Дипломная работа: Исследование свойств времяпролетной фокусировки двумерной электронной линзы

Содержание

Введение....................................................................................................................... 7
1. Аналитическая часть проекта ................................................................................ 9
1.1 Описание предметной области .......................................................................... 9
1.2 Обзор аналогов .................................................................................................... 9
1.3 Постановка задачи............................................................................................. 11
1.4 Цель дипломного проекта ................................................................................ 11
1.5 Цель и назначение программного обеспечения ............................................. 11
1.6 Актуальность программного обеспечения ..................................................... 11
1.7 Выбор языка и средства программирования .................................................. 11
1.8 Требования к программному обеспечению.................................................... 12
2 Проектная часть...................................................................................................... 13
2.1 Понятие электронной линзы ............................................................................ 13
2.2 Расчёт поля......................................................................................................... 16
2.2.1 Уравнение Лапласа ...................................................................................... 17
2.2.2 Общее представление ряда.......................................................................... 17
2.3 Уравнения движения......................................................................................... 18
2.4 Время пролета в двумерной электронной линзе............................................ 20
2.5 Электронно-оптические свойства.................................................................... 22
2.6 Используемые в работе численные методы ................................................... 24
2.6.1 Метод Рунге-Кутты четвёртого порядка ................................................... 25
2.6.2 Метод Симпсона для численного определения интегралов .................... 25
2.7 Инструкция по применению ............................................................................ 26
3. Технико-экономическое обоснование проекта .................................................. 44
3.1 Описание работы и обоснование необходимости ......................................... 44
3.2 Трудовые ресурсы, используемые в работе ................................................... 44
3.3 Расчет стоимости работы по проектированию и разработке ....................... 44
3.4 Расчет затрат на разработку программного обеспечения ............................. 50
3.5 Цена интеллектуального труда (программного продукта и НИР (ОКР)) ... 54
4. Технические решения безопасности труда......................................................... 56
Заключение ................................................................................................................ 68
Список использованной литературы....................................................................... 69
Приложение А ........................................................................................................... 70
Аналитическая часть проекта
1.1 Описание предметной области
Электронная оптика -дисциплина, занимающаяся
вопросами формирования, фокусировки и транспортировки пучков заряженных частиц, в
частности электронов, в магнитных и электрических полях. Практич еское
применение -формирование пучка электронов, и управление им, например,
в электронно - лучевых трубках .
Изображение отдельных атомов впервые было получено при помощи
просвечивающего электронного микроскопа, в котором электроны с энергией
несколько мега электрон-вольт,сформированные в пучки, дали не
теоретическое, а наглядное изображение атомов.
Электронная оптика применяется для расчётов, проектирования и
эксплуатации устройств, оперирующих пучками заряженных частиц, в первую
очередь это ускорители, каналы транспортировки пучка и т.д.
Электронные линзы-устройства, создающие магнитные или
электрические поля для фокусировки электронных пучков, их формирования и
получения электронно -оптических изображений (аналогичные устройства для
ионных пучков наз. ионными линзами). Их классифицируют по типу поля
(магнитные, электростатические), по виду симметрии (осе - симметричные,
цилиндрические, квадрупольные и др.) и по др. характерным признакам.

1.2 Обзор аналогов

Так как данная область физики малоизучена, соответственно
программная часть ее плохо развита. Именно поэтому данную программу
можно считать одной из новых.
Существуют аналогичные программы, такие как «OPAL».
«OPAL» - пакет программ по расчету (анализ качества, синтез из
модулей, оптимизация, расчет технологических допусков, каталоги стекол
широкого класса оптических изображающих систем - центрированных и
децентрированных с переменными характеристиками и прочее) для IBM
PC/DOS и EC ЭВМ/IBM 370. Разрабатывался по заказу компетентных органов в
ЛИТМО на протяжении 70-х, 80-х и начала 90-х годов коллективом ученых и
программистов под руководством профессора Родионова.
Программа имеет достаточно понятный и красочный интерфейс в DOSе.
На рисунке 1.1 можно увидеть интерфейс программы, возможность настраивать
длины волн, диафрагму, смещение и многое другое.
Рисунок 1.1 - Интерфейс программы OPAL

