Введение к работе
Актуальность работы. Анализ научных публикаций [1*-4*] показал, что параметры и успешное функционирование СВЧ устройств, используемых в радиолокации и радионавигации, приемо-передающих СВЧ устройств космической связи зависят от эмиссионной неоднородности катодных материалов используемых в этих устройствах.
Эмиссионная неоднородность материалов приводит к снижению
токоотбора и как следствие к снижению выходной мощности, неравномерной тепловой нагрузки на коллектор и снижению КПД приборов. Пространственное распределение эмиссионной неоднородности катодных материалов приводит к возбуждению "паразитных" видов колебаний и увеличению шума, что отрицательно сказывается на характеристиках СВЧ устройств и их серийной пригодности [1*-4*].
Очевиден и интерес к разработке метода исследования поверхности эмиссионных материалов в условиях, когда применение традиционных методов, таких как OGE, SIMS, LEED невозможно, например, когда окружающая среда отрицательно сказывается на работоспособности исследовательского оборудования, при воздействии радиации или ионной бомбардировки. Разработка оперативного метода определения эмиссионной неоднородности катодных материалов, метода, позволяющего контролировать качество СВЧ устройств на всех этапах их производства и эксплуатации, является актуальной задачей, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель диссертационной работы является разработка оперативного не разрушаемого метода определения эмиссионной неоднородности катодных материалов в процессе их вакуумно-технологической обработки и эксплуатации, позволяющего контролировать и прогнозировать выходные параметры СВЧ устройств различного назначения.
Цель достигается путём:
- обоснования выбора наиболее информационного параметра,
характеризующего состояние эмиссионного материала в СВЧ приборах
(клистронах, клистродах, лампах бегущей и обратной волны и т.д.);
- разработки математической модели исследования термоэмиссионного материала с учетом эмиссионной неоднородности;
- моделирования влияния погрешности регистрирующей аппаратуры
на результат определения эмиссионной неоднородности и разработки
метода интерпретации эмиссионного спектра катодных материалов СВЧ
устройств;
-разработки программно-аппаратного комплекса для измерения эмиссионной неоднородности катодных материалов;
- проведения анализа результатов экспериментальных исследований
эмиссионных материалов, используемых в современных СВЧ устройствах.
Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:
предложено уравнение токоотбора с учетом эмиссионной неоднородности. По своей структуре уравнение токоотбора является интегральным уравнением Фредгольма 1-го рода, содержащее под знаком интеграла произведение двух функций - ядра, отражающего свойства электронно-оптической системы (ЭОС) и второго сомножителя, отражающего эмиссионные свойства материала (ТЭМ) - статистическую функцию распределения работы выхода (ФРРВ) поверхности катода;
показано, что обратная задача - определение ФРРВ из результатов эмиссионных испытаний является некорректной. В результате традиционное решение задачи определение ФРРВ эмиттера из результатов эмиссионных испытаний, может сколь угодно сильно отличаться от истинного значения. Для обеспечения устойчивости решения и его сходимости к точному решению при погрешности регистрации исходной информации стремящейся к нулю, использована априорная информация об искомом решении - его положительность, ограниченность решения вместе с его производными;
предложены два метода определения статистической функции распределения работы выхода (ФРРВ) эмиттера из результатов эмиссионных испытаний с учетом некорректности задачи. Первый метод связан с регуляризацией и минимизации функционала Тихонова. Второй метод основывается на применении быстрого преобразования Фурье для минимизации функционала Тихонова. Методом Монте-Карло доказана сходимость решения задачи определения статистической ФРРВ эмиттера из результатов эмиссионных испытаний к точному при погрешности, стремящейся к нулю. Показано, что адекватное определение ФРРВ в диапазоне 1 эВ из результатов эмиссионных испытаний возможно при регистрации ее с погрешностью порядка 0,001%;
показано, что на основе анализа статистической ФРРВ можно определить химический и фазовый состав материала поверхности термоэлектронного эмиттера СВЧ приборов.
