Разработка острофокусного рентгеновского источника с большим сроком службы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук Иванов, Владимир Сергеевич

• Иванов, Владимир Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Иванов, Владимир Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

6

Глава 1. Микрофокусные рентгеновские источники и средства проектирования приборов вакуумной электроники

1.1 Рентгеновские источники и системы визуализации рентгеновского излучения

1.1.1 Состояние рынка рентгеновских трубок

1.1.2 Применение микрофокусных рентгеновских источников

1.1.3 Преимущества использования микрофокусных рентгеновских источников

1.1.4 Исследования в области увеличения мощности источников

1.1.5 Исследования в области преобразования рентгеновского излучения в видимое

1.1.6 Компьютерное моделирование электронно-оптической схемы

1.2 Методы численного моделирования электростатических полей

1.3 Методы расчёта траекторий заряженных частиц

1.4 Системы автоматизированного проектирования электронно-оптических систем

1.5 Заключение

Глава 2. Методы и алгоритмы повышения точности и скорости расчёта электростатических полей

2.1 Повышение точности расчета потенциалов методом граничных элементов в аксиально-симметричных системах

2.2 Разработка алгоритма повышения точности расчёта градиента потенциала на сетке потенциалов

2.2.1 Численное определение градиента потенциала

2.2.2 Исследование точности вычислений градиента с помощью

конечно-разностных формул

2.2.3 Исследование точности вычислений градиента с помощью ДПФ

2.2.4 Двумерная интерполяция градиента потенциала

2.2.5 Трехмерная интерполяция градиента аксиально-симметричного потенциала

2.3 Распараллеливание алгоритма расчёта электростатического поля

2.3.1 Математические основы параллельных вычислений

2.3.2 Реализация распараллеливания вычислений электростатического поля

2.3.3 Тестирование алгоритма на ПЭВМ

2.4 Заключение

Глава 3. Автоматизация разработки конструкторской документации для ускорения процесса моделирования электронно-оптических систем

3.1 Технология «ActiveX Automation»

3.2 Описание программного интерфейса САПР «AutoCAD»

3.2.1 Методы и свойства построения примитивов

3.2.2 Формирование сложных объектов

3.2.3 Использование зарезервированных функций выдавливания, вращения

3.2.4 Использование логических операций

3.3 Описание технологий COM, OLE

3.3.1 Связывание и внедрение объектов

3.3.2 Компоненты ActiveX

3.3.3 Модель СОМ

3.4 Разработка программного модуля трехмерной визуализации электронно-оптических систем из программы Focus в САПР AutoCAD

3.4.1 Модуль Axial_for_AutoCAD

3.4.2 Модуль 8е1АигоСАО

3.5 Примеры моделирования электронно-оптических систем

3.6 Заключение

Глава 4. Проектирование, разработка и экспериментальное исследование острофокусного рентгеновского источника и установки микрофокусной рентгеноскопии

4.1 Разработка острофокусного рентгеновского источника

4.1.1 Основные требования к системе

4.1.2 Описание решаемых научно-технических проблем и поставленной задачи

4.1.3 Моделирование электронно-оптической системы рентгеновского источника в программе «ФОКУС»

4.1.4 Моделирование тепловых режимов работы рентгеновского источника

4.1.5 Эскизная документация

4.1.6 Изготовление макета и опытного образца рентгеновского источника

4.2 Технология изготовления рентгеновского источника

4.2.1 Сборка макета на монтажном участке

4.2.2 Режим термовакуумной обработки макета

4.3 Экспериментальные исследования рентгеновского источника

4.3.1 Методика испытаний

4.3.2 Результаты экспериментальных исследований

4.4 Разработка установки микрофокусной рентгеноскопии

4.4.1 Система регистрации и отображения микрофокусных рентгенограмм

4.4.2 Разработка экспериментального макета установки

4.4.3 Изготовление системы визуализации рентгеновских изображений

4.4.4 Разработка и изготовление макета установки

4.5 Разработка программы для обработки рентгеновских изображений

4.5.1 Разработка программы захвата изображения с камеры

4.5.2 Предварительная обработка рентгеновского изображения

4.5.3 Математические методы предварительной обработки

4.5.4 Результаты обработки реальных изображений

4.5.5 Математические методы обработки рентгеновских изображений

4.6 Заключение

Заключение

Библиографический список

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка острофокусного рентгеновского источника с большим сроком службы»

Введение

Актуальность темы

Сфера применения микрофокусной рентгенографии и рентгеноскопии расширяется со скоростью, превышающей все данные прогнозов.

Микрофокусная рентгеноскопия как способ получения теневых картин просвечивания с помощью источников рентгеновского излучения обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными способами рентгеновских исследований:

• микрофокусные источники принципиально способны обеспечить высокую локальность исследований;

• при равных дозах в плоскости приемника микрофокусные аппараты обеспечивают более высокое качество изображения;

• микрофокусные источники позволяют получать увеличенные (в 5 - 10 раз) изображения.

