГУ.
Материалы работы опубликованы в 30 статьях, материалах конференций и тезисах докладов.
