Современные долговечные автоэмиссионные катоды, как правило, содержат в своем составе углерод или тонкопленочные защитные покрытия из различных аллотропных форм углерода. Энергетический спектр электронов из большой части углеродосодержащих катодов, так же как и у известных полупроводниковых автокатодов, является немонохроматическим. Два и более максимума в энергетическом распределении электронов повышают важность разработки и моделирования соответствующей автоэмиссионной электронно-оптической системы, т.к. работа любого катода определяется не только фундаментальными – внутренними физическими процессами, но и внешними – в частности, системой специальных электродов, составляющих вместе с катодом электронно-оптическую систему соответствующего электровакуумного прибора и позволяющих при приложении к ним необходимых напряжений обеспечить фокусировку и транспортировку электронного пучка, эмиттированного катодом. Роль электродов в системе существенно возрастает при использовании в качестве источника электронов не термо-, а автоэмиссионного катода, т. к. в этом случае с помощью дополнительных электродов электронно-оптической системы осуществляется не только транспортировка и фокусировка пучка, но и управление как эмиссионной способностью катода, так и самим электронным пучком.
Проект направлен на решение указанной выше научной проблемы, новизна которой, с одной стороны, обусловлена большими начальными энергиями электронов из автоэмиссионных катодов, а также немонохроматическим мультимодальным энергетическим спектром, соответственно, разбросом по направлениям и скоростям.
С другой стороны, создание цифровых моделей технических систем и процессов является в настоящее время одной из ключевых технологий развития областей современной науки, экономики, бизнеса, медицины и промышленности. В качестве приложения цифровой модели в проекте рассматривается разработка полностью экологически безопасного и энергоэффективного катодолюминесцентного источника УФ нового поколения для целей очистки воздуха и общей дезинфекции, поскольку ртутные УФ лампы, широко распространенные в медицине и промышленности, являются экологически опасными (см. Minamata Convention on Mercury. http://www.mercuryconvention.org). В настоящее время в РФ аналоги подобных приборов отсутствуют, а за рубежом, несмотря на значительные усилия, созданы лишь единичные демонстрационные образцы, которые пока далеки от серийно выпускаемых приборов.
Достижимость решения поставленной задачи и возможность получения запланированных результатов определяется следующими факторами:
-высокая квалификация и опыт руководителя проекта, имеющийся серьезный научный задел и новые оригинальные научные результаты участников научного коллектива в области исследований автооэмиссионных катодов и автоэмиссионных электронно-оптических систем (ЭОС);
-у членов научного коллектива имеется большой опыт разносторонних исследований автоэмиссионных катодов с мультимодальным энергетическим спектром и автоэмиссионых ЭОС для различных задач вакуумной микро- и наноэлектроники, с использованием разнообразного аналитического оборудования;
-у членов научного коллектива имеется большой опыт многомасштабного моделирования с пространственным разрешением очень широкого диапазона (от атомномасштабного уровня детализации поверхности автоэмиссионных катодов до макроуровня ЭОС в несколько сантиметров), а также большой опыт разработки программного обеспечения, комплексов программ для математического моделирования различных аспектов явления автоэлектронной эмиссии;
-отдельных участников научного коллектива связывает начавшееся несколько лет назад научное сотрудничество, что уже позволило сделать совместные доклады на международных научных конференциях и выпустить совместные публикации;
-участники коллектива имеют опыт создания прототипов и макетов автоэмиссионных вакуумных приборов для исследовательских и прикладных целей;
-все необходимое для инструментальных исследований и анализов оборудование доступно для применения;
Таким образом, несмотря на то, что тема проекта по разработке цифровой модели автооэмиссионной ЭОС на основе катодов с мультимодальным энергетическим спектром является новой для научного коллектива, его участники обладают квалификацией, опытом и возможностями, достаточными, для достижения поставленных задач.
Имеющийся у научного коллектива научный задел по проекту состоит в следующих результатах и публикациях участников научного коллектива.