Методы исследования
Теоретические исследования проведены с использованием метода численного моделирования и статистического моделирования методом Монте-Карло. Экспериментальные исследования эмиссионных материалов выполнены эмиссионно-спектральным методом.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций
подтверждается путем сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также их сравнением с результатами, опубликованными ранее в отечественных и зарубежных научных публикациях.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:
-
Математическая модель токоотбора с учетом эмиссионной неоднородности материала;
-
Методы определения эмиссионной неоднородности материала из результатов эмиссионных испытаний;
-
Математическая модель влияния величины погрешности регистрирующей аппаратуры на результат определения эмиссионной неоднородности материала;
-
Результаты экспериментальных исследований обезгаживания и активирование оксидных термоэмиссионных материалов, а так же отравления и активирования гексаборида лантана.
Практическая ценность результатов диссертации:
-
Разработан метод оперативного контроля эмиссионной неоднородности, позволяющий осуществлять оперативный контроль химического и фазового состава поверхности эмиссионных материалов СВЧ устройств в процессе вакуумно-термической обработки, активирования и эксплуатации;
-
Результаты работы использованы при разработке мощных СВЧ устройств специального назначения, а также при создании катодов компенсаторов холловских электродинамических двигателей для корректировки орбит космических аппаратов.
Публикации. По теме диссертационной работы сделано 7 докладов на отечественных и международных конференциях, опубликовано 7 статей, из них 3 статьи в рецензируемых журналах ВАК.
Реализация результатов диссертационной работы:
Результаты работы использованы при разработке пучково-плазменных СВЧ устройств оборонного назначения и электрореактивный холловских двигателей коррекции орбит космических аппаратов. Результаты подтверждены актами ФГУП ВЭИ имени В.И.Ленина и ОАО НТО "Контакт". Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в МИЭМ (ТУ), что подтверждено актом.
Апробация работы. Основные положения диссертации
докладывались и обсуждались на конференциях:
-
Коваленко Ю.А., Ермилов А.Н., Королев Д.С. "Закон токоотбора в сильноточных инжекторах электронов с учетом эмиссионной неоднородности термоэмиттеров". " 6-я школа молодых ученых" Москва ИЯИ им. Курчатова, 16-22 ноября 2008 г.;
-
Kovalenko Yu. A., Korolev D.S. Р2-38: Ill-posed problems of emission electronics. XI IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2010 18-22 May 2010. Monterey US. California. P. 297-298;
-
Kovalenko Y.A., Korolev D.S. ILL-Posed Problem of the Physical Electronics (SHCE-1-1-90022) 16-th International Symposium on High Current and 10-th International Conference on Modification of Material with Particle Beams and Plasma Flows Tomsk, Russian, 19-24 September 2010;
-
Коваленко Ю.А., Королев Д.С.Эмиссионно-спектральный метод исследования поверхности. Состояние и перспективы дальнейшего развития. Конференция молодых ученых ВЭИ, Москва, 16-18 ноября 2010 года;
-
Kovalenko Yu.A., Korolev D.S. Problem diagnostics of electronics and plasma units. 19-25 February 2011, IVEC 2011, Bangalore, India. P. 447 - 448;
-
Kovalenko Yu.A., Korolev D.S. Simulation of thermodynamic process with share of thermo emission materials. 19-25 February 2011, IVEC 2011, Bangalore, India. P. 129 - 130;
-
Королев Д.С. Алгоритм определения эмиссионной неоднородности материалов из результатов эмиссионных испытаний. Материалы XVIII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов. "Вакуумная наука и техника". Под. ред. д.т.н., проф. Д.В.Быкова. М.~:МИЭМ.-2011.-С.276-279.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка используемых источников. Имеет общий объем 162 страницы, в том числе 58 рисунков, 2 таблицы, 140 наименований списка использованных источников на 15 страницах, 3 страницы приложения.
