Цивилизация
Исследователи из Саратова и Москвы разработали математическую модель, которая описывает туннелирование в компонентах испускателей электронов таких мощных устройств, как кинескопы, ускорители частиц, микроскопы и прочие. Описанные процессы похожи на бег с препятствиями: частицы преодолевают несколько последовательных барьеров. Расчеты авторов также помогли понять, как увеличить плотность потока частиц, а значит, и улучшить эффективность испускателей электронов. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах Journal of Applied Physics.
Ряд устройств, например ускорители частиц или электронные микроскопы, требуют значительных потоков электронов. Их обеспечивают особые твердые или жидкие вещества, называемые эмиттерами, которые под воздействием внешнего электрического поля выделяют эти отрицательно заряженные частицы.
Среди испускателей большое внимание специалистов привлекают вакуумные резонансные туннельные триоды и тетроды — материал высвобождает холодные электроны, то есть те, которые не приобрели при выходе дополнительной энергии. Кроме того, устройство таких структур довольно просто и компактно. Так, триод состоит из анода и катода, а между ними располагается управляющая сетка, на которую подают напряжение. В случае тетрода добавляется еще одна сетка, способствующая еще большему ускорению электронов.
«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. 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», — рассказывает Михаил Давидович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиотехники и электродинамики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского (Саратов).
Исследователи Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского (Саратов) и Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Москва) создали модель, которая помогает рассчитать характеристики тока электронов в триодах и тетродах, сетки которых изготовлены из углеродных нанотрубок.
Принцип работы таких устройств основан на туннелировании электронов — по сути, прохождении сквозь бетонную стену. В рамках представленной модели на своем пути из анода к катоду частички встречают три энергетических барьера, перескочить которые они формально не могут из-за недостатка энергии. Однако квантовые механизмы позволяют им это сделать, и они оказываются в яме, образованной сетками триода или тетрода. Переход несколько истощает энергию как частиц, так и системы в целом, а потому следующий барьер оказывается ниже, и, благодаря подаче напряжения на сетку, преодолеть его и последующий будет не так сложно.
«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. Наша модель подробно описывает происходящее, и ее можно использовать при разработке мощных эмиттеров для устройств самого разного предназначения», — подводит итог руководитель проекта профессор, доктор физико-математических наук Ольга Глухова.