Компьютерное моделирование автоэмиссионных электронных пушек

УДК 621.382.029.6

Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев, А.А. Бурцев КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОЭМИССИОННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУШЕК

На основе программного комплекса «Lorentz» с учетом заданных геометрических параметров и экспериментальных характеристик матричных автоэмисси-онных катодных микро-, наноструктур проведено трехмерное компьютерное моделирование многолучевых автоэмиссионных электронных пушек с магнитным формированием для ЛБВО, клистронов, гиро-ЛБВ и приборов магнетронного типа.

Электронный пучок, электронная пушка, микропервеанс, автоэмиссия, 3D моделирование

Yu.A. Grigoryev, P.D. Shalaev, A.A. Bourtsev COMPUTER SIMULATION OF FIELD EMISSION ELECTRON GUNS

3-D computer simulation by Lorentz-EM software of multibeam field emission electron guns with the magnetic focusing for TWT, klystrons, gyro-TWT and magnetron-type devices is performed with regard to geometrical and experimental characteristics of the field emission array cathodes with micro-nanostructures.

Electron beam, electron gun, micro-perveance, field emission, 3D simulation

Практическое применение многоострийных автоэмиссионных катодов (АЭК) в приборах вакуумной СВЧ электроники продвигается медленно. Главная причина медленного внедрения холодных катодов заключается в технологических особенностях и сложностях получения геометрически воспроизводимых многоострийных катодных и катодно-сеточных структур с наноразмерными вершинами острий. Значительные трудности возникают в ходе реализации тонкопленочных АЭК с углеродными нанотрубками на различных подложках. Сложности возрастают при проектировании мощных автоэмиссионных электронных пушек (ЭП) с компрессией по плотности тока в поперечном сечении формируемого электронного пучка.

Как видно из [1, 2], автоэмиссионная электроника развивается в форме широких экспериментальных и технологических исследований и разработок новых автоэмиссионных сред, включая углеродные наноструктуры, получаемых с применением принципов самоорганизации, в частности с использованием CVD-технологий. Следует обратить внимание на малое число публикаций, посвященных численному моделированию электронно-оптических систем (ЭОС) и ЭП с автоэмиссионными источниками для электровакуумных СВЧ приборов с мгновенным временем готовности. Специфика расчета электронных пушек с АЭК заключается в принципиальной необходимости учета дискретности, а также существенной неоднородности плотности тока и поперечных скоростей в эмиссионных центрах АЭК. Для задач с реальными конструкциями ЭОС нельзя ограничиться двумерным приближением, поэтому для решения таких задач необходимо использовать численное моделирование в трехмерной постановке. Отметим, что компьютерное моделирование электровакуумных приборов с АЭК существенно снижает затраты на проведение натурных экспериментов с изготовлением дорогостоящих опытных образцов.

Данная работа посвящена трехмерному компьютерному анализу интенсивных автоэлектрон-ных потоков, полученных c поверхности АЭК в электронных пушках. Расчет электронных пушек проводился с помощью программного обеспечения Lorentz-3EM (Integrated Engineering Software) [3], позволяющая рассчитывать трехмерные электростатические и магнитные поля, а также с высокой точностью вычислять в них структуру потоков заряженных частиц. Также программа позволяет задавать автоэмиссионную эмитирующую структуру с определенным периодом в виде точек старта заряженных частиц. С учетом рассчитанного распределения электростатического и магнитного полей решается система уравнений движения частиц по методу Рунге-Кутта по выбору 4 или 5 порядка. Необходимо отметить, что распределение магнитного поля в программе может задаваться аналитически, либо решается задача магнитостатики для заданных геометрических размеров магнитных систем.

Начальный этап моделирования автоэмиссионных электронных пушек заключается в расчете распределения электростатического поля и траекторий частиц для одного микроострия структуры с учетом условий периодичности микроструктуры, технология получения которой описана в [4]. Необходимо

отметить, что частицы на поверхности вершины микроострия задаются согласно экспериментальным данным об эффективной площади эмиссии, определяемой эффективным углом эмиссии. Таким образом, следуя экспериментальным данным [4], средний угол для старта частиц примерно равен 60о. В рамках данных численных экспериментов каждая частица, стартующая с микроострия, имела усредненное значение автоэмиссионного тока, приходящееся на одно острие. После расчета и имитации формы электронного потока данные о направлении XYZ и компонентах скоростей или энергии электронного луча на выходе из микроострия сохраняются в файл, который в дальнейшем импортируется в область расчета электронной пушки.

Используя в качестве начальных данных угловое распределение электронов, стартующих с одного микроострия, программа позволяет провести расчет автоэмиссионной электронной пушки с общим числом крупных частиц до 6-105 штук и более.

Проведено моделирование ЭП магнетронно-инжекторного типа с учетом экспериментальных данных о геометрии и эмиссионных параметрах используемых или проектируемых для них автоэмис-сионных катодных структур. Для образования эмитирующей поверхности АЭК в этом случае может быть применен метод СУБ-технологий. В табл. 1 представлены электрические параметры и геометрические данные об ЭП с АЭК. Оценка первоначальной величины фокусирующего магнитного поля В для данной ЭОС проводилась по формуле [5]. ЭОС погружена в однородное магнитное поле со значением 1,5 Тл.

Далее представлен расчет трубчатого электронного потока, формируемого магнетронно-инжекторной автоэмиссионной электронной пушкой.