Так же есть возможность построения графического изображения
движения частиц (Рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 - Графики движения частиц электронной линзы в программе OPAL

Программа OPAL в отличие от данного дипломного проекта имеет
сложности в установке. Системы DOS крайне устарели и на сегодняшний день
, многим новым пользователя становится все труднее устанавливать и работать
в данной системе. Именно поэтому данный программный продукт имеет
актуальность, за счет крайне легкого и удобного интерфейса и более
углубленного изучения конкретного вида линзы.
1.3 Постановка задач
Главная задача программного продукта расчета характеристик
времяпролетных характеристик двумерной линзы сводится к расчету поля
линзы и поведения движения (траектории) пучка электронов в этом поле и
самое главное – представления этих результата этих решений графически.
Программа создается в несколько этапов:
•для расчета поля линзы создается небольшой графический интерфейс,
который подкрепляется добавлением формул и начальных данных;
• далее создаются(вводятся) графики, которые строятся по данным расчета;
•далее компилируется код, ищутся ошибки, баги;
закрепляется все графическим интерфейсом, понятным для любого пользователя.
1.4 Цель дипломного проекта
Целью дипломного проекта является разработка программного продукта
по нахождению свойств времяпролетных характеристик двумерной электронной линзы понятного для типичного пользователя, обладающего хотя
бы начальными знаниями в области электронной оптики.
1.5 Цель и назначение программного обеспечения

Целью программного обеспечения является предоставление возможности
углубленного исследования времяпролётных характеристик электронного
пучка при его прохождении через конкретную электронную линзу, в данном
случае – двумерную.
Назначение программного обеспечения – снижение времени расчетов,
связанных с нахождением характеристик поля линзы, времяпролётных
характеристик, путем использования компьютера, а также предоставление
графиков траектории электронного пучка.

1.6 Актуальность программного обеспечения

Данный дипломный проект считается актуальным, в связи с крайне малой
степенью изученности данной области физики и неимением ее программной
части, а также очень малого числа конкурентоспособных аналогов.

1.7 Выбор языка и средства программирования

Данной программное обеспечение написано на языке Delphi. Программа
писалась в среде Borland Delphi 7.
Главными отличительными чертами данного языка Delphi являются
императивность, структурированность и объектно-ориентация языка, т.е.
созданные подпрограммы можно вызывать в любой части всей программы, что
крайне облегчает программирование в данной среде.
Программ не требует вмешательства сторонних программ или другого
программного обеспечения. Время установки занимает до 10 минут. Программу
можно открывать в любом другом месте после ее создания.

1.8 Требования к программному обеспечению

Минимальные системные требования:
• операционная система: Microsoft Windows XP;
• процессор: 32-битный с тактовой частотой 700 МГц;
• оперативная память: 512 MB RAM или выше;
• графическая карта VGA или выше;
• жёсткий диск: 20 MB свободного места.

