Математическая модель облегчит разработку микроскопов и ускорителей частиц

Электронные микроскопы, ускорители частиц и другие мощные устройства требуют большего количества потоков электронов, чем используется в обычных для нас устройствах — гаджетах или бытовой технике. Поэтому в сфере разработки высокомощных устройств имеет место особый интерес к вакуумным резонансным туннельным триодам и тетродам. Они не требуют большого количества энергоресурсов, так как испускают холодные электроны, не приобретающие дополнительную энергию при выходе из материала.

Триоды и тетроды являются эмиттерами — твёрдыми материалами или жидкостями, которые высвобождают электроны при приложении внешнего электрического поля. Эмиттеры устроены достаточно просто, но при этом эффективны. Например, триод состоит всего из нескольких компонентов: анода, катода и управляющей сетки между ними. Электроны перемещаются от анода к катоду, а сетка принимает внешний сигнал, усиливаемый работой всего триода. В случае тетрода добавляется ещё одна сетка: экранирующая. Она обеспечивает ещё большее ускорение электронов при подаче на неё внешнего напряжения.

«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).

В ходе исследования, осуществлённого при поддержке Российского научного фонда (РНФ), учёные представили модели для расчёта тока электронов в триоде и тетроде, сетки которых состоят из углеродных нанотрубок.

Механизм прохождения частиц в этих системах работает по принципу туннелирования. На пути электрон встречает энергетический барьер, для прохождения через который ему необходимо обладать более высокой энергией, чем он имеет. Для повседневных реалий это звучит абстрактно, однако в квантовом мире это возможно.

Разработанная учёными модель имеет три барьера и две энергетические ямы, созданные сеткой, между ними. После преодоления одного из барьеров электроны попадают в яму, однако из-за особенностей квантового мира не падают на её дно. При этом их энергия истощается, а значит затрачивается меньшее количество ресурсов. Электроны продолжают свой путь через барьеры и ямы, пока не достигнут окончательной 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», — подводит итог руководитель проекта профессор, доктор физико-математических наук Ольга Глухова.

Фото: Wikimedia