Введение к работе
Актуальность темы.
В связи с развитием нано и микроэлектроники и появлением новых электронных приборов за последние годы значительно вырос интерес к явлению полевой электронной эмиссии. В настоящее время можно считать установленным, что эмиссионные системы на основе полевой электронной эмиссии по всем важнейшим характеристикам (компактность, экономичность, отсутствие расхода энергии на принудительный нагрев) превосходят широко применяемые на практике системы на основе термоэлектронной эмиссии. Это стало возможным, благодаря тому, что острийный полевой катод (ПЭК) является почти идеальным точечным источником электронов с очень узким энергитическим спектром, большой яркостью и высокой пространственной и временной когерентностью.
Для теоретического исследования процесса формирования, транспортировки и управления пучками заряженных частиц и расчета эмиссионных характеристик, необходимо знать параметры системы. Для нахождения решения в аналитическом виде наибольшей проблемой является форма катода. На практике катод имеет форму, которую трудно аппроксимировать осесимметричной геометрической фигурой, образующая которой представляет собой какую-либо каноническую кривую, в связи с этим возникает задача моделирования катода произвольной формы. К настоящему времени существует достаточно много работ по моделированию электронно-оптических систем (ЭОС) с полевыми электронными катодами, но основную массу в нем составляют работы, посвященные экспериментальным исследованиям или расчетам с использованием исключительно численных методов (с использованием дорогостоящих коммерческих программных продуктов, представляющих собой для исследователя черный ящик). Поэтому задача разработки физической модели ЭОС с полевым электронным катодом произвольной формы и создание на ее основе математической модели ЭОС, а также создание соответствующих алгоритмов в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента является актуальным.
Цель диссертационной работы:
Разработать математическую модель системы формирования электронного пучка на основе полевого эмиттера. Практическая реализация поставленной цели потребовала решения нескольких взаимообусловленных и взаимодополняющих задач:
Разработка физических моделей осесимметричных ЭОС, состоящих из острийного полевого эмиттера и системы формирования пучка.
Создание математических моделей таких систем.
Рассчет эмиссионных характеристик систем формирования электронного пучка с учетом их особенностей.
В процессе исследования были решены следующие задачи:
Предложены математические модели диодной, "кратерной", триод-ной систем с полевыми катодами и сферическими и плоскими анодами.
На основе этих математических моделей рассчитаны характеристики электрического поля и эмиссионные характеристики систем.
Проведено компьютерное моделирование и реализован численный эксперимент для проверки адекватности предложенных моделей.
Методы исследования: В работе основными методами исследования являются методы математической физики, компьютерного моделирования и численного эксперимента.
Основные результаты, выносимые на защиту:
Физическая модель системы формирования электронного пучка на основе полевого электронного катода в виде сферы на веретенообразных поверхностях вращения.
Математическая модель электронно-оптической системы с полевым катодом и системой фокусирующих электродов, представляющих собой соосные тела вращения.
Результаты численных расчетов эмиссионных характеристик для различных параметров электронно-оптических систем, полученные с помощью разработанного комплекса программ.
Научная новизна. Результаты, выносимые на защиту, получены впервые и являются новыми.
Практическая значимость. Разработанные математические модели позволяют сформулировать рекомендации по практической реализации осесимметричных систем формирования электронного пучка на основе ПЭК. Предложенные модели позволяют производить расчет параметров приборов и устройств, для которых ЭОС являются основным элементом (сканирующие электронные микроскопы, высокочастотные генераторы, плоские дисплеи, инжекторы электронных ускорителей и т.д.).
Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано пять работ, две из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК рецензируемых научных журналов [1,2]. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 86 страниц. Список литературы включает 83 наименования.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры моделирования электромеханических и компьютерных систем факультета Прикладной Математики - Процессов Управления Санкт-Петербургского государственного университета и представлялись на международных научных конференциях "Процессы управления и устойчивость" факультета Прикладной Математики - Процессов Управления (Санкт-Петербург, 2006, 2008 и 2009 гг.); международных семинарах "Beam Dynamics Optimization" (Санкт-Петербург, 2006 и 2009 гг.).
