Анотація до роботи:

Старчевський Ю.Л. Динаміка електронного потоку в магнетронній гарматі з холодним вторинно-емісійним катодом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 – фізична електроніка. – Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2004.

Головна задача дисертаційної роботи полягає в розвитку методів формування електронних потоків на основі тривимірного математичного моделювання динаміки електронного потоку в нестаціонарному електричному полі, а також виявлення і уточнення фізичного механізму вторинно-емісійного розмноження електронного потоку в магнетронній гарматі з холодним металевим вторинно-емісійним катодом.

В роботі були розв’язані теоретичні питання генерації, формування і транспортування електронного потоку в магнетронній гарматі, розроблена тривимірна нестаціонарна математична модель магнетронної гармати. Теоретично показано можливість вторинно-емісійного розмноження електронів на спаді імпульсу анодної напруги в магнетронній гарматі. Подальший розвиток дістали математичні методи розв’язання рівняння руху і розрахунку поля просторового заряду в робочому просторі магнетронної гармати. Одержано просторовий та часовий розподіл щільності об’ємного заряду, котрі характеризують динаміку електронного потоку в магнетронній гарматі, та з їхньою допомогою пояснені відомі експериментальні результати генерації електронних пучків в нестаціонарному електричному полі. Показано, що об’ємний заряд пучка зменшує розкид швидкостей електронів в потоці. Наведено розподіл електронів за швидкостями, який дозволяє судити про використання такого електронного потоку на практиці.

В результаті проведених в даній роботі досліджень було одержано:

1. Виконано аналітичний огляд методів формування електронних потоків та поширених видів електронної емісії. Показано, що для формування потужних електронних потоків доцільно комбінувати різні види емісії, причому один з них вибирається як початковий, а інший застосовується для забезпечення потрібної щільності струму і формування електронного пучка.

2. Розроблено числові та аналітичні математичні моделі руху заряджених часток в перехрещених нестаціонарному електричному і стаціонарному магнітному полях магнетронної гармати з холодним вторинно-емісійним катодом, включаючи:

- тривимірну нестаціонарну математичну модель, основу якої складає самоузгоджена система рівнянь руху і рівняння Пуассона для розрахунку розподілу потенціалу і електричних полів в робочому просторі гармати з врахуванням просторового заряду;

- числову двовимірну математичну модель руху заряджених часток в азимутально–симетричній магнетронній гарматі в кінематичному наближенні;

- аналітичну двовимірну математичну модель руху заряджених часток в магнетронній гарматі з плоскою системою електродів в кінематичному наближенні.

Наявність даних математичних моделей різного рівня строгості дозволила в рамках єдиного підходу дослідити динаміку електронного потоку в магнетронній гарматі з холодним вторинно-емісійним катодом при імпульсному способі збудження процесу вторинно-емісійного розмноження.

3. Розроблено векторну модель руху заряджених часток в перехрещених електричному і магнітному полях. Проведено її тестування і порівняння результатів з даними, отриманими із закону збереження енергії. Показано переваги векторної моделі по швидкості в 2,5 рази та по точності у 20 разів в порівнянні з моделлю, яка побудована за поширеним методом Рунге-Кутта четвертого порядку.

4. Створено оригінальні математичні моделі для розрахунку електричного поля в магнетронній гарматі на базі розв’язання тривимірного рівняння Пуассона. В основі яких полягає метод кінцевих різниць стосовно азимутально-симетричних потоків (циліндрична система координат), плоских потоків (декартова система координат), а також розглянуто комбінацію розв’язання рівняння Пуассона в циліндричній і декартовій системах координат. Це дозволяє прискорити розрахунок електричного поля для будь-якої конфігурації електродів з похибкою 1-2%.

5. Показано, як впливає вибір системи координат на точність розв’язання тривимірного рівняння Пуассона кінцево-різницевим неявним ітераційним методом. Наведена порівняльна кількісна інформація, корисна при розробці інших програмних засобів, де необхідно розв’язувати рівняння Пуассона кінцево-різницевим неявним ітераційним методом при застосуванні трьохточкової різницевої схеми.

6. Досліджено фактори, що впливають на енергію бомбардування катода первинними електронами. Показано, що до таких факторів відносяться нестаціонарні крайові поля, початкові енергії виліту первинних електронів з катоду (10 – 15 еВ) та мікронерівності поверхні катода.

7. Досліджено процес запуску магнетронної гармати в залежності від точок емісії первинних електронів. Показано, що найбільш ефективно процес вторинно-емісійного розмноження відбувається при виборі початкових точок емісії в області біля катода.

8. Досліджено фізичні процеси, що відбуваються на фронті і спаді імпульсу анодної напруги. Показано, що на фронті імпульсу анодної напруги переважають процеси автоелектронної емісії і утворення початкового струму порядка 64 мА для обраного електричного режиму магнетронної гармати. На спаді імпульсу анодної напруги траєкторії руху електронів, які утворюють початковий струм, змінюються таким чином, що переважає процес вторинно-емісійного розмноження. Встановлено, що перевага цього процесу пов’язана зі зміщенням енергії бомбардування часток, які вилітають на катод, в область, для якої коефіцієнт вторинної емісії більше одиниці.