Таблица 1

I, А и, кВ §с, см М см-2 Пцр, шт. кр, мкА В, Тл

1,2 30 11,3-10"2 4-10й 4.5-107 2.7-10 2 1,5

Яс, мм малый радиус катода Яс1, мм большой радиус катода Яа, мм малый радиус анодного отверстия Яа1, мм большой радиус анодного отверстия 1, мм высота конического АЭК Е, В/см }, А/см2

2,2 2,6 3,2 3,6 1,5 <3-105 10,8

АЭК Анод

В

о1

Рис.1. Размерная схема ЭП

Рис. 2. Компьютерные изображения трубчатого электронного потока и его структуры в поперечном сечении

На рис. 2 представлена трехмерная форма электронного потока в однородном магнитном поле, сформированного магнетронно-инжекторной пушкой, а также положение крупных частиц в поперечном сечении на расстоянии 5 мм от катода. Результаты моделирования показывают, что формируется трубчатый электронный поток с микропервеансом 0,23 мкА/В3/2 с внешним и внутренним диаметром - 4,8 и 3,2 мм соответственно.

Как известно, в настоящее время за рубежом ведутся активные исследования по созданию ЛБВО с низковольтным управлением с помощью катодно-сеточных микроструктурных конструкций [6]. В [7] была предпринята попытка создать автоэмиссионную семилучевую ЭП, формирующую суммарный электронный поток в общий пролетный канал без применения компрессии. Достигнутая плотность тока на катодных выступах и в общем электронном потоке в магнитном поле не превышала 1,3 А/см2. Для современных и новых перспективных конструкций ЛБВО для терагерцового диапа-104

зона требуются научно-технические решения, позволяющие создать компрессионные электроннооптические системы со средней плотностью тока в поперечном сечении электронного пучка на катоде до 100 А/см2; в пространстве взаимодействия плотность тока должна достигать 700 А/см2 и более.

Нами в отличие от [7] проведен расчет многолучевой автоэмиссионной электронной пушки с компрессией пучка, представленной на схеме рис. 3. Основные параметры девятнадцатилучевого варианта электронной пушки с компрессией пучка представлены в табл. 2.

Таблица 2

I, A и, кВ Э, см2 N см-2 Пі, шт. кір, мкА П2 0 В, Тл О с О, см ид, В І, А/см2

0,159 6 1,33-10-2 4-106 19 3 5,3-104 10° 0,06 0,66 0,4 500 12

а б

Рис. 3. а - схематическое изображение ЭП: 1 - АЭК, 2 - сеточный управляющий электрод, 3 - фокусирующий электрод; 4 - анод; б - автоэмиссионная катодно-сеточная конструкция

Рис. 4. Электронная пушка с компрессией пучка и кривая изменения магнитного поля Bz и положения частиц в поперечном сечении электронного пучка в различных сечениях

На рис. 4 а, б представлена трехмерная форма электронного потока, сформированного 19-лучевой ЭП с компрессией 2,7-3 единицы. Из результатов моделирования видно, что в результате пересечения локальных пучков после смешивания электронного многолучевого потока в нарастающем магнитном поле в области анодного отверстия тот же многолучевой поток на расстоянии от центра автоэмиссионного катода z=30 мм (область первой пульсации электронного пучка) восстанавливает свою первоначальную дискретную форму, имевшую место в прикатодной области. С увеличением длины пролета z >>30 мм структура плотности электронного потока более не повторяет своего первоначального дискретного вида, однако сформировавшийся электронный поток сохраняет устойчивую форму осесимметричного сплошного пучка.

Таким образом, в результате проведенной работы получены результаты 3D компьютерного моделирования автоэмиссионных электронных пушек магнетронно-инжекторного типа и многолучевой пушки с компрессией электронного пучка, формирующих протяженные электронные потоки для СВЧ приборов с учетом исходных данных о геометрии эмитирующей 3D поверхности, экспериментальных сведений об автоэмиссионном токе и распределения электронов по скоростям. На основе проведенного моделирования могут быть разработаны конструкции автоэмиссионных электронных пушек с плотностью тока более 10 А/см2.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ulisse G. Electron Gun with Cold Cathode for THz Devices / G. Ulisse, F. Brunetti, A. Carlo. IVEC, 2010. P. 449-450.

2. С. Вартапетов, Э. Ильичев, Р. Набиев и др. Эмиссионная электроника на основе нано- (микро-) структурированных углеродных материалов. Наноиндустрия № 5 2009. С.12-18.

3. A. Asi Boundary Element Method Integrated Engineering Software 2001, SPIE Conference, pp. 3-15.

4. Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев, А. А. Бурцев и др. Исследование вакуумных автоэмиссион-ных микродиодов с изменяющимся зазором // Нано- и микросистемная техника №7(96) 2008 С.47-52.

5. Алямовский И. В. Электронные пучки и электронные пушки. М.-: Сов. радио, 1966. 453 с.

6. 100 W Operation of a Cold Cathode TWT / D.R. Whaley, et.al. // IEEE Transactions of Electron Devices. 2009. Vol. 56. № 5. P. 896-905.

7. Диодная автоэмиссионная электронная пушка / Н.А. Бушуев, Ю.А. Григорьев, Н.Д. Гаврю-шова и др. // Нанотехника. 2006. № 3. С. 3-6.

Григорьев Юрий Алексеевич -

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Саратовского филиала Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН

Шалаев Павел Данилович -

начальник отдела ФГУП «НПП «Алмаз», г. Саратов

Бурцев Антон Александрович -

кандидат технических наук, начальник лаборатории фундаментальных исследований ФГУП «НПП «Алмаз», г. Саратов

Статья поступила в редакцию 24.10.11, принята к опубликованию

Yuri A. Grigoryev -

Dr. Sc., Senior Research Fellow

V. Kotelnikov Institute of Radio Engineering

and Electronics of the Russian Academy of Sciences

Pavel D. Shalaev -

Department Supervisor: FSUE «S&P Corporation «Almaz», Saratov

Anton A. Bourtsev -

PhD, Head: Laboratory of Вasic Research FSUE «S&P Corporation «Almaz», Saratov

10б