Введение к работе
Актуальность проблемы.
Интенсивное развитие пучковой электронно-ионной технологии требует создания разнообразных газонаполненных электронных систем низкого давления (источников заряженных частиц, генераторов плазмы, газоразрядных коммутирующих приборов). Эффективное решение этой проблемы может быть достигнуто путем использования численного моделирования, которое является результативным и перспективным методом исследования и разработок и орга-. нически дополняет физический эксперимент. При этом по сравнению с традиционными методами экономятся средства и сокращается время разработок.
В области численного моделирования газонаполненных систем низкого давления есть свои достижения. Однако многие вопросы, выдвигаемые практикой, не решены. В частности, существующие модели этих систем не в полной мере учитывают элементарные процессы и геометрические факторы. Особенно это относится к многоэлектродпым системам, которые представляют наибольший практический интерес, но недостаточно изучены из-за сложной картины физических явлений и трудностей математического описания.
В этих системах частицы имеют широкий спектр энергий и участвуют в' различных видах неупругих столкновений, а функции распределения частиц заранее неизвестны и неравновесны, поэтому при моделировании систем низкого давления необходимо учитывать в кинетическом приближении большое количество одновременно протекающих элементарных процессов с участием различных типов частиц и зависимости характеристик этих процессов от энергии. Велика роль явлений на поверхности электродов и стенках, и надо принимать во внимание не только вторичную эмиссию, но и обратное рассеивание высокоэнергетичных частиц.
Таким образом, актуальной является разработка многомерных кинетических моделей газонаполненных электронных систем низкого давления, которые бы учитывали достаточно полный набор элементарных процессов, позволяли уточнять картину физических явлений и являлись базой для инже-
нерного проектирования. Также важна разработка эффективных алгоритме! численного решения задач для таких моделей.
Цель работы.
-
Разработка многомерной модели газонаполненной системы низкогс давления, описывающей на кинетическом уровне динамику движения заря женных и нейтральных частиц в межэлектродном промежутке с учетом элек трического поля пространственного заряда частиц, столкновительных процес сов в газе и процессов на поверхности электродов.
-
Разработка и обоснование алгоритмов решения задач, имеющих прак тический интерес.
-
Программная реализация предложенных алгоритмов.
-
Расчет и исследование ряда конкретных систем, сравнение с экспери ментом. Выявление роли различных элементарных физических процессов геометрических факторов и выработка рекомендаций по моделированию.
Научная новизна.
-
На основе сведения кинетических уравнений для нескольких сортої частиц к эквивалентным интегральным уравнениям разработаны и обосновань алгоритмы расчета газонаполненных систем низкого давления для многомер ного случая.
-
Созданы схемы численного расчета в многомерном случае перезарядю ионов и объемной ионизации прямопролетными и отраженными от злектродої высокоэнергетичными частицами.
-
Для расчета динамики движения отраженных от электродов нейтраль ных частиц предложен метод, сочетающий аналитическое решение уравнещп движения и численный расчет функций распределения, а для отраженны: электронов — специальный прием сглаживания с целью снижения сеточной шума.
-
Применение разработанных моделей для расчета диодов с термо- і вторично-эмиссионным катодами и трехэлекгродного источника электронной пучка большого сечения на основе несамостоятельного тлеющего разряда і
заанодной плазмой позволяет получить хорошее совпадение расчетных характеристик с экспериментальными.
5. Эффективность трехэлектродного источника электронного пучка большого сечения определяется условиями формирования пучка ионов, эмит-тируемого заанодной плазмой, величиной ускоряющего напряжения и вторичной эмиссией катода. Выявлена важная роль высокоэнергетичных частиц, отраженных от электродов, в процессах ионизации газа и формировании фоновых токов в многомерных системах. Показано, что фоновый ток также обусловлен объемной ионизацией и вторичной эмиссией катода под действием нейтралов перезарядки и перераспределением тока на аноде из-за отражения' электронов.
Практическая и научная значимость работы.
Практическая и научная значимость работы заключается в разработке и обосновании эффективных алгоритмов расчета газонаполненных систем низкого давления с учетом широкого круга элементарных физических процессов в газе и на поверхности электродов, разработке программ, реализующих данные алгоритмы и позволяющих проводить исследования конкретньгвх систем в широком диапазоне физических параметров. Предложены аппроксимации для характеристик элементарных физических процессов в гелии низкого давления и на поверхности электродов. Проведены исследования газонаполненных систем низкого давления на примере диода с термокатодом, диода с вторично-эмиссионным катодом и трехэлектродного источника электронного пучка большого сечения на основе несамостоятельного тлеющего разряда с выводом пучка в атмосферу, которые позволили уточнить механизмы наблюдаемых явлений и выявить роль отдельных элементарных процессов. Определены области применимости упрощенных моделей. Выяспено влияние геометрических и физических факторов на эффективность трехэлектродного источника электронного пучка большого сечения и даны рекомендации по его конструированию и выбору режимов работы. Полученные результаты используются в НИИ ЭФА им. Д. В. Ефремова (г. С.-Петербург) при разработке электронного ускорителя.
Апробация работы.
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на конференциях: "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1990 г.), "Ионно-плазменные технологии получения пленок и покрытий" (Полтава, 1991 г.); III Харьковская вакуумная конференция (Харьков, 1993 г.), VII-IX конференции по физике газового разряда (Самара, 1994 г.; Рязань, 1996, 1998 гг.), XII Международная конференция по газовым разрядам и их применению (Грейфсвальд, Германия, 1997); на научно-технических семинарах: "Несамостоятельный разряд и его применение в лазерах и ускорителях" (С.-Петербург, НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, 1993г.), "Физика и техника интенсивных источников ионов и ионных пучков" (Киев, ин-т Физики АН Украины, 1993 и 1994 гг.), а также на научных семинарах кафедры автоматизации научных исследований факультета ВМиК МГУ (рук. чл.-корр. РАН Костомаров Д. П.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем диссертации.