По части применения дата-центричного подхода к описанию автоэмиссионных систем имеется задел [1-4]. Решена задача идентификации параметров двухпараметрической регрессионной модели на основе формулы Фаулера-Нордгейма в линеаризованной и нелинейной постановках. Показано, что в силу специфики сигнала в нелинейной постановке следует использовать взвешенный метод наименьших квадратов. В рассмотрение введены две трёхпараметрические модели на основе имеющихся теоретических предпосылок. Проведён предварительный анализ возможностей таких моделей для описания отклонения вольт-амперных характеристик от прямой линии в координатах Фаулера-Нордгейма. Исследованы интервальные оценки и доверительные области для двухпараметрической регрессионной модели, в том числе в зависимости от плана эксперимента. Исследование проводилось в рамках компьютерного эксперимента, что позволило оперировать большим объёмом данных и проводить сравнение результатов оценки параметров с закладываемыми в математической модели значениями. Задача параметрической идентификации окончательно формализована для двух- и трёхпараметрических моделей. Заключение о значимости третьего параметра вынесено не только на основе непопадания нулевого значения в доверительный интервал для него, но и на величине скорректированного коэффициента детерминации. Проанализирован метод случайного поиска с обучением для поиска оптимальных значений параметров в двухпараметрической модели. Показано, что уже при небольшом количестве статистических испытаний (порядка тысячи) можно получать адекватные оценки, не выходящие за пределы совместных доверительных областей на заданном уровне значимости. Метод легко распараллеливается и не связан ограничениями на функционал качества. Также рассмотрена задача о статистическом моделировании распределения электронов с совместной плотностью распределения по полным значениям энергии и значениям, связанным с нормальной по отношению к поверхности эмиттера компонентой импульса.
По части автоэмиссионной спектроскопии катодов с мультимодальным энергетическим спектром имеется следующий задел [5-9]. В данном цикле работ проанализированы автоэмиссионные катоды на основе углерода и карбида кремния и установлено существование как минимум двух максимумов в энергетическом распределении эмиттированных электронов. Характер энергетического распределения электронов по полным энергиям демонстрирует общую тенденцию поведения для всех рассмотренных углеродных структур. Впервые обнаружена новая фундаментальная зависимость в энергетическом спектре электронов, состоящая в появлении двух максимумов распределения электронов по полным энергиям для многослойных графеноподобных структур.
Принципиальное устройство источников УФ света с автоэмиссионной ЭОС рассмотрено в [10-11]. Различные варианты конструкций катодолюминесцентных УФ источников для различных применений с автоэмиссионными ЭОС обсуждаются также в главе 8 в [12]. Методы построения математических моделей многоэмиттерных систем с использованием полуаналитических и численных методов представлены в главе 2 в [13]. Методы измерений и анализа автоэмиссионных ЭОС классифицированы в [12]. Математические модели многоэлектродных систем представлены в главе 1 в [13] с микро- и нанометровым пространственным разрешением, причем полуаналитические методы решения предложенных задач открывают возможность строгого решения задачи оптимизации по геометрическим параметрам автоэмиссионной ЭОС. Разработанные математические модели катодных узлов автоэмиссионных пушек (острийных и триодных систем) представлены в главе 3 в [13]. Основные типы автоэмиссионных катодов электронных пушек и автоэмиссионных ЭОС проанализированы и классифицированы в главе 4 в [13], в главе 5 в [12]. Общие принципы построения и измерения параметров электронных пушек и автоэмиссионных ЭОС разработаны в главе 5 в [13]. Примеры разработки и построения электронных пушек с автоэмиссионными катодами приведены в главе 6 в [13], а также в [12]. Обобщение результатов исследования углеродосодержащих автоэмиссионных катодов приведено в [14].