Рекомендуемые системные требования:
• операционная система: Microsoft Windows XP и выше;
• процессор: 32-битный с тактовой частотой 1000 МГц и выше;
• оперативная память: 1 GB RAM и выше;
• графическая карта VGA или выше;
• жёсткий диск: 20 MB свободного места для установки и 100 МВ
дополнительного свободного места.
2 Проектная часть
2.1 Понятие электронной линзы
Современное развитие многих отраслей естественных наук тесно связано
с использованием электронно-вычислительных машин (ЭВМ), которые дают в
руки исследователей эффективное средство для математического
моделирования сложных задач науки и техники. В его основе лежит решение
уравнений математической модели численными методами.
Одним из весьма распространенных применений численных методов
являются расчеты электронно-оптических систем (ЭОС) - основных узлов
электронно-лучевых приборов (ЭЛП). Повышение точности расчетов ЭОС
способствует улучшению технических характеристик приборов. Это требует
разработки эффективных алгоритмов для практических расчетов ЭЛП. Такие
алгоритмы дают возможность заменить длительный и дорогостоящий
технологический эксперимент расчетом на ЭВМ с выбором наилучшего
решения разнообразных и сложных по геометрии ЭОС. Весьма актуальной
задачей в настоящее время является автоматизация расчетов ЭОС на ЭВМ.
В основе расчета ЭОС лежит задача нахождения потенциала
электростатического поля, которое создается системой электродов. С
математической точки зрения она сводится к решению задачи Дирихле для
уравнения Лапласа в пространстве.
Электронные линзы-устройства, создающие магнитные или
электрические поля для фокусировки электронных пучков, их формирования и
получения электронно -оптических изображений (аналогичные устройства для
ионных пучков наз. ионными линзами). Их классифицируют по типу поля
(магнитные, электростатические), по виду симметрии (осе - симметричные,
цилиндрические, квадрупольные и др.) и по др. характерным признакам.
В электронных линзах воздействие на электронные пучки осуществляется
электрическими или магнитными полями; эти линзы называются
соответственно электростатическими или магнитными. Электронные линзы
классифицируют по виду симметрии их поля и по его другим хара ктерным
признакам.
В некоторых электростатических электронных линзах одним из
электродов служит катод, испускающий электроны (катодные линзы). Линза
подобного типа ускоряет испущенные катодом электроны и формирует из них
электронный пучок. Катодная электронная линза, состоящая лишь из двух
электродов – катода и анода, не может фокусировать электронный пучок,
именно с этой целью в систему вводят дополнительный электрод, ко торый
называется фокусирующим (Рисунок 2.1)
Рисунок 2.1 - Катодная электронная линза

где 1 - катод;
2 - фокусирующий электрод;
3 - анод.
В данном дипломном проекте, основным объектом расчета и изучения
является двумерная электронная линза.
Двумерные (электронные) линзы являются одним из самых старых
фокусирующим элементом в электронной оптике. Их название отталкивается от
вида их поля: в области, где происходит исследование, далеко от краев оно
практически не изменяется в одном из направлений, т.е. может считаться
двумерным. В следствии чего фокусировка в данном направлении отсутствует,
что делает линзы похожими (аналогичными) стеклянным цилиндрическим
линзам. Отсюда и появилось название двумерных линз – цилиндрические.
Электроды двумерных цилиндрических линз представляют собой плоские
пластины, один из размеров которых существенно больше другого. Они могут
находиться параллельно оси пучка, совмещенной оси z ( Рисунок 2.2) или
перпендикулярно к ней (Рисунок 2.3)
Рисунок 2.2 - Расположение электродов двумерной цилиндрической
линзы, расположенные параллельно оси пучка.
Рисунок 2.3 - Расположение электродов двумерной электрической линзы,
расположенные перпендикулярно оси пучка.
На рисунке 2.2 каждый электрод линзы образуется парой пластин,
симметрично расположенных относительно плоскости
имеющих(находящихся) один потенциал. На рисунке 2.3 электродом является
цельная пластина, в которой проделано щелевое отверстие. Из - за того, что
размер отверстия в плоскости симметрии xz , называемой средней, гораздо
больше его размера в перпендикулярном направлении, то такие двумерные
линзы применяются для фокусировки ленточных пучков. Примерами таких
служат ионные источники и призменные анализаторы.
Двумерная цилиндрическая линза, как и осесимметричная, может быть
иммерсионной и одиночной. Различия состоят в количестве электродов. У
иммерсионных линз минимальное число электродов - два. У одиночных - три.
Системы, состоящие из трехэлектродных двумерных линз, изображенные
на рисунке 2.2, используются в призменных спектрометрах, а так же в виде
отдельных элементов этих приборов, так и в составе электростатических призм.
Но при таких условиях они работают при телескопическом режиме.
Телескопический режим - режим, при котором падающий на линзу
параллельный пучок остается параллельным, даже после прохождения поля.
Поскольку все двумерные цилиндрические линзы всегда являются
собирающими, телескопический режим может быть только при существовании
промежуточного фокуса внутри системы. Подобные режим подбираются путем
регулирования потенциала на электродах.
Если двумерная система является частью призмы и наряду с
фокусировкой пучка обеспечивает его разделение по энергии, пучок
заряженных частиц направляется в такую систему под значительным углом к
плоскости xz.....