Введение к работе
Актуальность сробдещ, В ностоящоо время яонішо источники попользуются по многих областях науки, техники, технологии, медицины и перед ними открываются все новію порспекигач. Развитие теории и практики источников ионов имеет осо» сложную и противоречивую историю, тесно связанную о общим развитием фундаментальных и прикладных наук: математического моделирования , численного эксперимента, физики длззш, физики газового разряда, физики поверхности, электродинамики, электротехники, онергетжеи и др. Один из вькнейшях этапов этой иотории - создание ионных емиттероа нового типа териополевых ионных источников (ТПШ).
Уде первые исследования ТШИ показали, что они позволяют сформировать иошше пучки о рекордними параметрами - плотностью тока ()0*А/см3), яркостью ( Ю7А/сма), времынной стабильноотаю и малой угловой расходимостью, что открывает пирокие перспективы их научного и технического использования: в ускорителях звряаенных частиц, в области управляемого термоядерного синтеза и реакторной техника, в окапирувдей ионной спектроскопии! в масс-спектроскопии на вторичных ионов, в ионно-лучевой литографии , для Сезмасочной имплантации примесных влементов в полупроводниках, для настроят критических токов в джозефсояовских переходах, для шлифовки, послойного анализа и размерной микрообработки: для получения тонких пленок и мелкозернистых порошков.
Хотя за последние десять лет достаточно подробно исследованы стационарные омисеиогешэ характеристики ТШИ на
- і -
осаозе рада легкоплавких металлов (Ga, In, Au и др.), в такко прелскено несколько теоретических моделей ТІШ. до сих пор не выяснен нв только фгамеокий механизм термоподевсй иошюй омиссии (ТШЭ) - вмксеки "їзідких" металлов в сильном электрической поле, но .и не решен целый ряд частных, практически важных проблем. Трудности выяснения физического механизма ТЛЮ связаны с тем, что Б очень малой по объему области (порядка <0"ls+ 10'і6оі3) происходят сложные генора-ционно-рекомбинавдонныо процессы, обуоловлешше с совокупностью термо-поло-гидро-електроданамичесіаїх явлении. До сих пор неизвестными остаются также такие необходимые для детального теоретического исследования параметры как - размер емиссионной зоны, форма емиттирукщес поверхности жидкого мяталла в реяиме Функционирования ТТШ, распределение тока в ионном пучке и многие другие. За исключением единичных работ , из которых можно выделить лишь работы: Тейлора (рассматривается предемиссионное состояние жидкой поверхности - модель "конуса Тейлора"), Наера (походя из "максимально упрощенных" представлений о механизме явления, раоочитаны вольт-амперные характеристики (ВАХ) ТШИ), Томпсона и Преветтв (предложена качественная модель формирования конуса Тейлора - "конуса Т йлора со отруей" и оценено так называемое "время Бадержки", наблюдаемое експериментально при юшульоноц регжыэ рабош ТШИ) - других околь-нибудь значимых результатов при теоретических исследованиях ТПИИ до настоящего вречеш получено не было. Несомненно, что именно ето обстоятельство одерштает прогреоо теории и практики ТПИИ.
Таким образом, резюмируя, мокно заключить, что детальное иеследоваяпо механизма ТПИЭ и решение ряда частных задач, а
именно, проблема эволюции поверхности аядкого металла в сильном электрическом поле, задачи построения физической и математической моделей и расчета основних вмиооионных и кинетических характеристик, адекватных отим моделям, будет способствовать прогрессу ионных источников и существенно приблизит время широкого внедрения ТЛЮ! в науку и практику.
Делъ и задачи работы. Целью настоящей работы является выяснение механизма ТЛЮ на осново комплексного исследования о использованием взаимодополняющих методов физического и математического моделирования, численного и натурного эксперимента.
Основные задачи /работы мозяо .еформулировчть следующим образомі
-
Разработка методики комплексного.исследования ТПИИ ив основе взаимодополняющих методов математического и физического моделирования, макетирования, численного и натурного [эксперимента на базе проблемно-ориентированной информационно-еяепертно* системы ДОС)
-
Разработка физической модели ШИИ, позволяющей интерпретировать основные оксперименталыше факты.
-
Разработка непротиворечивой математической модели на основе предложенной физической модели.
4) .Апробация разработанной математической модели о
использованием методов натурного и численного експерименте.
Методика исследования. Исследования проводились взаимодо-полнящими методами математического и физического моделирования, макетирования, численного и натурного вксперимента, выполненными на базе ЮС, ориентированной на изучение электрофизических свойств и характеристик источников заряаенных
-. б -
частиц.
Научная новиаиа и оононныо полокечия. выносимые на защиту, в диссертации представлена:
1. Методикой исследования ТПИИ с применением взаимодопол
няющих нотодсв.
-
Оригинальной (физической модель» ТШМ - "кратерной моделью".
-
Математической моделью ТІШ, одпкпаї'яой "кратарной модели".
-
Основними эмиссионными и кинетическими характеристиками ТІШ, раосчстантэш для стационарного' и импульсного режимов.
-
Циклом комплексных (с использованием методов численного и натурного експерименте) исследований, позволившим: а) установить "согласие" предлеяешшс "моделей" и експерименте, и б) получить новую практически ванную информацию об объекте исследования, оушеотвенно дополняющего результата теоретических исследований.
Практическая ценность.
Проведенные в работе (о использованием средств вычислительной техники, математического и физического моделирования, макетирования, численного и натурного експерименте) исследования подтвердили Біїфоктишіооть разработанных, моделей, и позволили предложить способа практической реализации вффоктнвных ТШИ, выполненные в макетній образцах. Теоретические разработки (по проолсиш математического моделирования, инструментальным и инфорглЕционно-експертшш средствам для исследования пучков сарягошшх частиц) рекомендованы для включения в программы спецкурсов и учебного лабораторного практикума на
факультете Прикладной математики - процессов управления Санкт -Петербургского университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсугдались на 9 Всероссийской научно - технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, ноябрь - 1992г.), па 13 Харьковском семинаре по линейным ускорителям зарявенных частиц (Хорьков, май - 1993г.). на нвучтс семинарах фзкулмета Прикладной математики - процессов управления Санкт-Петербургского университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Структура и объем работы. Диссертация соотоит из введения, пяти глав, заключения и спиока цитируемой литературы. Работа содержит 123 страниц машинописного текста, 44 рисунков. В спи-оок использованной литературы входит 64 наименования.
