Новости

7 декабря, 2021 16:55

Ученые рассчитали, как получить мощные испускатели электронов для микроскопов и ускорителей частиц

Источник: Портал RusNanoNet
Российские ученые представили математическую модель, которая объяснила, как можно на несколько порядков повысить плотность тока холодной полевой эмиссии. В результате последней удается получить поток электронов без дополнительной энергии при воздействии на особый материал внешнего электрического поля.
Источник: CERN

Расчеты авторов помогут разработать сильноточные и надежные источники для мощных ускорителей частиц, микроскопов, терагерцовых и СВЧ-устройств, кинескопов и других приборов.

Устройства вроде электронных микроскопов, ускорителей частиц и прочих мощных агрегатов требуют больших потоков электронов, многократно превышающих те, что протекают внутри наших гаджетов и по проводам домашней бытовой техники. За испускание электронов в них отвечают эмиттеры — твердые материалы или жидкости, способные при приложении внешнего электрического поля высвобождать электроны.

Особый интерес представляют вакуумные резонансные туннельные триоды и тетроды. Они не требуют много энергоресурсов, поскольку испускают холодные электроны, то есть не приобретающие дополнительную энергию при выходе из материала. Структуры-эмиттеры довольно компактные, но работают с большой эффективностью. Устройство триода очень простое: анод, от которого электроны идут к другому компоненту системы — катоду, и между ними управляющая сетка. На нее подают внешний усиливаемый работой триода сигнал. В тетроде добавляется еще одна сетка, экранирующая: при подаче на нее напряжения электроны разгоняются еще больше.

«Для разных задач нужен ток частиц с определенными характеристиками, что можно настраивать как при создании сеток, так и в процессе работы, изменяя внешние сигналы и поля, — рассказывает Михаил Давидович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиотехники и электродинамики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского (Саратов). — Часто бывает нужно, чтобы поток был более плотным, то есть с единицы поверхности выходило больше электронов. Мы придумали, как это можно сделать, не меняя устройства триода или тетрода».

Сотрудники Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Саратов) и Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова (Москва) представили модели для расчета тока электронов в триоде и тетроде, где сетки сделаны из углеродных нанотрубок. В основе механизма прохождения частиц в этих системах лежит туннелирование: электрон встречает на своем пути энергетический барьер, то есть, чтобы перебраться через него на другую сторону, он должен обладать энергией выше той, которую имеет. В нашем классическом реальном мире это сродни попытке пробиться сквозь бетонную стену, но в квантовом мире (с учетом приложения к управляющей сетке напряжения) это возможно.

Предложенная модель имеет три барьера и две ямы между ними. Преодолев один барьер, электроны попадают в энергетическую яму, созданную сеткой, но из-за особенностей квантового мира они не упадут на дно: частички будут колебаться примерно на одном уровне. При этом «ресурсов» осталось меньше, энергия как прошедших электронов, так и всей системы истощается — в результате новая стена становится чуть ниже. И вот на сетку снова подается напряжение, запускается туннелирование через следующий барьер в другую яму, и так до тех пор, пока электрон не достигнет конечной точки — катода.

«Эти процессы можно сравнить с бегом с препятствиями. Проще преодолеть на инерции десяток последовательных барьеров, чем один. Так и в случае электрона — чем больше препятствий (а на самом деле ям, создаваемых сетками), тем эффективнее и быстрее его прохождение в триоде и тетроде, — подводит итог руководитель проекта профессор, доктор физико-математических наук Ольга Глухова. — Наша модель подробно описывает происходящее, и ее можно использовать при разработке мощных эмиттеров для устройств самого разного предназначения».

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах Journal of Applied Physics.



20 января, 2022
«Такое изделие необходимо и востребованно»: профессор МАИ — о новом высокоэффективном водородном сенсоре
В 2023 году коллектив Московского авиационного института завершит разработку селективного сенсора, с...
19 января, 2022
Разработан метод выделения урана из радиоактивных отходов
Ученые Уральского федерального университета придумали, как перерабатывать радиоактивный урансодержащ...