НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РАСЧЕТА ТОКОВ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ЗАРЯД ЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ВАННЕ
Расчёт физических полей методами моделирования, Б.А.Волынский, 1968

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РАСЧЕТА ТОКОВ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ЗАРЯД ЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ВАННЕ

В связи с широким распространением метода электролитической ванны для моделирования электронно-оптических систем и использованием автоматизированной аппаратуры для построения траекторий электронов большое значение приобретает автоматизация процесса расчета токов, моделирующих пространственный заряд, поскольку именно этот вопрос в основном ограничивает производительность труда при работе на ванне.

В настоящей статье мы кратко изложим некоторые соображения, которые возникли в связи с испытанием и эксплуатацией различных вариантов систем автоматизации указанных расчетов.

Все рассматриваемые варианты систем автоматизации расчетов токов, протекающих по токовводящим элементам (т. в. э.), относятся к случаю, когда построение траекторий производится автоматическим траектографом, воспроизводящим «динамическую модель» электрона, и когда процесс расчета токов т. в. э. так или иначе объединяется с процессом построения траекторий [1. 2].

6 Заказ 1148

Величина тока т. в. э., который нужно ввести в некоторый участок электролита для моделирования поля объемного заряда при решении плоской задачи, определяется выражением

(1>

° i= 1

где N — число траекторий, проходящих через данный участок междуэлектродного пространства;

Р — пространство между траекториями вблизи катода;

А, и h — электропроводность и глубина электролита;

kv — отношение скорости электрона к скорости движения зон-дового устройства траектографа; ti — интервал времени, в течение которого зондовое устройство находилось в пределах данного участка при построении i-й траектории;

ji — плотность тока с того участка катода, от которого начинается i-я траектория.

Эта величина определяется обычно по «закону 3/2». При решении осесимметричных задач величина тока т. в. э.

= (2) /= 1

где © — угол наклона ванны;

Ri — расстояние от линии берега до точки выхода i-й траектории из катода.

Основной функцией автоматизированных систем для расчета токов т. в. э. является подсчет сумм, входящих в выражение (1) или (2).

Наиболее простым способом частичной автоматизации указанных расчетов является «метод точек» [1, 2]. При использовании этого метода пишущее устройство траектографа питается импульсным напряжением, причем частота импульсов для каждой траектории задается пропорциональной произведению плотности тока с катода на глубину и электропроводность электролита.

Число точек, нанесенных пишущим устройством траектографа на некотором участке картины поля, пропорционально величине тока, который согласно выражению (1) нужно ввести в соответствующий участок электролита. Длительный опыт использования «метода точек» показывает, что этот метод значительно сокращает трудоемкость процессов моделирования, но обладает определенными недостатками. Основным недостатком является трудность подсчета числа точек в отдельных участках поля, в которых плотность заряда велика и где точки могут частично накладываться друг на друга (вблизи катода). Взаимное наложение точек возможно также при моделировании систем с неламинарными потоками. Это заставляет оператора весьма внимательно наблюдать за ходом построения траекторий, а в некоторых участках вести счет точкам одновременно с их нанесением, что затрудняет процесс работы.

Более совершенными являются варианты вычислительных устройств, в которых для подсчета сумм в выражениях (1) и (2) применяются суммирующие ячейки. Эти ячейки могут работать на постоянном токе или в импульсном режиме, подсчитывая число импульсов в соответствии с «методом точек» (в этом случае в качестве таких ячеек могут, в частности, использоваться обычные счетчики импульсов). В последнем случае эти ячейки будут интегрирующими. Могут также применяться суммирующие ячейки, построенные на основе цифровой вычислительной техники.

Создание достаточных простых и точных суммирующих ячеек для указанной цели не представляет трудностей

Если число суммирующих ячеек меньше числа токовводящих элементов в ванне, то перед началом работы по моделированию оператор должен выполнить следующие предварительные операции:

1.    Разбить междуэлектродное пространство на участки, которые будут обслуживаться отдельными суммирующими ячейками и токовводящими элементами. Эти участки выбираются в зависимости от особенностей исследуемой электронно-оптической системы.

2.    Подсоединить токовводящие элементы к определенным регулирующим ячейкам (а также провести необходимую групповую коммутацию токовводящих элементов).

3.    Провести предварительную коммутацию для адресации суммирующих ячеек к определенным участкам междуэлектрод-ного пространства.

Если число суммирующих ячеек равно числу токовводящих элементов, то необходимость указанных предварительных операций отпадает, так как каждой суммирующей ячейке всегда соответствует определенный элемент площади ванны, а каждый токовводящий элемент постоянно связан с определенной регулирующей ячейкой.

После моделирования системы в каждом приближении производится регулировка величины токов т. в. э. в соответствии с результатами суммирования. Эта регулировка может быть ручной или автоматической.

При выборе степени автоматизации необходимо учитывать реальный выигрыш в производительности труда и соразмерить его со сложностью разработки и изготовления соответствующей аппаратуры и ее стоимостью. Если повышение уровня автоматизации приводит к резкому усложнению применяемой аппаратуры, но дает при этом сравнительно малый выигрыш в производитель-

ности труда и не представляет принципиально новых возможностей, то создание таких систем не может быть признано целесообразным.

