Ученые представили математическую модель, которая объяснила, как можно на несколько порядков повысить плотность тока холодной полевой эмиссии. В результате последней удается получить поток электронов без дополнительной энергии при воздействии на особый материал внешнего электрического поля. Расчеты авторов помогут разработать сильноточные и надежные источники для мощных ускорителей частиц, микроскопов, терагерцовых и СВЧ-устройств, кинескопов и других приборов.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах Journal of Applied Physics.

Устройства вроде электронных микроскопов, ускорителей частиц и прочих мощных агрегатов требуют больших потоков электронов, многократно превышающих те, что протекают внутри наших гаджетов и по проводам домашней бытовой техники. За испускание электронов в них отвечают эмиттеры — твердые материалы или жидкости, способные при приложении внешнего электрического поля высвобождать электроны.

Особый интерес представляют вакуумные резонансные туннельные триоды и тетроды. Они не требуют много энергоресурсов, поскольку испускают холодные электроны, то есть не приобретающие дополнительную энергию при выходе из материала. Структуры-эмиттеры довольно компактные, но работают с большой эффективностью. Устройство триода очень простое: анод, от которого электроны идут к другому компоненту системы — катоду, и между ними управляющая сетка. На нее подают внешний усиливаемый работой триода сигнал. В тетроде добавляется еще одна сетка, экранирующая: при подаче на нее напряжения электроны разгоняются еще больше.

«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).

Сотрудники Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Саратов) и Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова (Москва) представили модели для расчета тока электронов в триоде и тетроде, где сетки сделаны из углеродных нанотрубок.

В основе механизма прохождения частиц в этих системах лежит туннелирование: электрон встречает на своем пути энергетический барьер, то есть, чтобы перебраться через него на другую сторону, он должен обладать энергией выше той, которую имеет. В нашем классическом реальном мире это сродни попытке пробиться сквозь бетонную стену, но в квантовом мире (с учетом приложения к управляющей сетке напряжения) это возможно.

Предложенная модель имеет три барьера и две ямы между ними. Преодолев один барьер, электроны попадают в энергетическую яму, созданную сеткой, но из-за особенностей квантового мира они не упадут на дно: частички будут колебаться примерно на одном уровне. При этом «ресурсов» осталось меньше, энергия как прошедших электронов, так и всей системы истощается — в результате новая стена становится чуть ниже. И вот на сетку снова подается напряжение, запускается 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», — подводит итог руководитель проекта профессор, доктор физико-математических наук Ольга Глухова.