Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект № 21-72-0006 "Генерация потоков моноэнергетических электронов при пироэлектрическом эффекте в монокристаллах танталата и ниобата лития", поддержанный Российским Научным Фондом посвящен исследованию эффекта генерации моноэнергетических электронов при пироэлектрическом эффекте, а также исследованию сопутствующего эффекта генерации рентгеновского излучения. Подобный способ генерации и ускорения частиц относится к группе методов ускорения частиц при электризации объемных диэлектриков в условиях вакуума различными путями (конкретно в данном проекте путем изменения температуры монокристаллов танталата и ниобата лития). Актуальность решения задач, поставленных в проекте, обусловлена сильной потребностью в компактных источниках и ускорителях частиц для решения ряда задач, в которых требуются пониженное энергопотребление, малые размеры, относительная безопасность источника и ускорителя частиц. Предлагаемый путь имеет самые многообещающие перспективы для удовлетворения этой потребности. На первый год были поставлены следующие задачи: - построение вольт-амперной характеристики (ВАХ) электронного потока, эмитирующего от поверхности пироэлектрического кристалла ниобата/танталата лития; - исследование индукции заряда на поверхности кристалла и сравнение с кривой тока эмиссии при идентичном термическом воздействии; - определение условий стабильности генерируемых потоков электронов и рентгеновского излучения при длительном термоциклировании от различных параметров. Все задачи являются экспериментальными и решались на опытно-экспериментальной установке, которая есть в распоряжении участников проекта. Для выполнения поставленных задач была предложена специальная геометрия пироэлектрического источника, которая позволяет одновременно проводить измерения спектров электронов, рентгеновского излучения, а также тока электронов в промежутке между кристаллом и мишенью. Можно выделить следующие важные результаты: - Исходя из построенной ВАХ удалось идентифицировать нестандартный лавинный разряд, который развивается при осуществлении пироэлектрического эффекта в вакууме. Форма ВАХ наблюдаемого разряда ближе к ВАХ Таунсендовского разряда, однако условия протекания обоих разрядов кардинально различаются. Точное определение механизма наблюдаемого разряда требует отдельных исследовании. Отметим, что лавинный разряд вызывает общее усиление потока генерируемых электронов, а также усиление и стабилизацию энергии потока, поэтому с практической точки зрения, является очень полезным явлением, в отличие от стандартных электрических пробоев, которые нарушают генерацию частиц при пироэлектрическом эффекте. - Было установлено, что существует "чистый" режим, когда форма тока эмиссии имеет такая же, как и у пироэлектрического тока (ток индукции на поверхность кристалла), при этом потери на ток эмиссии составляет около 8%, как для ниобата лития, так и для танталата лития. Кроме того, существует еще режим лавинного разряда, когда подобие форм тока, регистрируемого с поверхности кристалла и с мишени, нарушается, и оценить потери индуцируемого заряда на ток эмиссии, на данный момент, затруднительно. - Анализ экспериментальных данных прежних измерении, а также дополнительные специальные измерения позволили определить условия стабильности генерируемого рентгеновского излучения и электронного потока в течение продолжительного термоциклирования. Из параметров регистрируемых спектров электронов и рентгеновских фотонов были выведены специальные индикаторы, по поведению которых, в течение фазы отрицательной полярности можно заранее предсказывать наступление электрического пробоя при работе пироэлектрического источника частиц. Тем самым, предложен способ диагностики состояния устройства, который будет реализован на исследуемом эффекте, что является важным шагом вперед к индустриальным разработкам пироэлектрических ускорителей. Данный результат был опубликован в журнале Applied Physics Express (Q1). Таким образом, промежуточные результаты проекта уже имеют как фундаментальную ценность для физики разрядов, так и практическую ценность для разработки компактных и экономически выгодных ускорителей и источников частиц.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект № 21-72-0006 "Генерация потоков моноэнергетических электронов при пироэлектрическом эффекте в монокристаллах танталата и ниобата лития", поддержанный Российским Научным Фондом посвящен исследованию эффекта генерации моноэнергетических электронов при пироэлектрическом эффекте, а также исследованию сопутствующего эффекта генерации рентгеновского излучения. Подобный способ генерации и ускорения частиц относится к группе методов ускорения частиц при электризации объемных диэлектриков в условиях вакуума различными путями (конкретно в данном проекте путем изменения температуры монокристаллов танталата и ниобата лития). Актуальность решения задач, поставленных в проекте, обусловлена сильной потребностью в компактных источниках и ускорителях частиц для решения ряда задач, в которых требуются пониженное энергопотребление, малые размеры, относительная безопасность источника и ускорителя частиц. Предлагаемый путь имеет самые многообещающие перспективы для удовлетворения этой потребности. На второй год проекта были поставлены следующие задачи: - исследовать влияние различных параметров (давление остаточного газа, расстояние между пироэлектриком и