Збільшення електричної міцності ускоряющего проміжку електронного джерела при наявності пучка

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УНІВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ
І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (ТУСУР)
Кафедра фізики
Збільшення електричної міцності ускоряющего проміжку електронного джерела при наявності пучка
Пояснювальна записка до курсового проекту з дисципліни
"Загальна фізика"
Студент
________

Керівник проекту
доц. каф. фізики

_______
АНОТАЦІЯ
У даному курсовому проекті наводиться математична модель, що описує зміна параметрів ускоряющего проміжку плазмового джерела електронів у присутності електронного пучка. Розрахунки, проведені з використанням даної моделі, показали, що модель дає гарну згоду з експериментальними даними. Поставлена ​​задача вирішувалася за допомогою ЕОМ, з використанням програми MathCAD

ЗМІСТ
1. Вступ 4
2. Опис експерименту та експериментальної установки 6
3. Ефект зростання електричної міцності ускоряющего
проміжку у присутності електронного пучка 8
4. Постановка завдання 11
5. Математична модель 12
6. Розрахунок і обробка результатів 17
7. Висновки 21
Список літератури 22
Додаток 1. Програма MathCAD 23

1. ВСТУП
В даний час в різних технологічних процесах, таких як модифікація поверхневих властивостей конструкційних матеріалів, отримання захисних покриттів, запалювання пучково-плазмового розряду для плазмохімічного технології використовується електронні пучки в форвакуумних діапазоні тисків 10-100 мТорр. Для отримання електронного пучка з необхідними параметрами необхідний надійний та ефективний джерело електронів, який міг би генерувати електронний пучок при тисках до 100 мТорр. Ця проблема може бути вирішена за допомогою плазмових електронних джерел, заснованих на використанні газового розряду з "холодними" електродами. Основна перевага систем з плазмовим емітером в порівнянні з термокатодом - можливість отримувати електронні пучки з необхідними параметрами при порівняно високих (форвакуумних діапазон) тисках робочого газу.
Використання гармат з термокатодом при високих тисках вимагає громіздких і дорогих систем диференціальної відкачки для поділу областей генерації та транспортування електронного пучка. Джерелом електронів у гарматі з плазмовим катодом є плазма газового розряду. Запалити газовий розряд при тиску газу близько 100 мТорр не становить технічної проблеми. У той же час серйозні складності виникають на стадії вилучення електронів з плазми та прискорення їх до необхідних енергій. Основна складність полягає в тому, що додаток напруги між пришвидшує електродом (екстрактором) і емісійним електродом - електродом, в якому зроблені емісійні отвори (анодом), веде до запалювання розряду між двома цими електродами; а це, у свою чергу, веде до зриву процесу генерації пучка. Можливий спосіб уникнути появи цього "паразитного" розряду - виключити "довгі шляху" між емісійним електродом і екстрактором, тобто плоска геометрія ускоряющего проміжку використовується з мінімальним відстанню емісійний електрод - екстрактор. Електрична міцність ускоряющего проміжку в цьому випадку зросте відповідно до закону Пашена. У той же час, в літературі відсутні відомості про систематичні дослідженнях, присвячених досягненню граничної електричної міцності проміжку емісійний електрод - колектор плазмової електронної гармати. Також, відсутня інформації про електронні гарматах з плазмовим катодом, які могли б генерувати постійний електронний пучок з струмами близько 1А і енергією порядку декількох кеВ на рівні тисків робочого газу близько 100 мТорр.

2. ОПИС ЕКСПЕРИМЕНТУ І
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ
При виборі конструкції електронної гармати були враховані вимоги простоти і надійності, а також, стабільної роботи джерела електронів при забезпеченні необхідних значень струму і енергії електронного пучка, в форвакуумних діапазоні тисків робочого газу. Аналіз існуючих типів плазмових електронних джерел показав, що найбільш підходящий тип розряду - це розряд з порожнистим катодом, який найбільш підходить для необхідного діапазону тисків газу.

На даний момент розроблено три версії електронної гармати, кожна з яких є поліпшеним типом попередньої. Основні частини електронної гармати наступні: порожнистий катод - 1; плоский анод - 2 з емісійним отвором - 3 діаметром 16 мм, перекритим сіткою; екстрактор - 4. Анод і катод порожнистий, довжиною 100 і діаметром 50 мм, виготовлені з міді. Екстрактор зроблений з нержавіючої сталі.
Малюнок 2.1. Конструкція макета джерела електронів на основі порожнього катода і плоского анода.