Распределение затрат времени в минутах между всеми операциями процесса моделирования для задачи средней сложности (10 траекторий, 5 последовательных приближений) может быть грубо оценено следующим образом:

1.    Предварительные операции по калибровке и проверке траектографа .................15

2.    Установка модели в ванне и перенесение контуров

электродов на бумагу ............... 30

3.    Разделение между электродного пространства на

участки .....................20

4.    Коммутация токовводящих    элементов.......20

5.    Адресация суммирующих ячеек    ..........20

6.    Построение траекторий (во    всех    приближениях) . . 100

7.    Регулировка токов т. в. э. (во всех приближениях; при ручной регулировке с установкой токов по нуль-индикаторам при использовании 40 ячеек) . . 15

Всего....................220

Из приведенных данных следует, что исключение операций

3—5 (при создании систем с числом суммирующих ячеек, равным числу т. в. э.) приводит к сокращению затрат времени приблизительно на 30%, а переход от ручной регулировки токов т. в. э. к автоматической — еще всего на 7%. В то же время чрезвычайно сильно возрастает сложность системы, если учитывать, что для большинства задач при соответствующем разделении междуэлек-тродного пространства на участки достаточно 30—40 ячеек, в то время как число т. в. э. обычно составляет 1,5—2,0 тыс. Кроме того, если при малом числе ячеек вполне можно ограничиться ручной регулировкой токов т. в. э., то при большом их числе необходимо переходить на автоматизацию этой операции.

В результате испытаний в условиях практической эксплуатации различных вариантов устройств для автоматизации процесса расчета токов т. в. э. мы остановились на компромиссном варианте, который обеспечивает удовлетворительную производительность и одновременно является достаточно простым для осуществления в лабораторных условиях.

Это устройство (блок-схема его приведена на рисунке) включает в себя следующие основные элементы.

1. Функциональный блок, вырабатывающий постоянный ток, пропорциональный величине функции f\ (для случая плоских задач) или функции /2 (для случая осесимметричных задач):

,    Мф?/2    _ t

/1 —    п    >    /2 —


а?


а?


где фг — потенциал на расстоянии а* от катода.

84

Произведение Xh задается с помощью измерительного зонда, помещенного в ванне, а величины <р*, аг-, /?* устанавливаются по лимбам функциональных потенциометров.

2. Суммирующие ячейки, представляющие собой математические конденсаторы, включаемые поочередно в цепь отрицательной обратной связи усилителя постоянного тока УПТ, на вход которого поступает ток от функционального блока. Число суммирующих ячеек от 30 до 40, усилитель постоянного тока один, общий для всех ячеек.

Суммирующие ячейки

Блок-схема устройства автоматизации процесса расчета токов т. в. э.


3.    Регулирующие ячейки для задания токов т. в. э., состоящие из потенциометров и измерительных шунтов (число регулирующих ячеек равно числу суммирующих).

4.    Схема сравнения, состоящая из демодулятора и нуль-инди-катора.

5.    Система коммутации интегрирующих и регулирующих ячеек, включая в себя клавишный переключатель с самофиксирую-щимися клавишами и шаговый искатель.

6.    Схема калибровки устройства (на блок-схеме не показана).

Одной из отличительных особенностей данного устройства является применение клавишного переключателя для адресации суммирующих ячеек. Участки, на которые разбивается между-электродное пространство, предварительно нумеруются. Оператор, наблюдая за процессом построения траекторий, подключает в цепь усилителя постоянного тока конденсаторы суммирующих ячеек с номерами, соответствующими участкам, в пределах которых находится пишущее устройство траектографа. После построения всего семейства траекторий конденсаторы поочередно подключаются к усилителю постоянного тока шаговым искателем. Одновременно вход схемы сравнения подсоединяется к измерительным шунтам в цепях соответствующих т. в. э. Регулируя токи т. в. э., оператор с помощью нуль-индикатора устанавливает соответствие между величинами этих токов и зарядами на соответствующих конденсаторах. При этом отсутствует необходимость проведения количественных отсчетов по каким-либо приборам. Длительность процесса регулировки токов в 40 ячейках составляет 2—3 мин. После того, как все токи отрегулированы, заряды на всех конденсаторах сбрасываются, и оператор переходит к моделированию следующего приближения.

Введение ручной операции по переключению суммирующих ячеек в процессе построения траекторий может показаться не достаточно техничным решением. Однако сравнительные испытания различных способов адресации ячеек показали определенные преимущества этого варианта. Во-первых, отпадает необходимость какой-либо предварительной коммутации для адресации суммирующих ячеек, благодаря чему производительность труда несколько возрастает. Во-вторых, весьма упрощается схема всего устройства.

В настоящее время все траектографы, находящиеся у нас в эксплуатации, оснащаются подобными устройствами для расчета токов т. в. э.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шепсенвол М. А. Журнал теоретической физики. Т. XXXI, вып. 3, 1961, стр. 286—296.

А. Л. Кошелев, О. А. Балышев