Численное моделирование формирования и транспортировки интенсивных низкоэнергетических электронных пучков в плазменном канале

• Автор: Ле Ху Зунг
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Краткий обзор литературы и описание методики расчетов

1.1. Плазменные источники низкоэнергетического электронного пучка

1.2. Математическое моделирование

1.3. Численные методы исследования транспортировки электронного пучка в плазменном канале
1.4. Исследование транспортировки низкоэнергетического сильноточного электронного пучка в плазменном канале в аксиально-симметричном магнитном поле

1.5. Выводы по первой главе

Глава 2. Трансформация поперечного сечения сильноточного электронного пучка в неоднородном магнитном поле обратного токопровода
2.1. Моделирование транспортировки сильноточного низкоэнергетического электронного пучка в плазменном канале в неоднородном магнитном поле токопровода
2.2. Влияние геометрии обратного токопровода на трансформацию поперечного сечения электронного пучка
2.3. Влияние токовой нейтрализации на трансформацию поперечного сечения электронного пучка
2.4. Влияние градиента внешнего магнитного поля на трансформацию поперечного сечения электронного пучка, автограф на фронте тока пучка
2.5. Выводы по второй главе
Глава 3. Исследование влияния ферромагнитной вставки на распределение плотности электронов пучка на мишени
3.1. Модель численного эксперимента

3.2. Транспортировка электронного пучка в магнитных полях соленоида и ферромагнитной вставки
3.3. Транспортировка электронного пучка в магнитных полях обратного токопровода и ферромагнитной вставки
3.4. Сравнение с экспериментом
3.5. Выводы по третьей главе
Глава 4. Транспортировка субмиллисекундного низкоэнергетического интенсивного электронного пучка в плазмонаполненном канале
4.1. Формирование плазменного канала
4.2. Транспортировка интенсивного электронного пучка в источнике с плазменным катодом без ведущего магнитного поля
4.3. Теоретическое исследование токопрохождения низкоэнергетического электронного пучка с учетом ионно-электронной эмиссии с катодного электрода
4.4. Выводы по четвертой главе
Заключение
Список литературы
Список публикаций автора по теме диссертации
Приложение А. Ферромагнитные вставки

Введение
Актуальность работы
Низкоэнергетические (10-30 кэВ) интенсивные (0,1-30 кА) микросекундные и субмиллисекундные электронные пучки с высокой (1-100 Дж/см2) плотностью энергии находят применение в различных технологических процессах, связанных с изменением структурного состояния и функциональных свойств поверхности материалов и изделий.
В импульсном электронном источнике со взрывоэмисионным катодом получены сильноточные (до 30 кА) микросекундные (до 5 мкс) электронные пучки с плотностью энергии до 20 Дж/см2 [1]. Для формирования интенсивных (до 300 А) субмиллисекундных (до 200 мкс) низкоэнергетических (до 20 кэВ) электронных пучков с плотностью энергии до 100 Дж/см2 разработаны импульсные электронные источники с плазменным катодом [2].
Одной из основных проблем успешного применения импульсных электронных источников является разработка надежных и эффективных методов транспортировки и управления параметрами электронных пучков с большой плотностью энергии. Теоретический подход к решению обозначенных проблем основан на аналитическом исследовании и численном моделировании основных физических процессов в плазменном канале при транспортировке низкоэнергетического пучка большой мощности к коллектору или мишени, где происходит утилизация энергии пучка.
При электронно-пучковой обработке крупногабаритных изделий наиболее рациональной является прямоугольная (квазипрямоугольная) форма поперечного сечения пучка, позволяющая увеличить шаг сканирования и, следовательно, производительность процесса. В то же время с точки зрения формирования пучка и из конструктивных соображений удобнее аксиально-симметричные электронные пушки. Впервые трансформация электронного пучка была предложена и экспериментально подтверждена в ИСЭ СО РАН Озуром Г.Е. и Карликом К.В. Поэтому представляет интерес численное исследование условий

зависимость функции распределения электронов пучка по энергии на мишени при разных концентрациях плазмы и градиенте магнитного поля, полученные численным моделированием (РІС код). Номера кривых I и 2 на рис. 1.15 соответствуют номерам профилей магнитного поля на рис. 1.13 и распределениям

линейного тока на рис. 1.14 при концентрации плазмы пр = 10 см' . Пунктирные кривые на рис. 1.14 и рис. 1.15 соответствуют концентрации плазмы пр = 4x1011 см'3 и магнитному полю с наибольшим градиентом (кривая 2 на рис. 1.13).
С уменьшением концентрации плазмы уменьшается рассеяние электронов пучка и происходит перераспределение плотности энергии в сечении пучка на мишени. Это обусловлено, вероятно, ограничением тока пространственным зарядом некомпенсированных приосевых электронов. Для параметров численного эксперимента при пр < 3,5x10й см"3 происходит формирование виртуального катода и отражение электронов пучка в градиенте магнитного поля (кривая 2 на рис. 1.13).
Рис. 1.15. Распределение электронов пучка по энергии на мишени
Эксперименты, проведенные в работе [31], показали, что формируя профиль ведущего магнитного поля фокусирующего пучок, можно увеличить не только плотность энергии электронов на мишени, но и стабилизировать положение максимума пучка на мишени. Это позволяет осуществлять более однородную модификацию поверхности низкоэнергетическим электронным пучком [31].