Перші версії електронної гармати мали повітряне охолодження. Далі, через серйозне збільшення розряду і струму пучка було використано водяне охолодження. Електричне живлення гармати забезпечується двома джерелами: блоком живлення розряду - 2А, 1 кВ - і 1А, 10 кВ - для живлення ускоряющего проміжку. Діагностують пристрою розташовані в необхідних точках електричної схеми для вимірювання струму I d і напруги U d розряду, прискорює напруги U e, струму навантаження високовольтного джерела - струму емісії I e, струму ізольованого колектора електронів - струму електронного пучка I b. Так як тиск газу в анод-катодному проміжку, а також в області прискорення і транспортування електронного пучка однаково, газ заповнює весь об'єм робочої камери рівномірно.

3. ЕФЕКТ ЗРОСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ МІЦНОСТІ ПРИСКОРЮЄ проміжки в ПРИСУТНОСТІ ЕЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
Основна ідея використовувана при створенні даного форвакуумного плазмового джерела електронів полягає в комбінації порожнистого катода і плоского ускоряющего проміжку для генерації електронного пучка в форвакуумних діапазоні тисків. При розробці даної плазмової електронної гармати необхідно одночасно задовольнити двом суперечливим вимогам. З одного боку, досить висока щільність струму може бути досягнута лише у тому випадку, якщо реалізовані умови для ефективної генерації плазми, тому що отримана концентрація плазми визначає щільність струму емісії. З іншого боку, електрони можуть бути прискорені тільки при наявності досить високої електричної міцності ускоряющего проміжку, що має на увазі відносно слабкі іонізаційні процеси.
Добре відомий факт, що поява заряджених частинок між двома електродами приводить до зниження електричної міцності проміжку з подальшому пробоєм. При дослідженні процесів у ускоряющем проміжку, які супроводжують роботу гармати, було відмічено, що електрична міцність проміжку анод-екстрактор виявляється вище в присутності електронного пучка, ніж у відсутності пучка. Цей факт знаходиться в суперечності з теорією високовольтного пробою. Щоб проілюструвати цей цікавий феномен була досліджена залежність максимального витягає напруги від тиску робочого газу у присутності електронного пучка в проміжку анод-екстрактор і у відсутності пучка. Результати наведені на рис. 3.1.

\ S


Малюнок 3.1. Графік Установлено залежність максимального витягає напруги - напруги пробою ускоряющего проміжку (U пр) від тиску робочого газу (P) у трьох випадках: при відсутності електронного пучка, при струмі пучка 0.5А і при струмі пучка 1А.
Очікувалося, що присутність електронного пучка в ускоряющем проміжку мало знизити поріг запалювання розряду між анодом і екстрактором. Проте, тут ми отримали протилежний результат. Ефект збільшення електричної міцності ускоряющего проміжку у присутності електронного пучка пов'язаний, по всій видимості, з локальним нагрівом газу електронним пучком у ускоряющем проміжку. Локальний нагрів газу веде до зниження його концентрації при постійному тиску. Оскільки робочі параметри ускоряющего проміжку в експерименті відповідають значенням відповідних параметрів лівої гілки кривої Пашена, то зниження концентрації газу та зменшення відстані між електродами повинні привести до збільшення електричної міцності ускоряющего проміжку. Для опису експериментально виявленого ефекту збільшення електричної міцності ускоряющего проміжку пропонується наступна математична модель процесів, що призводять до нагрівання газу електронним пучком у ускоряющем проміжку плазмового джерела електронів.

4. ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ

- Дослідити механізм збільшення електричної міцності ускоряющего проміжку плазмового джерела електронів за допомогою запропонованої математичної моделі.
- Порівняти результати, отримані за допомогою цієї моделі, з експериментальними і зробити висновок.

5. МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ
Будемо вважати область в ускоряющем проміжку, де проходить електронний пучок, циліндром з радіусом R. Припустимо, що N - число електронів, що проходять через перетин пучка за одиницю часу.

n o - концентрація газу за
межами циліндра;
n b - концентрація газу в
циліндрі;
R - радіус емісійного
отвори в аноді;
d - довжина проміжку
Малюнок 5.1. Прискорювальник проміжок
Тоді в шарі dx на відстані x від кордону плазми народжується в одиницю часу іонів,
де N - потік електронів
, Де le - довжина вільного пробігу електрона в циліндрі
Потенційна енергія цих іонів, що утворюються в ускоряющем проміжку, в результаті іонізації газу електронним пучком:
,
де q - елементарний заряд
j (x) - потенціал вздовж осі x
Припустимо, що електрони взаємодіють з частинками газу за допомогою непружних зіткнень. У свою чергу, іони, прискорені в проміжку, віддають свою енергію нейтральний в пружних зіткненнях.
Ця енергія залежить від параметра p (прицільний параметр). Інтегрування по всіх можливих p дає, що
Wp = <m> W
Знайдемо <m>.
Нехай рівномірний потік частинок j,   налітає на частку радіусом d. В кільце радіусом від r до r + dr потрапляє частинок

N = 2 pj dr
У разі нецентрірованного удару часток однакової маси вони обмінюються нормальними складовими швидкостей.
V n = V cos a; p = d sin a = r

Таким чином параметру r відповідають
;
Тоді спочиваюча частка придбає
швидкість і відповідну
кінетичну енергію .
Таким чином, ; <m> =?
Усереднює лише по тих частинкам, які зазнали зіткнення. Таких часток jpd 2.

Покладемо, що переріз взаємодії іона з нейтралом не залежить від енергії іона. Тоді іони, що проходять в ускоряющем проміжку шлях x, здійснюють пружних зіткнень, віддаючи нейтралами енергію
,
де - Функція, що враховує зміну енергії
іона при зіткненні з нейтралами під час руху до
кордоні плазми;
li - довжина вільного пробігу іона газу в циліндрі.
Тоді всі іони, що народжуються в одиницю часу в ускоряющем проміжку, віддають нейтралами енергію:

Будемо вважати електроди плоскими, в цьому випадку розподіл потенціалу вздовж осі x лінійно:
, Де Ue - напруга на ускоряющем проміжку
Потік електронів , Де Ib - струм електронного пучка;
q - елементарний заряд
З урахуванням вищесказаного отримаємо:
(5.1)
Щоб знайти концентрацію нейтралів і їх температуру в межах циліндра радіуса R - n b, T b - необхідно записати рівняння балансу часток і енергій.
Потік часток із циліндра Ф out:
(5.2)
Потік частинок в циліндр Ф in:
(5.3)
де S з = 2pR 2 + 2pRd - площа поверхні циліндра;
M - маса нейтрала; k - постійна Больцмана;
n b і n 0 - концентрація нейтралів в циліндрі і за його межами;
T b і T 0 - температури нейтралів в циліндрі і за його межами.
Якщо Ф in = Ф out, то з формул (5.2-5.3) отримаємо:
(5.4)
Енергія, що виноситься з циліндра W out:
(5.5)
Енергія, що вноситься в циліндр W in:
, (5.6)
де E знаходиться за формулою (5.1)
Якщо W in = W out, то, підставивши у формулу (5.5) вираз (5.4), отримаємо:
, (5.7)
де (5.8)
Так як (P - тиск газу за межами циліндра), то отримаємо:
, Або
якщо P виражено в Торр. (5.9)
Таким чином, при збільшенні енергії іонів має місце зниження концентрації нейтралів. У свою чергу, енергія іонів збільшується за рахунок зростання струму пучка. Результати моделі повною мірою відповідають залежностям, отриманим експериментальним шляхом. Локальний нагрів газу електронним пучком веде до збільшення електричної міцності ускоряющего проміжку плазмового джерела електронів у присутності пучка в ускоряющем проміжку, в форвакуумних діапазоні тисків.