Актуальность работы заключена в имеющейся потребности на предприятиях и в организациях самого различного профиля в системе микрофокусной рентгенографии для исследований

• новых материалов;

• упорядоченных структур;

• пленочных и тонкопленочных структур;

• механических дефектов технических устройств;

• биологических объектов, в том числе, на клеточном уровне;

• объектов медицины.

Рынок рентгеновского оборудования предлагает лишь ограниченный набор устройств, способных решать указанные задачи. Причем всем этим устройствам присущ целый ряд недостатков, главные из которых

• малая мощность излучения (менее 5 Вт);

• малый срок службы (порядка 1000 часов);

• резкий рост стоимости при незначительном улучшении потребительских параметров.

Для разрешения указанных проблем разрабатывается острофокусный рентгеновский источник с выделяемой мощностью на аноде не менее 5 Вт, с диаметром области эффективной генерации излучения не более 100 мкм и сроком службы катода не менее 10 ООО часов.

Основным инструментом разработки оборудования для научных исследований, в том числе, приборов электронной и ионной оптики в настоящее время считаются системы автоматизированного проектирования (САПР), составляющими элементами которых являются системы компьютерного моделирования процессов и устройств - CAE (Computer Aided Engineering), системы автоматизированной разработки конструкторско-технологической документации - CAD (Computer Aided Design) и системы автоматизированного производства на станках с программным управлением -САМ (Computer Aided Manufacturing).

Цель и задачи работы:

Целью диссертационной работы является создание острофокусного рентгеновского источника со сроком службы термоэлектронного катода не менее 10000 часов, мощность не менее 5 Вт и диаметром области генерации излучения не более 100 мкм.

Для её достижения следует решить следующие задачи:

1. Повысить точность расчета потенциалов методом граничных элементов в аксиально-симметричных системах, реализованного в CAE Focus.

2. Разработать алгоритм повышения точности расчёта электростатического поля (градиента потенциала) на сетке потенциалов.

3. Распараллелить алгоритм расчёта электростатического поля.

4. Разработать экспорт данных из CAE Focus в CAD-системы.

5. Разработать и оптимизировать электронно-оптическую схему острофокусного рентгеновского источника.

6. Разработать конструкторскую документацию острофокусного рентгеновского источника.

7. Изготовить и испытать острофокусный рентгеновский источник.

8. Разработать экспериментальный макет установки микрофокусной рентгеноскопии.

9. Разработать программу для обработки рентгеновских изображений.

Научная новизна:

1. Выявлена возможность повышения точности и скорости вычислений электростатического поля при моделировании электронно-оптических систем за счёт применения векторного представления характеристик электростатических полей.

2. Разработан адаптивный метод дифференцирования при численной оценке градиента потенциала, повышающий точность расчёта на 4 порядка от известных в окрестностях поверхности полеобразующих электродов.

3. Разработан способ расчёта электростатических полей электронно-оптических систем с разномасштабными электродами методом граничных элементов с использованием распараллеливания вычислений.

4. Численные и экспериментальные методы позволили разработать рентгеновский источник с острофокусным возбуждением электронным пучком, большим сроком службы (не менее 10000 часов) и диаметром области генерации излучения не более 100 мкм.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для:

• Быстрого и точного создания компьютерных моделей аксиально-симметричных электронно-оптических систем

• Проведения исследований в области моделирования систем электронной оптики.

• Создания новых, высокоточных и быстрых алгоритмов для расчёта полей методом граничных элементов.

• Создания промышленного образца микрофокусного рентгеновского источника с высоким сроком эксплуатации.

• Создания промышленного образца установки микрофокусной рентгенографии с компьютерной обработкой и постобработкой полученных рентгеновских изображений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение векторного представления характеристик электростатических полей при моделировании электронно-оптических систем позволяет повысить точность и скорость вычислений в два раза.

2. Использование адаптивного алгоритма при численном дифференцировании по конечно-разностным формулам позволяет на 4-5 порядков увеличить точность расчёта градиента потенциала вблизи границ электродов электронно-оптической системы.

3. Конструкция острофокусного рентгеновского источника с термокатодом из нескольких вольфрамовых спиралей и фокусирующим электродом переменной толщины позволяет достичь срока службы не менее 10000 часов, диаметра области генерации излучения не более 100 мкм и мощности не менее 5 Вт.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 2 всероссийских и 2 международных научно-технических конференциях: всероссийская конференция с элементами научной школы для молодёжи «Актуальные проблемы развития нано-, микро- и оптоэлектроники» (Рязань, 2010г.), десятый всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (Москва, 2011г.), международная научная конференция «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент» (Караганда, 2012г.), международная конференция по

компьютерным технологиям в физических и инженерных приложениях (Санкт-Петербург, 2014).

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 5 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях, 3 статьи в изданиях ВАК.

Структура и объём диссертационного исследования.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 164 страницы, 103 рисунка, 14 таблиц.

Глава 1.

Микрофокусные рентгеновские источники и средства проектирования приборов вакуумной электроники.

1.1. Рентгеновские источники и системы визуализации рентгеновского излучения

Для получения рентгеновского излучения нужно иметь источник электронов, средства ускорения электронов до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой.

Рентгеновские трубки (источники) различают: по способу получения потока электронов — с термоэмиссионным (подогревным) катодом, автоэмиссионным (острийным) катодом; катодом, подвергаемым бомбардировке положительными ионами и с радиоактивным источником электронов; по способу генерации излучения - отражательного и прострельного типа; по способу вакуумирования — отпаянные, разборные; по времени излучения — непрерывного действия, импульсные; по типу охлаждения анода — с водяным, масляным, воздушным, радиационным охлаждением; по размерам фокуса (области излучения на аноде) — макрофокусные, острофокусные и микрофокусные; по его форме — кольцевой, круглой, линейчатой формы; по способу фокусировки электронов на анод — с электростатической, магнитной, электромагнитной фокусировкой.

1.1.1. Состояние рынка рентгеновских трубок.

Современные тенденции развития рынка рентгеновских трубок заключаются в постепенном снижении доли макрофокусных по сравнению с острофокусными источниками. Основные области применения последних

следующие: а) микро- и наноэлектроника (измерение толщины пленок, исследование процессов испарения пленок, рентгеновский флоуресцентный анализ, рентгеноэлектронная спектроскопия поверхности твердого тела, рентгенография металлов и полупроводников и т.д), б) медицина (рентгеноскопия высокой контрастности, локальное воздействие рентгеновского излучения и т.п.) в) биология (изучение механизмов воздействия рентгеновского излучения на клеточном уровне и т.п.).

Коммерческое рентгеновское оборудование на российский рынок поставляется в основном зарубежными фирмами. Наиболее передовые рентгеновские установки представлены следующими фирмами и их поставщиками (указаны в скобках):

• FEIN FOCUS ("Индустрия сервис"),

• Viscom (ДИАЛ-Электролюкс"),

• Phoenix X-Ray (ЗАО "Предприятие ОСТЕК"),

• X-Tek ("Универсалприбор"),

• Piergiacomi (РТС "Инжиниринг"),

• Sumsung ("Электрон Сервис Технология").

В качестве демонстрации на рисунке 1.1 показаны фотографии типичных установок рентгеновского контроля.

(а) (б)

Рисунок 1.1 - Системы рентгеновского контроля: (a) FXS-160.40,

(б) COGUAR-VXP.

Такого типа оборудование предназначено для решения конкретных задач из достаточно узкого круга (контроль печатных плат, контроль многослойных структур, медицинские исследования и т.д.). Однако вне зависимости от решаемых задач это оборудование имеет достаточно тривиальную схему построения - высоковольтный источник питания рентгеновского источника, сам источник, преобразователь радиационного излучения в видимое, регистратор видимого излучения и система отображения информации (компьютер).

Сердцем установок микрофокусной рентгенографии является острофокусный (микрофокусный) рентгеновский источник. Фирмы производители рентгеновского оборудования выпускают и рентгеновские источники (с мощностью на трубке не более 10 Вт). Однако в данном сегменте рынка присутствуют фирмы, которые занимаются только производством рентгеновских источников.

Зарубежный рынок острофокусных рентгеновских источников представлен фирмами "Oxford Instruments" (Великобритания) и Hamammatsu (Япония),

Английская фирма «Oxford Instruments» является одним из крупнейших игроков на рынке систем для рентгеновского микроанализа и рентгенофлуоресцентного анализа. Острофокусные рентгеновские источники «Oxford Instruments» имеют диаметр фокусного пятна от 13 мкм до нескольких мм и уровень мощности до нескольких десятков ватт. Все источники со сверхмалым размером пятна (13-40 мкм) конструктивно имеют отражательный анод и соответственно большое значение расстояния фокус-объект (несколько миллиметров), что является недостатком при их использовании в используемые в установках рентгеновской микрографии. Срок службы рентгеновских трубок источников сравнительно невелик и составляет порядка 2000 тыс. часов.

В качестве примера на рисунке 1.2 представлены конструкция и внешний вид типичного для «Oxford Instruments» [1] рентгеновского источника с острийным катодом.

Рисунок 1.2 - Конструкция и внешний вид рентгеновского источника

ХТР6011.

Другой производитель рентгеновской аппаратуры «Нататгт^и» (Япония) [2], специализируется на производстве аналитического, измерительного и научного оборудования. Рентгеновские источники

окюэд

«Hamammatsu» имеют параметры сопоставимые с характеристиками источников «Oxford Instruments».

В качестве примера на рисунке 1.3 показан внешний вид выпускаемого «Hamammatsu» рентгеновского источника с косвенно подогреваемым катодом.

Рисунок 1.3 - Внешний вид модели N7599.

Российский рынок острофокусных рентгеновских источников в основном представлен приборами ЗАО «Светлана-Рентген» [3] (г. Санкт-Петербург). Рентгеновские трубки с отражательными и «прострельными» анодами, выпускаемые ЗАО «Светлана-Рентген» имеют при мощности 5-12 Вт, миллиметровые размера фокусного пятна и срок службы 800-1000 часов (трубки серии БХ и БС) (см. рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Внешний вид рентгеновской трубки БС-11.

Анализ существующего положения на рынке острофокусных рентгеновских источников показывает необходимость создания и определяет основополагающие подходы к разработке микрофокусного рентгеновского источника (в составе установки микрофокусной рентгенографии) с потребительскими параметрами, обеспечивающими его стабильную коммерческую привлекательность на рынке научного приборостроения: выделяемая мощность на аноде должна составлять не менее 5 Вт, диаметр области излучения - не более 100 мкм, срок службы не менее 10000 часов.

1.1.2. Применение микрофокусных рентгеновских источников.

Микрофокусные рентгеновские источники могут найти и уже находят применение в установках локального и растрового рентгеноструктурного, а также рентгеноэлектронного анализа материалов и рентгеноскопии объектов микро- и наноэлектроники, в том числе, готовых интегральных схем; в технологическом оборудовании локального воздействия рентгеновского излучения; в медицинском оборудовании и т.п. Сфера применения микрофокусной рентгенографии расширяется со скоростью, превышающей все данные прогнозов. Даже перечисление всех уже имеющих место точек приложения микрофокусных источников невозможно из-за мыслимых ограничений на объём диссертации.

1.1.3. Преимущества использования микрофокусных рентгеновских источников.

Основное достоинство микрофокусных источников заключается в принципиальной возможности организации локальных исследований. Применение в этом случае линз Кумахова [4], фокусирующих рентгеновское излучение на заданном расстоянии от источника, дает в руки пользователя мощный инструмент изучения физических и химических свойств материалов.

С другой стороны, микрофокусная рентгенография как способ получения теневых картин просвечивания с помощью источников рентгеновского излучения, размер фокусного (эмиссионного) пятна которых составляет менее 100 мкм, обладает рядом дополнительных преимуществ по сравнению с традиционными способами рентгеновских исследований.

Первым из них является возможность получения резких увеличенных рентгеновских изображений различных объектов. Конечное значение коэффициента увеличения определяется областью применения, а также задачами, которые должны быть решены в процессе рентгенографических исследований. Так, например, в медицинской рентгенодиагностике в настоящее время уже выполняются микрофокусные рентгеновские снимки с максимальным увеличением 5-7 раз без потерь качества изображений.

Второй, не менее важной, особенностью микрофокусной рентгенографии является возможность получения качественных рентгеновских изображений одних и тех же объектов при меньших экспозиционных дозах облучения по сравнению с обычными рентгеновскими аппаратами, имеющими размер фокусного пятна около 1 мм и выше.

Отмеченные особенности позволяют сделать следующие выводы

• микрофокусные источники принципиально способны обеспечить высокую локальность физических исследований материалов;

• при равных дозах в плоскости приемника микрофокусные аппараты обеспечивают более высокое качество изображения;

• при одинаковой резкости снимков рентгеновские аппараты с микрофокусными трубками позволяют получать рентгеновские снимки объектов, содержащих мелкие структуры, с меньшими дозами.

Тем не менее, несмотря на наметившийся устойчивый спрос, рынок рентгеновского оборудования и технологий предлагает лишь ограниченный набор устройств, способных решать указанные задачи. Причем всем этим устройствам присущ целый ряд недостатков

• малая мощность излучения (менее 10 Вт);

• малый срок службы (порядка 1000 часов);

• резкий рост стоимости при незначительном улучшении потребительских параметров.

Свободные позиции на рынке рентгеновского оборудования могут быть успешно завоеваны при условии строгого соответствия разработанных устройств всем современным требованиям к эффективности, надежности, безопасности, эргономичности, "скрытому очарованию" и т.п.

Следует отметить, что основную долю стоимости наукоемкой прецизионной продукции составляют затраты на проведение научных и научно-технических исследований, а также затраты на разработку соответствующей конструкторской документации. Производственная составляющая здесь не является ценообразующей. Важное значение для функциональной эффективности и коммерческой привлекательности изделия имеет идея (и ее новизна), заложенная в основу способности данного изделия удовлетворять существующим или формируемым потребностям.

1.1.4. Исследования в области увеличения мощности источников.

Основные исследования при разработке микрофокусных рентгеновских источников проводятся с целью увеличения мощности излучения и уменьшения области генерации рентгеновских лучей. Анализ состояния дел показывает, что главными и весьма перспективными средствами повышения мощности служат новые материалы, в том числе тугоплавкие, жидкие металлы, а также многослойные структуры.

Рассеиваемая на аноде рентгеновского источника мощность ограничена тепловой нагрузкой. В случае обычных твердотельных анодов (и отражательного, и прострельного типов) температура анода, нагреваемого электронным лучом при бомбардировке, должна быть значительно ниже точки плавления. При этом для микрофокусных источников с диаметром фокального пятна на аноде порядка и меньше 100 мкм мощность не может превышать 10 Вт.

Достойные внимания направления исследований в мировой науке по повышению мощности связаны с разработкой и применением анодов нового типа на основе жидких металлов. Жидкометаллический анод отличается тем, что металл уже расплавлен и нет причин опасаться его расплавления. В наиболее мощных жидко-струйных источниках сильный локальный разогрев жидкого металла предупреждается регенерацией материала в области излучения за счет замены его порцией свежего со скоростью 100 м/с. Возможность рассеивания большой (более 100 Вт) мощности в области микронного диаметра является залогом достижения рекордных значений светимости микрофокусных рентгеновских источников со струйными жидкометаллическими анодами [5].

Для генерации линий характеристического излучения различной длины волны с целью применения в рентгено-структурном анализе, в рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и т.д. синтезируются различные сплавы жидких металлов. Исследования спектрального состава излучений таких сплавов показали, что характеристическое излучение некоторых сплавов совпадает с излучением стандартно используемых в рентгеновской технике металлов. Например, такое совпадение наблюдается для некоторых галлиевых сплавов и меди, индиевых сплавов и серебра.

Альтернативные исследования по данной проблематике связаны с применением многослойных твердотельных структур. Основная и широко используемая на практике концепция таких мишеней заключается в осаждении тонкого слоя материала с высоким атомным номером Ъ на подложку с низким Ъ [6]. Эффективность генерации рентгеновских лучей в пленке осажденного на подложке материала определяется его атомным номером Ъ в соответствии с законом Мозли. По понятным причинам материал подложки должен отличается хорошей теплопроводностью и термостабильностью. Экспериментально показана практическая целесообразность создания многослойных структур типа "сандвич" для

целей рассеяния больших тепловых мощностей, например, структур такой последовательности, как Та-Си-Та-Си-Та.

1.1.5. Исследования в области преобразования рентгеновского излучения в видимое.

В области исследований процессов преобразования рентгеновского излучения в видимое можно выделить несколько направлений.

Одно из направлений, традиционное, связано с улучшением эксплуатационных характеристик рентгенолюминофоров за счет качественного подбора компонентов входящих в его состав. Эта задача является основополагающей так яркость свечения люминофора, а значит и изображения, напрямую зависит от его химического состава. Не менее важным параметром является размер зерна люминофора и длительность послесвечения, влияющие на резкость изображения и возможность анализа протяженных объектов без искажений [7], [8].

Другой подход связан с тем, что преобразователем рентгеновских лучей может выступать неорганическое стекло, активированное ионами редкоземельных элементов. Основными преимуществами применения стекол являются прозрачность для видимого излучения и технологичность при обработке [9]. Экспериментально показано, что интенсивность рентгенолюминесценции стекла зависит не только от типа и концентрации активатора, но от базового состава стекла, который тоже может быть оптимизирован. Однако на данный момент стекла по своей эффективности преобразования уступают большинству известных люминофоров.

Применение другого, несколько экзотичного типа преобразователя -газоразрядного - будет возможным при условии использования газовых смесей, обладающих достаточными для практики яркостью высвечивания и относительным выходом видимого излучения [10].

За последние 15 лет широкое распространение получили системы с плоскими панелями из аморфного кремния (приборы с зарядовой связью),

способными выполнять рентгеноскопическую и рентгенографическую цифровую визуализацию. Панель датчиков предназначена для накопления заряда, создаваемого при поглощении рентгеновских лучей и его построчной передачи на усилители заряда во время сканирования. Устройство хранения заряда представляет собой конденсатор, используемый в аппаратах для визуализации с фотопроводниками, или фотодиод, используемый в панелях со сцинтилляторами. Выключатель, применяемый для разрешения прохождения заряда, может представлять собой одиночный диод, пару диодов или тонкопленочный транзистор [11].

К недостаткам плоских панелей стоит отнести большие размеры детектора, низкое отношение размера активной зоны детектора к его габаритам, низкий коэффициент генерации фотонов. Получаемые изображения характеризуются размытостью и низкой контрастностью.

Наиболее современные подходы к созданию рентгенографических детекторов базируются на технологиях квантовых точек. Одним из основных преимуществ использования квантовых точек является возможность разработки приборов с оптимальной настройкой на детектируемую частоту и с требуемым спектральным составом переизлучения [12], [13], [14]. Приборы с квантово-размерными эффектами находятся на стадии бурного развития.

Касательно системы визуализации в целом считается, что наиболее оптимальной и эффективной на данный момент является последовательность ступеней - входной (люминофорный) экран, видео-объектив и ПЗС-матрица.

1.1.6. Компьютерное моделирование электронно-оптической схемы

Проблемы улучшения фокусировки электронного потока на аноде решаются совершенствованием методики проектирования электронных прожекторов путем использования наиболее продвинутых численных методик и проведением огромной серии численных экспериментов. В качестве динамично развивающихся коммерческих компьютерных приложений по моделированию систем электронной и ионной оптики можно

выделить БВ/ЛСЖ, США [15], СРО, Великобритания [16], Ьогег^г, Канада [17].

1.2 Методы численного моделирования электростатических полей.

Вычисление функции распределения потенциала в электронно-оптической системе заключается в решении уравнения Лапласа (или Пуассона при учете влияния пространственного заряда) в некоторой области при известных значениях потенциалов электродов системы.

Математическая формулировка задачи - следующая.

Требуется решить краевую задачу для уравнения Пуассона в области П с границей Г:

Аи(ф=р, где £еПиГ (1.1)

с граничными условиями

и(ф= и(х)паГ], (1.2)

где Г=Г1 + Г2, q'=дu/дn, Г, п - внешняя нормаль границы Г, р- объемная плотность заряда.

Для численного решения задачи в настоящее время широкое распространение в основном получили три следующих метода: метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ) и метод граничных элементов (МГЭ).

Методы конечных разностей [18, 19] без особых затруднений могут быть применены для моделирования полей в системах с простой конфигурацией электродов, когда узлы сетки разбиения области точно укладываются на границу области. При решении внешней задачи приходится вводить замыкающую поверхность с искусственно накладываемыми граничными условиями, например, равенством нулю нормальной производной потенциала [20].

Среди методов конечных разностей на основании оценки скорости сходимости предпочтение отдается итерационным методам, таким как метод продольно-поперечных прогонок с оптимальной последовательностью параметров и попеременно-треугольный метод с чебышевским ускорением [18, 19].

Метод конечных элементов [21-23] с успехом может быть использован для исследования систем со сложной конфигурацией электродов. Однако нерегулярное расположение узлов с вычисленными в них значениями потенциалов в общем случае затрудняет проведение траекторного анализа, что ограничивает МКЭ внутренними задачами, и в основном это задачи электрической прочности.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная и плазменная электроника», Иванов, Владимир Сергеевич

Заключение

Главной целью диссертационной работы являлось создание острофокусного рентгеновского источника со сроком службы термоэмиссионного катода не менее 10000 часов, мощность не менее 5 Вт и диаметром области генерации излучения не более 100 мкм.

Для её достижения в работе были поставлены следующие задачи:

1. Повысить точность расчета потенциалов методом граничных элементов в аксиально-симметричных системах, реализованного в CAE Focus.

2. Разработать алгоритм повышения точности расчёта электростатического поля (градиента потенциала) на сетке потенциалов.

3. Распараллелить алгоритм расчёта электростатического поля.

4. Разработать экспорт данных из CAE Focus в CAD-системы.

5. Разработать и оптимизировать электронно-оптическую схему острофокусного рентгеновского источника.

6. Разработать конструкторскую документацию острофокусного рентгеновского источника.

7. Изготовить и испытать острофокусный рентгеновский источник.

8. Разработать экспериментальный макет установки микрофокусной рентгеноскопии.

9. Разработать программу для обработки рентгеновских изображений.

Первая задача была решена заменой вычисления интеграла с сингулярной подынтегральной функцией численными методами на константу. Это позволило не только увеличить точность расчета в несколько раз, но и повысить скорость вычислений. Подробно вопрос рассмотрен в п.2.1 диссертации. Вторая задача была решена с помощью модифицированного метода численного дифференцирования, оказавшегося наиболее эффективным в классе решаемых задач (см. п.2.2). Применение дискретного преобразования Фурье для вычисления производных от

функций с изломом не приводит к ожидаемым положительным результатам. Наибольшую точность показывает предложенный в работе метод с использованием левых, центральных и правых разностей, выбор которых осуществляет специальный алгоритм. Для его программной реализации предложены высокоэффективные способы вычислений составляющих градиента электрического потенциала в декартовых координатах, а также его двумерной и трёхмерной интерполяции.

Решение третьей задачи рассмотрено в п.2.3 диссертации. Предложенный способ реализации многопоточного параллелизма при расчёте потенциала методом граничных элементов показал высокую эффективность по результатам тестирования на современных многопроцессорных системах.

Решение четвёртой задачи всесторонне раскрыто в главе 2. После успешного моделирования в CAE-системе всегда встаёт вопрос переноса удачной конструкции в CAD-систему для разработки конструкторской документации. Этот процесс был успешно автоматизирован на примере экспорта конструкции электронно-оптической системы из CAE Focus в программу AutoCAD.

Процесс решения пятой задачи рассмотрен в пп. 4.1.1-4.1.4. Поиск удачной конфигурации рентгеновского источника проходил в программном комплексе «ФОКУС» с использованием разработанных методик повышающих скорость и точность моделирования.

Конструкторская документация (задача шесть) разрабатывалась с использованием программного комплекса SolidWorks и преведена в п. 4.1.5, а также в Приложении.

Решение седьмой задачи см. пп. 4.1.6., 4.2., 4.3. Технология изготовления острофокусного рентгеновского источника представлена в п.4.2., изготовленный макет и опытный образец представлены в п. 4.1.6., экспериментальные исследования и методика испытаний изложены в п.4.3.

Решение восьмой задачи представлено в п.4.4. Разработанный макет установки микрофокусной рентгеноскопии может быть улучшен мощным блоком питания, высококачественной web-камерой и системой защиты от рентгеновского излучения. Это позволит значительно расширить сферу его применения.

Решение девятой задачи рассмотрено в п.4.5. Обработка полученного рентгеновского изображения с помощью разработанного программного обеспечения позволяет избавиться от шумов, повысить четкость и контрастность, увеличить информативность.

Таким образом, все задачи, поставленные в диссертационной работе, были успешно выполнены.

Основные научные положения и результаты работы:

1. Повышена в 3-5 раз точность вычисления потенциалов методом граничных элементов в аксиально-симметричных системах при сокращении времени счета.

2. Разработан алгоритм высокоточного (порядка 10-5%) расчёта напряженности электростатического поля (градиента потенциала) на сетке потенциалов с помощью адаптивного алгоритма с использованием конечно-разностных формул.

3. Разработан алгоритм распараллеливания вычислений электростатического поля методом граничных элементов, позволивший повысить скорость вычислений в количество раз, равных числу ядер процессора компьютера.

4. Разработаны программные средства экспорта данных из CAE Focus в CAD-системы.

5. Разработана конструкторская документация в среде CAD SolidWorks.

6. Разработан острофокусный рентгеновский источник с большим сроком эксплуатации, не менее 10000 часов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванов, Владимир Сергеевич, 2014 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. http://www.oxford-instruments.com/

2. http://www.hamamatsu.com/

3. http:// www.svetlana-x-ray.ru/

4. Либхафски Х.А. «Применение поглощения и испускания рентгеновских лучей», УДК 587.51, 1964г., 393 с.

5. О. Hemberg, М. Otendal, and Н. М. Hertz. Liquid-metal-jet anode electron-impact x-ray source // Applied Physics Letters. - 2003. - vol .83, No. 7. - P. 14831485

6. S. Korenev. Target from Production of X-rays. USA Patent: US 6,463,123

7. Patent EP 0094259 B1 Stanley Hancock Patten X-ray intensifying screens based on phosphor mixtures.

8. Patent CA 2008457 A1 Philip Steven Bryan, Gregory Scott Jarrold, Patrick Maddock Lambert, Christine May Towers Phosphor composition and x-ray intensifying screen.

9. O.B. Казьмина, A.H. Абияка, Ю.А. Москалев, A.A. Дитц. Люминесцентные стекла для преобразования рентгеновского излучения в радиационных интроскопах // Известия Томского политехнического университета. Химия. - 2007. -Т.310, № 1 - С. 125-129.

10. Alkhimov Y.V., Tsitsura V.N., Silantiev O.N. Ways of gas discharge converters image enhancement //Modern technique and technologies MTT2005: Proceedings of the 11th International Conference. Tomsk: TPU, 2005. - 212 p.

11. P. R. Granfors, R. Aufrichtig, DQE(f) of an amorphous-silicon flat-panel xray detector: detector parameter influences and measurement methodology" // Proc. SPIE Med.Img. -2000. - vol.3977. - P. 2-13

12. Patent US 20130187053 A1 Leigh E. Colby Quantum dot digital radiographic detection system.

13. Patent WO 2008140495 A3 Paras N. Prasad, Indrajit Roy, Ken-Tye Yong A method to produce water-dispersible highly luminescent quantum dots for biomedical imaging.

14. Patent US 20130129632 A1 Kam W. Leong, Chai-Hoon Quek Quantum dot materials, methods for making them, and uses thereof.

15. http://simion.com/

16. http://simion.com/cpo/

17. www.integratedsoft.com

18. Самарский А.А. Теория разностных схем.- M.: Наука, 1983. - 616 с.

19. Самарский А.А. Введение в численные методы.- М.: Наука, 1987. - 286 с.

20. Dahl D.A. SIMION 3D Version 6.0 Users Manual INEL-95/0403.- Princeton Electronics Systems, Princeton, NJ, USA.

21. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация.- М.: Мир, 1986.-318 с.

22. Деклау Ж. Метод конечных элементов.- М.: Мир, 1976. - 316 с.

23. Сьярле Ф. Метод конечных элементов для эллиптических задач.- М.: Мир, 1980.-296 с.

24. Бреббия К., Телес Ж., Вроубель Л. Методы граничных элементов.- М.: Мир, 1987.- 524 с.

25. Матвеев А.Н. Электродинамика.- М.: ВШ, 1980.- 383 с.

26. Г. Корн и Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1974.

27. http://www.lencova.com/

28. E.Munro, J. Rouse, Н. Liu, L. Wang Software for Curved Axis Systems, Imaging Energy Filters, Beam Separators and Electron Mirrors // Abstracts of Eighth International Conference on Charged Particle Optics (CPO-8). Software Demo Session. - Singapore, 2010.- P.214-215.

29. Трубицын A.A. Вычисление сингулярных интегралов при решении задачи Дирихле методом граничных элементов // Журнал вычислит, матем. и матем. физики.- 1995.- Т. 35, № 4.- С. 532-541.

30. Власова Е.А., Зарубин В.С, Кувыркин Г.Н. Приближенные методы математической физики. Учеб. для вузов / Под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

31. Справочник по специальным функциям. Под ред. А.Абрамовича, И.Стиган. Пер. с англ. Под ред. В.А. Диткина, JI.H. Карамзиной.- М.: Наука, 1979.- 832 с.

32. Калиткин H.H. Численные методы. -М.: Наука, 1978.- 512 с.

33. Карл де Бор. Практическое руководство по сплайнам. -М.: Радио и связь, 1985.- 304 с.

34. Трубицын A.A., Иванов B.C. Численное дифференцирование функций с изломом при оценке градиента потенциала в электронно-оптических системах // Научно-технический журнал «Вестник РГРТУ» (выпуск 46), 2013, с. 96-102.

35. B.C. Гуров, A.A. Дягилев, B.C. Иванов, A.A. Трубицын, Реализация алгоритма распараллеливания вычислений при решении задач теории потенциала методом граничных элементов, - Вестник РГРТУ (выпуск 27), 2009.

36. Иванов B.C. Практика распараллеливания вычислений при моделировании электронно-оптических систем // Прикладная физика, №2, 2014, с. 33-36

37. Microsoft Office 2003 Visual Basic Programmer's Guide // Microsoft Press, 2002.

38. Фленов M. E. Библия Delphi. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ -Петербург, 2009. - 800 с.

39. W. David Ashley, Rony G. Fiatscher, Mark Hessling., Open Object Rexx Windows Extensions Reference // Rexx Language Association, 2009, c.124.

40. Зуев C.A., Полещук H.H. САПР на базе AutoCAD - как это делается. -СПб.: БХВ - Петербург, 2004. - 1168 с.

41. MSDN Library, OLE, http://msdn.microsoft.com/en-us/ library/df267wkc/

42. Деннинг A., ActiveX для профессионалов = ActiveX Controls Inside Out / Пер. с англ. Е. Матвеев. — СПб.: Питер, 1998. — 624 с.

43. http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms680573.aspx // MSDN Library, Component Object Model (COM).

44. RFC4122, A Universally Unique IDentifier (UUID) URN Namespace // The Internet Society, 2005.

45. Curtis Socha, Zarko Gajic, An Introduction to COM Programming with Delphi.

46. Дорохов А. Объектная модель AutoCad применительно к языку программирования Delphi.

47. Trubitsyn А.А., Ivanov V.S. Analytical capabilities of the program "FOCUS" on modeling of the electron- and ion-optical systems. // International Conference on Computer Technologies in Physical and Engineering Applications -ICCTPEA-2014,

48. Трубицын A.A., Иванов B.C. Одиночная линза с фокусировкой потоков заряженных частиц изменяющимся во времени электрическим полем // Десятый всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», Москва, 2011, с. 65-66

49. С. А. Иванов, Г. А. Рентгеновские трубки технического назначения // Ленинград: Энергоатомиздат. с. 200.

50. Трубицын А.А., Иванов B.C., Суворов Д.В. Средства микрофокусной рентгенографии // Международная научная конференция «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент», Караганда: изд-во КарГУ, 2012, с. 616-622.

51. Трубицын А. А. Программа «Фокус» моделирования аксиально-симметричных электронно-оптических систем: алгоритмы и характеристики // Прикладная физика. 2008. - №2. - С. 56-62.

52. Н. В. Черепин «Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике» // изд. «Советское радио» М. 1967 г., с. 406.

53. Павловская Т. С#. Программирование на языке высокого уровня.