9. Розглянуто процеси накопичення заряду в нестаціонарних умовах. Визначено подовжні та радіальні розподіли заряду в різні моменти часу формування електронного пучка. Показано еволюцію розподілу часток по енергіям бомбардування катода за часом.

10. Проведено порівняння теоретичного значення струму, одержаного за допомогою тривимірної математичної моделі, з його експериментальним значенням. Показано, що розбіжність між даними значеннями струму на колектор не перевищує 8%.

Одержані результати можуть бути використані при подальшому удосконаленні магнетронних гармат і розробці нових конструкцій магнетронних гармат з підвищеною надійністю та збільшеним строком служби. Це дозволить розширити використання таких гармат з холодними вторинно-емісійними катодами в різних електронних приладах НВЧ (прилади М і О-типу, гірорезонансні прилади).

Публікації автора:

1. Чурюмов Г.И., Старчевский Ю.Л., Лебедев О.Г., Исаева Е.Б. Динамика и формирование электронного облака в магнетронной пушке с холодным вторично-эмиссионным катодом // Радиоэлектроника и информатика. - 2004. - №2. - С. 25-30.

2. Чурюмов Г.И., Старчевский Ю.Л., Лебедев О.Г., Новиков Н.И. Сравнение численного решения уравнения Пуассона в декартовой и цилиндрической системах координат // Радиоэлектроника и информатика. - 2004. - №3. - С. 28-33.

3. Волколупов Ю.Я., Довбня А.Н., Закутин В.В., Красноголовец М.А., Старчевский Ю.Л., Чурюмов Г.И. Векторный метод решения уравнения движения заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях (кинематическое приближение) // Радиотехника. - 2003. - №131. - С. 88-94.

4. Волколупов Ю.Я., Довбня А.Н., Закутин В.В., Красноголовец М.А., Старчевский Ю.Л., Чурюмов Г.И. Анализ движения заряженных частиц в нестационарных скрещенных полях с учётом двухмерного кинематического приближения // Радиотехника. - 2003. - №132. - С. 53-59.

5. Чурюмов Г.И., Старчевский Ю.Л. Эволюция электронного потока при импульсном способе возбуждения магнетронной пушки с холодным вторично-эмиссионным катодом // Вестник Сумского государственного университета. - 2004. - №10(69). - С. 171-182.

6. Волколупов Ю.Я., Довбня А.Н., Закутин В.В., Красноголовец М.А., Старчевский Ю.Л., Чурюмов Г.И., Лебедев О.Г. Математическое моделирование характеристик магнетронной пушки // Тезисы XVIII международного семинара по ускорителям заряженных частиц. - Алушта (Украина). - 2003. - С. 126-127.

7. Волколупов Ю.Я., Красноголовец М.А., Старчевский Ю.Л., Чурюмов Г.И., Лебедев О.Г. Математическое моделирование электронных пучков в магнетронных пушках // Тезисы XVIII международного семинара по ускорителям заряженных частиц. - Алушта (Украина). - 2003. - С. 127-128.

8. Волколупов Ю.Я., Довбня А.Н., Закутин В.В., Старчевский Ю.Л., Чурюмов Г.И., Лебедев О.Г. Формирование электронных пучков в магнетронных пушках // Третья Харьковская конференция молодых учёных. ИРЭ «Микроволновая и электронная радиолокация». - Харьков (Украина). - 2004. - C. 36.

9. Churyumov G.I., Starchevskiy Yu.L., Dovbnya А.N., Reshetnyak N.G., Zakutin V.V., Lebedev О.G. BMS 3D - Code for modeling of cold-cathode crossed field guns // Fifth IEEE International Vacuum Electronics Conference. - Monterey (USA). - 2004. - Р. 238-239.

10. Volkolupov Yu.Ya., Dovbnya А.N., Zakutin V.V., Krasnogolovets М.А., Starchevskiy Yu.L., Churyumov G.I. Analysis of electron motion in transient crossed fields of magnetron gun // International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. - Alushta (Ukraine). - 2002. - С. 160.

11. Волколупов Ю.Я., Довбня А.Н., Закутин В.В., Красноголовец М.А., Старчевский Ю.Л., Чурюмов Г.И. Движение электрона в нестационарных скрещенных полях магнетронной пушки // Вторая Харьковская конференция молодых учёных. Радиофизика и СВЧ электроника. - Харьков (Украина). - 2002. - C. 30-31.

12. Старчевский Ю.Л., Красноголовец М.А. Запуск вторично-эмиссионного размножения электронов в магнетронной пушке // Материалы 7-го Международного молодёжного форума «Радиоэлектроника и молодёжь в ХХІ веке». - Харьков (Украина). - 2003. - С. 200.

13. Старчевский Ю.Л., Лебедев О.Г., Чурюмов Г.И. Расчёт распределения потенциала в магнетронной пушке в декартовых и цилиндрических координатах // Материалы 8-го Международного молодёжного форума «Радиоэлектроника и молодёжь в ХХІ веке». – Харьков (Украина). - 2004. - С. 187.