Н.В. Егоров и К.А. Никифоров имеют опыт совместной реализации проекта РФФИ Теоретическое и экспериментальное исследование автоэмиссионных микроразмерных матричных структур на основе карбида кремния (20-07-01086, 19/02/2020-31/12/2022, проект успешно реализуется) и проекта РНФ Aвтоэмиссионные электронно-оптические системы приборов миллиметрового диапазона (15-19-30022, 08/07/2015-31/12/2017, проект успешно завершен).
Цитируемые публикации руководителя и участников научного коллектива:
СТАТЬИ
1. А.Ю. Антонов, М.И. Вараюнь, Н.В. Егоров Линеаризованная трёхпараметрическая регрессионная модель для сигнала полевой электронной эмиссии // Нано- и микросистемная техника. 2019. Т. 21. №2. С. 103-110.
2. Н.В. Егоров, А.Ю. Антонов, М.И. Вараюнь Анализ доверительных областей для параметров регрессионной модели на основе закона Фаулера—Нордгейма // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2020. №7. С. 89-97.
3. Н.В. Егоров, М.И. Вараюнь, В.М. Буре, А.Ю. Антонов Регрессионные модели для сигнала полевой электронной эмиссии // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2020. №12. С. 95-104.
4. М.И. Вараюнь, Е.М. Виноградова, А.Ю. Антонов Метод случайного поиска при оценке параметров сигнала эмиссионной системы // Вестник СПбГУ. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2021. Т. 17. №3. С. 228-239.
5. Г.Н. Фурсей, Н.В. Егоров, И.И. Закиров и др. Особенности распределения автоэлектронов из графеноподобных структур по полным энергиям // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. №1. С. 79-82.
6. А.П. Возняковский, Г.Н. Фурсей, А.А. Возняковский, М.А. Поляков, А.Ю. Неверовская, И.И. Закиров, Низкопороговая полевая электронная эмиссия из двумерных углеродных структур // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45. №9. C. 46-49.
7. Г.Н. Фурсей, М.А. Поляков, Н.Т. Баграев, И.И. Закиров, А.В. Нащекин, В.Н. Бочаров, Низкопороговая полевая эмиссия из углеродных структур // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2019. №9. С. 28-39.
ДОКЛАДЫ
8. G. Fursey, I. Zakirov, N. Bagraev et al. The energy spectrum of field emission electrons from HOPG, mwCNT and graphene–like structures // 2018 31st International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC), Kyoto. 2018. P. 1-2.
9. K. Nikiforov, V. Trofimov, N. Egorov, V. Ilyin, V. Golubkov, A. Ivanov The Energy Spectrum of Field Emission Electrons from 4H Silicon Carbide // 2020 33rd International Vacuum Nanoelectronics Conference, IVNC 2020, IEEE, 9203525.
10. E.P.Sheshin, I.N.Kosarev, A.O.Getman, I.A.Savichev, A.Y.Taikin, M.I.Danilkin, D.I.Ozol Cathodoluminescent UV Sources for Air Disinfection Applications // Proceedings of 5th 23. International Conference on Nanotechnologies and Biomedical Engineering, ICNBME 2021, Springer, vol. 87. 2022. P. 157-162.
11. E.P.Sheshin, I.N.Kosarev, B.I.Masnaviev, A.O.Getman, I.A.Savichev, D.I.Ozol Cathodoluminescent UV Sources for Photocatalytic Disinfection of Air // 2021 34th International Vacuum Nanoelectronics Conference, IVNC 2021, 174303.
МОНОГРАФИИ
12. N. Egorov, E. Sheshin, Field emission electronics. Springer Series in Advanced Microelectronics, Springer Verlag, vol. 60. 2017.`568 c.
13. Н.В. Егоров, Е.М. Виноградова, Е.П. Шешин, А.С. Бугаев, Автоэлектронные катоды и пушки. Долгопрудный: Издательский дом Интеллект, 2017, 297 с.
14. N. Egorov, E. Sheshin, Carbon-based field emitters: properties and applications, in Vacuum Electron Sources, ch. 10, G. Gärtner, W. Knapp and R.G. Forbes, Eds. Springer, 2020. P. 449-528.