Российские ученые разработали математическую модель, объясняющую, как на несколько порядков повысить плотность потока электронов из холодных эмиттеров. Исследователи предложили структуру, состоящую из нескольких энергетических ям и барьеров. Результаты работы помогут разработать сильноточные и надежные источники для мощных ускорителей частиц, микроскопов, терагерцовых и СВЧ-устройств и т.д. Статья опубликована в журнале Journal of Applied Physics.
Такие устройства как электронные микроскопы и ускорители частиц требуют мощных потоков электронов, многократно превышающих протекающие внутри бытовых электронных устройств. За испускание электронов в них отвечают эмиттеры — материалы, способные при приложении внешнего электрического поля высвобождать электроны. Среди них особый интерес представляют вакуумные резонансные туннельные триоды и тетроды. Они не требуют много энергии, так как испускают холодные электроны, не приобретающие дополнительную энергию при выходе из материала. Триод состоит из анода, катода и управляющей сетки между ними, на которую подают внешний усиливаемый работой триода сигнал. В тетроде добавляется еще одна экранирующая сетка.
Для разных задач требуется ток частиц с определенными характеристиками. Ученые из Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского и Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова придумали, как сделать это, не меняя устройства триода или тетрода. В работе авторы представили модели для расчета тока электронов в триоде и тетроде с сетками из углеродных нанотрубок.
В основе механизма прохождения частиц в этих системах лежит туннелирование: электрон встречает на своем пути энергетический барьер. Чтобы перебраться через него, ему нужна энергия выше той, которой он обладает. В нашем привычном мире это сродни попытке пройти сквозь стену, однако в квантовом мире это возможно.
Предложенная модель имеет три барьера и две энергетических ямы между ними. Преодолев один барьер, электроны попадают в яму, но не падают на дно, а колеблются примерно на одном уровне. При этом энергия, как прошедших электронов, так и всей системы истощается — в результате новая стена становится чуть ниже. Когда на сетку снова подается напряжение, происходит 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. Наша модель подробно описывает происходящее, и ее можно использовать при разработке мощных эмиттеров для устройств самого разного предназначения», — рассказывает руководитель проекта Ольга Глухова.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