мишенью, геометрия и материал мишени, амплитуда и частота термического воздействия) на вольт-амперную характеристику (ВАХ) генерируемого электронного потока при пироэлектрическом эффекте; - определить влияние флуктуации и изменении параметров термического воздействия на стабильность генерации частиц при пироэлектрическом эффекте; - провести компьютерное моделирование конфигурации электрического поля в пространстве между пироэлектриком и мишенью с целью определения влияния формы распределения заряда на величину генерируемого электрического потенциала и динамику движения электронов; Две задачи из трех являются экспериментальными и решались на опытно-экспериментальной установке, которая есть в распоряжении участников проекта. Для выполнения поставленных задач была предложена специальная геометрия пироэлектрического источника, которая позволяет одновременно проводить измерения спектров электронов, рентгеновского излучения, а также тока электронов в промежутке между кристаллом и мишенью. Для определения влияния флуктуации и изменении параметров термического воздействия, система отвода-подвода тепла экспериментальной установки была модифицирована, что позволило в меньшей степени зависеть от внешних климатических условии. Третья задача решалась при помощи пакета COMSOL Multiphysics. Можно выделить следующие важные результаты. - Форма ВАХ электронного потока довольна чувствительна к давлению остаточного газа и параметрам температурного воздействия. Геометрические параметры (площадь мишени и расстояние между кристаллом и мишенью) также оказывают определенное влияние на ВАХ, однако ее основной ход остается в принципе прежним. При этом, ВАХ чувствительна к материалу мишени. Лавинный разряд, наблюдаемый при пироэлектрическом эффекте, становится слабее с уменьшением коэффициента вторичной эмиссии у материала мишени, что наглядно указывает на роль вторичной электронной эмиссии в протекании разряда. Отметим, что при этом растет и энергия пика электронов, хотя эффект ее стабилизации слабеет. Таким образом, неоднократно ранее замеченный эффект длительной моноэнергетичности электронного потока оказывается связан с явлением вторичной электронной эмиссии и напрямую зависит от материала мишени. - Смещение температурных осцилляции (или изменение пределов варьирования температуры) является ключевым показателем (возможно даже более важным, чем давление остаточного газа и расстояние между кристаллом и мишенью), который имеет линейную корреляцию с показателем стабильности генерации рентгеновского излучения. Кроме того, существуют определенные значения стартовой и конечной фазы варьирования температуры, при которых наиболее стабильно воспроизводится генерация частиц. Можно выделить следующие параметры, при которых генерация частиц при пироэлектрическом эффекте должна быть наиболее привлекательна для практических приложении. 1. Скорость смещения осцилляции температуры не должна превышать 0.03 °С/мин. 2. Начальная фаза варьирования температуры - ± π/2, т.е. первая термическая фаза занимает половину времени от продолжительной полноценной термической фазы. 3. Конечная фаза варьирования температуры – около π/10 или 11π/10 (когда ток электронов в цепи приблизительно равен нулю) Кроме того, можно выделить следующие тенденции: большая площадь мишени и большее расстояние между кристаллом и мишенью способствуют более стабильному характеру генерации рентгеновского излучения. - Неравномерное распределение заряда согласно работе R. Ghaderi and F.A. Davani, Appl. Phys. Lett. 105 (2014) позволяет получить хорошее согласие между расчетными значениями генерируемой разности потенциалов в компьютерной модели и экспериментальными значениями энергии пика электронов в отличие от модели равномерного распределения заряда. Определенное расхождение между расчетной величиной разности потенциалов и экспериментальной энергией пика электронов наблюдается при лавинном разряде, этот эффект на данный момент не учитывается в модели. Изучение движения электронов в модели показывает, что положение точки эмиссии электрона влияет на положение точки фокуса и энергию электрона в точке фокуса. Модель предсказывает, что фокусное пятно растянуто в продольном направлении и энергия электронов в нем растет с увеличением расстояния от кристалла (косвенно подтверждается в эксперименте). Кроме того, моделирование показывает, что значительная часть электронов не фокусируются, что требует специальной экспериментальной верификации. Полученные результаты проливают свет на механизм стабилизации энергии электронов в пироэлектрических ускорителях и показывают возможные подходы к его регуляции. Кроме того, были наработаны практические рекомендации для наиболее оптимальных параметров изменения температуры и геометрии генерации частиц для дальнейшего практического исполнения в серийных приборах. Благодаря моделированию была верифицирована кольцевая модель распределения заряда на поверхности кристалла, и показаны слабые точки в понимании динамики движения электронов, ускоряемых от пироэлектрического кристалла. На второй год выполнения проекта были опубликованы две статьи: «Нарушение соответствия тока индукции и тока эмиссии при пироэлектрическом эффекте в монокристалле танталата лития в условиях вакуума» в Письмах в журнал технической физики (Q3), и «I-V curve of the electron flow generated during a pyroelectric effect in lithium tantalate single crystal in vacuum conditions» в Europhysics Letters (Q2).