6. РОЗРАХУНОК І ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ
Вихідні дані
P = 60 ¸ 160 мТорр (тиск газу поза пучка)
T 0 = 300 K (температура газу поза пучка)
I b = 0.1 ¸ 1 A (струм електронного пучка)
R = 6 мм = 0.006 м (радіус емісійного отвори анода)
d = 5 мм = 0.005 м (відстань між анодом і екстрактором)
Робочим газом є залишкова атмосфера повітря. В якості робочих параметрів приймемо параметри азоту N 2. Для азоту з [1]:
м (довжина вільного пробігу молекули азоту
при P = 1Торр і T = 273K);
M = 4.651 × 10 -26 кг (маса молекули азоту)
Будемо вважати, що l Г, li, le змінюються незначно при зміні струму електронного пучка та напруги на проміжку в зазначених межах, тому дані величини вважаємо постійними. Для визначення li і le скористаємося формулами з [1]:

, Або
, Або
Експериментально встановлено, що електрони в пучку мають енергію близько 4 еВ, що відповідає температурі 46400К. Обчислимо li і le для цієї температури і P = 0.1 Торр:
м; м
Для одержання залежності пробивної напруги проміжку від концентрації нейтралів U пр = f (n b) скористаємося експериментальної кривої U пр = f (P) для випадку, коли електронного пучка немає. Тим самим ми врахуємо конструктивні особливості електродів.
Таблиця 6.1. Експериментальна залежність U пр = f (P) при Ib = 0
P, мТорр
U пр (P), кB
60
80
100
120
140
160
12,5
10
6
3
1
0,5
Отже: , А з формул (4.9 і 4.1): ,
тобто пробивна напруга залежить від концентрації нейтралів, яка, у свою чергу, залежить від напруги на проміжку.
Будемо шукати пробивну напругу, вирішуючи систему цих рівнянь для кількох Ib і P (рішення у MathCAD наведено у додатку 1).
Таблиця 6.2. Експериментальні та розрахункові результати.
P,
mTorr
U пр, кВ
розрахунок
експеримент
Ib = 0A
Ib = 0.5А
Ib = 1A
Ib = 0.5A
Ib = 1A
60
80
100
120
140
160
12,5
10
6
3
1
0,5
14,4
12,4
9,4
4,1
1,2
0,48
15,2
13,5
11,5
6,4
1,5
0,47
14
12
9
6
4
3
15
13
10
7
5
4

За даними таблиці 6.2 побудуємо графіки залежності U пр = f (P) для розрахункових і експериментальних даних.



Малюнок 6.1. Графік залежності U пр = f (P) при Ib = 0.5A



Малюнок 6.2. Графік залежності U пр = f (P) при Ib = 1A



Малюнок 6.3. Графік залежності U пр = f (P) и

7. ВИСНОВКИ
Таким чином, як показали розрахунки, проведені з використанням наведеної вище моделі - при збільшенні енергії зворотного потоку іонів, що утворюються в ускоряющем проміжку плазмового джерела електронів в результаті іонізації газу електронним пучком, має місце зниження концентрації нейтралів. У свою чергу, енергія іонів збільшується у міру зростання струму електронного пучка. Результати моделі знаходяться в доброму згоді з залежностями, отриманими експериментальним шляхом. Локальний нагрів газу електронним пучком веде до збільшення електричної міцності ускоряющего проміжку плазмового джерела електронів у присутності пучка в ускоряющем проміжку, в форвакуумних діапазоні тисків.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Левитський С. М. "Збірник задач та розрахунків з фізичної електроніці" - Київ, вид-во Київського університету, 1960 - с. 178
2. Гапонов В. І. "Електроніка", ч.1 - М.: Физматгиз, 1960
3. Крейндель Ю. Є. "Плазмові джерела електронів", 1977

ДОДАТОК 1
n b, 1 / м 3



U пр, B


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Курсова
51.1кб. | скачати


Схожі роботи:
При мо здавальні випробування двигунів постійного струму Випробування електричної міцності ізоляції
Приймально-здавальні випробування двигунів постійного струму Випробування електричної міцності ізоляції
Режими роботи джерела електричної енергії
Ставлення до грошей при наявності проблем з працевлаштуванням
Визначення безвідмовності РЕУ при наявності резервування заміщенням резерв ненавантажений
Дослідження трифазної електричної ланцюга при з`єднанні навантаження зіркою
Розрахунок обмотки статора трифазного асинхронного двигуна при наявності магнітопровода з застосуванням
Характеристика і аналіз потенційних небезпек при виготовленні електронного блоку перетворювача
Джерела стічних вод при нафтопереробці та піролізі
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru