Моделювання фокусування порожнистого електронного пучка симетричною магнітною лінзою для промислового застосування в адитивних технологіях
Анотація
У статті, з використанням методів чисельного моделювання, досліджено особливості фокусування короткофокусного порожнистого пучка електронів, сформованого з широкої поверхні холодного катода в електронних гарматах високовольтного тліючого розряду. Для отримання відповідних результатів моделювання використано оригінальне програмне забезпечення, створене авторами на мові програмування Python. Аналіз отриманих результатів чисельного моделювання показав, що у разі невеликої зміни кута розбіжності траєкторії пучка або радіуса початкової точки на поверхні катода положення фокусу пучка, як правило, не змінюється. Тому кільцевий фокус пучка зазвичай займає стійке положення по поздовжній координаті, а товщина фокального кільця завжди знаходиться в межах кількох міліметрів. Відповідні теоретичні результати порівнювалися з експериментальними, та різниця між теоретичними та експериментальними результатами знаходиться в межах 10-15% залежно від прискорювальної напруги та розміру поверхні катода. Високовольтні електронні гармати тліючого розряду з такими параметрами за товщиною фокального кільця можуть бути успішно використані в прогресивних промислових адитивних технологіях тривимірного друку на металевих поверхнях шляхом рівномірного нагрівання за периметром рухомого дроту або стрижнів різного діаметра, в діапазон 0,5 – 10 мм.
Завантаження
Посилання
Wohlers Report 2023. Analysis. Trends. Forecasts. 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry. ASTM International. (2023). https://wohlersassociates.com/product/wr2023/
An Additive Manufacturing Breakthrough: A How-to Guide for Scaling and Overcoming Key Challenges. White Paper. World Economic Forum, edited by F. Betti, C. Seidel, M. Meboldt, (2022). https://www3.weforum.org/docs/WEF_Additive_Manufacturing_Breakthrough_2022.pdf
A Guide to Additive Manufacturing, edited by D. Godec, J. Gonzalez-Gutierrez, A. Nordin, E. Pei, and J.U. Alcazar, (Springer, 2022). https://doi.org/10.1007/978-3-031-05863-9
M. Armstrong, H. Mehrabi, N. Naveed, Journal of Manufacturing Processes, 84, 1001 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.10.060
Identifying current and future application areas, existing industrial value chains and missing competences in the EU, in the area of additive manufacturing (3D-printing). European Commission. Final Report. Brussels, 15th of July, 2016. https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/b85f5e09-7e2b-11e6-b076-01aa75ed71a1/language-en
W. Frazier, Journal of Materials Engineering and Performance, 23(6), (2014). https://doi.org/10.1007/s11665-014-0958-z
Additive Manufacturing for the Aerospace Industry, edited by: F. Froes, and R. Boyer, (Elsevier, 2019). https://doi.org/10.1016/C2017-0-00712-7
K. Taminger, and R. Hafley, “Electron beam freeform fabrication: A rapid metal deposition process,” Proceedings of the 3rd Annual Automotive Composites Conference, (Troy, MI, USA, September, 9–10, 2003.
S. Stecker, K.W. Lachenberg, H. Wang and R.C. Salo, in: Proceedings of FABTECH and AWS Welding Show, (Atlanta, GA, USA, 2006). pp. 35–46.
Patent #8,344,281 B2, 2013. (USA).
F. Pixner, F. Warchomicka, P. Patrick, A. Steuwer, H. Colliander, R. Pederson, and N. Enzinger, Materials, 13, 3310 (2020). https://doi.org/10.3390/ma13153310
W.J. Sames, F.A. List, S. Pannala, R.R. Dehoff, and S.S. Babu, International Materials Reviews. 61, 5 (2016). https://doi.org/10.1080/09506608.2015.1116649
I. Melnyk, S. Tuhai, O. Kovalenko, M. Skrypka, and D. Kovalchuk, in: 2024 IEEE 7th International Conference on Smart Technologies in Power Engineering and Electronics (STEE), (Kyiv, Ukraine, 2024), pp. TT3.01.1-TT3.01.6. https://doi.org/10.1109/STEE63556.2024.10748050
I.V. Melnyk, S.B. Tugay, V.O. Kyryk, and I.S. Shved, System Research and Information Technologies, 2021(3), 17 (2021). https://doi.org/10.20535/SRIT.2308-8893.2021.3.02 (in Ukrainian)
H. Xu, X. Sang, B. Yang, Y. Peng, and J. Fan, Chinese journal of vacuum science and technology, 41(3), 284 (2021). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjvst.202005028?viewType=citedby-info
Chang Jiawei, Li Shengbo, Lin Zhishu, Bai Fengmin, Li Guozheng, and Bai Zongzheng, Chinese journal of vacuum science and technology, 44(5), (2024). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjvst.202401009
Gu Liang, Yang Jie, Zhao Hua, Tan Wei, and Li Jinrong, Chinese journal of vacuum science and technology, 44(2), 184 (2024). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjvst.202306003
Qui Yufan, Li Shengbo, Zheng Xinjian, Fu Shengping, and Bai Fengmin, Chinese journal of vacuum science and technology, 41(11), 1094 (2021). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjvst.202101027
Deng Chenhui, Wang Yan, Liu Junbiao, and Han Li, Chinese journal of vacuum science and technology, 40(9), 847 (2020). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjovst.2020.09.09
Wang Jian, Chinese journal of vacuum science and technology, 40(4), 381 (2020). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjovst.2020.04.17
Xiang Yidong, Zhao Ding, Xue Qianzhong, and Li Xiaofei, Chinese journal of vacuum science and technology, 40(3), 226 (2020). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjovst.2020.03.08
Wang Yan, Zhao Weixia, Deng Chenhui, Liu Junbiao, and Han Li, Chinese journal of vacuum science and technology, 40(1), 1 (2020). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjovst.2020.01.01
Gu Yunting, Lin Yanjian, Yan Baojun, Liu Shulin, Yang Yuzhen, Yu Yang, Wen Kaile, and Wang Yuman, Chinese journal of vacuum science and technology, 39(12), 1009 (2019). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjovst.2019.12.11
Huo Weijie, Hu Jing, Cao Xiaotong, Fu Yulei, and Zhao Wansheng, Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 39(8), 631 (2019). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjovst.2019.08.03
Fu Xuecheng, Wang Ying, Quan Xueling, Ju Minni, and Wang Fengdan, Chinese journal of vacuum science and technology, 39(5), 396 (2019). http://cjvst.cvs.org.cn/en/article/doi/10.13922/j.cnki.cjovst.2019.05.07
S.V. Denbnovetsky, I.V. Melnyk, V.G. Melnyk, B.A. Tugai, and S.B. Tuhai, in: 2016 International Conference Radio Electronics & Info Communications UkrMiCo, (Kyiv, Ukraine, 2016). pp. 1–4. https://ieeexplore.ieee.org/document/7739615
S.V. Denbnovetsky, I.V. Melnyk, V.G. Melnyk, B.A. Tugai, and S.B. Tuhai, in: 2017 IEEE 37th International Conference on Electronics and Nanotechnology ELNANO, (Kyiv, Ukraine, 2017). pp. 369-373. https://ieeexplore.ieee.org/document/7939781
S.V. Denbnovetsky, V.I. Melnik, I.V. Melnik, and B.A. Tugay, in: XVIII-th IEEE International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, (ISDEIV, 1998, Eindhoven, The Netherland), vol. 2. pp. 637–640. https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=738530
I.V. Melnik, and S.B. Tugay, Radioelectronics and Communications Systems, 55(11), (2012). https://doi.org/10.3103/S0735272712110064
I. Melnyk, S. Tuhai, M. Skrypka, T. Khyzhniak, and A. Pochynok, in: Information and Communication Technologies and Sustainable Development. ICT&SD 2022. Lecture Notes in Networks and Systems, edited by S. Dovgyi, O. Trofymchuk, V. Ustimenko, and L. Globa, vol. 809, (Springer, 2023). pp. 395–427. https://doi.org/10.1007/978-3-031-46880-3_24
I. Melnyk, A. Pochynok, and M. Skrypka, System Research and Information Technologies, 2024, #4. (2024). https://doi.org/10.20535/SRIT.2308-8893.2024.4.11 http://journal.iasa.kpi.ua/issue/view/18934/11880
I. Melnyk, A. Pochynok, M. Skrypka, System Research and Information Technologies, 2024(3), (2024). https://doi.org/10.20535/SRIT.2308-8893.2024.3.05
W. McKinney, Python for Data Analysis: Data Wrangling with Pandas, NumPy, and Jupyter, 3rd Edition, (O'Reilly Media, 2023).
F. Chollet, Deep Learning with Python. Second Edition. (Manning, 2022).
M. Lutz, Learning Python, Fifth Edition. (O'Reilly, 2013).
S. Schiller, U. Heisig, and S. Panzer, Electron Beam Technology, (New-York, John Wiley & Sons, 1995).
M. Szilagyi, Electron and Ion Optics, (Springer Science & Business Media, 2012).
E. Kasper, and P. Hawkes. Principles of Electron Optics: Applied Geometrical Optics. (Elsevier Science, 1989).
P. Grivet, P.W. Hawkes, and A. Septie, Electron Optics, (Elsevier, 2013).
Electron Beams, Lenses, and Optics, edited by A. B. El-Kareh, (Academic Press, 2012).
B.M. Smirnov, Theory of Gas Discharge Plasma, (Springer, 2015).
M.A. Lieberman, and A.J. Lichtenberg. Principles of Plasma Discharges for Materials Processing, (New York, Wiley Interscience, 1994).
Yu.P. Raizer, Gas Discharge Physics, (New York: Springer, 1991).
J.F. Epperson, An Introduction to Numerical Methods and Analysis, Revised Edition, (Wiley-Interscience, 2007).
M.K. Jain, S.R.K. Iengar, and R.K. Jain, Numerical Methods for Scientific & Engineering Computation. (New Age International Pvt. Ltd., 2010).
S.C. Chapra, and R.P. Canale, Numerical Methods for Engineers, 7th Edition, (McGraw Hill, 2014).
R.L. Burden, J.D. Faires, and A.M. Burden, Numerical Analysis, (Cengage Learning, 2015).
T. Sauer, Numerical Analysis, (Pearson, 2017).
R.W. Hamming, Numerical Methods for Scientists and Engineers, (Dover Publications, 1987).
E. Isaacson, and H.B. Keller, Analysis of Numerical Methods, (Dover Publications, 1994).
F.B. Hildebrand, Introduction to Numerical Analysis, (Dover Publications, 1987).
A. Greenbaum, and T.P. Chartier, Numerical Methods: Design, Analysis, and Computer Implementation of Algorithms. (Princeton University Press, 2012).
A.J. Salgado, and S.M. Wise, Classical Numerical Analysis: A Comprehensive Course. (Cambridge University Press, 2023).
D.E. Stewart, Numerical Analysis: A Graduate Course, (Springer; 2022).
J.H. Mathews, and K.D. Fink, Numerical Methods. Using Matlab, third edition (Amazon, 1998).
V.G. Rudychev, M.O. Azarenkov, I.O. Girka, V.T. Lazurik, and Y.V. Rudychev, Radiation Physics and Chemistry, 206, 110815 (2023). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2023.110815
V.G. Rudychev, V.T. Lazurik, and Y.V. Rudychev, Radiation Physics and Chemistry, 186, 109527 (2021). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109527
V. Lazurik, S. Sawan, V. Lazurik, and O. Zolotukhin, in: 4th International Maghreb Meeting of the Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering Proceedings, (IEEE, Maghreb, 2024), pp. 649–653. https://doi.org/10.1109/MI-STA61267.2024.10599694
G. Lewin, Fundamentals of Vacuum Science and Technology. (McGraw-Hill, 1965).
J.M. Lafferty. Foundations of Vacuum Science and Technology. (John Wiley & Sons, 1998).
Авторське право (c) 2025 Ігор В. Мельник, Сергій Б. Тугай, Михайло Ю. Скрипка, Микола С. Суржиков, Олександр М. Коваленко, Дмитро В. Ковальчук
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
