Development and analysis of software for the numerical simulation of field emission systems

Abstract

В данной работе модифицирован пакет с открытым исходным кодом DAISI, написанный на языке с для расчета динамики интенсивных пучков заряженных частиц, возможностью моделирования работы устройств в режиме полевой эмиссии, выбором начального распределения скоростей электронов, а также автоматизированным рассчётом вольт-амперных характеристик на основе серии экспериментов. В ходе работы построена математическая модель нанотриода на основе метода частицы в ячейке Предложены численные схемы и алгоритмы для решения возникших задач. Проведены вычислительные эксперименты по подбору эффективного коэффициента усиления поля, построению сетки, моделированию экспериментально полученных плотностей вероятности начальной энергии электронов. В результаты посчитаны такие характеристики ячейки нанотриода, как потенциал, поле и плотность пространственного заряда в межэлектродном пространстве. Посчитаны вольт-амперные характеристики для бимодального и максвелловского распределения начальных скоростей, результаты для разных распределений сопоставлены. Проиллюстрировано влияние пространственного заряда на работу устройства в режиме полевой эмиссии. Сравнены анодный и катодный токи. Рассчитанные характеристики проанализированны и сформулированные выводы в соответствии с поставленной целью.

In this work, the open-source DAISI package written in C ++ to calculate the dynamics of intense beams of charged particles, was modified with the ability to simulate the operation of devices in the field emission mode, the choice of the initial distribution of electron velocities, and the automated calculation of current-voltage characteristics based on series of experiments. In order to accomplish it, a mathematical model of the nanotriode is described based on the particle-in-cell method. Numerical schemes and algorithms are proposed for solving the arisen problems. Computational experiments were conducted to select the effective field enhancement coefficient, build a grid, and simulate experimentally obtained probability densities of the initial electron energy. As a result, such characteristics of the cell of the nanotriode as the potential, field, and space charge density in the interelectrode space were calculated. Also, the current-voltage characteristics were calculated for the bimodal and Maxwell distribution of initial velocities; the results for different distributions are compared. The effect of space charge on the operation of the device in the field emission mode is illustrated. The anodic and cathodic currents are compared. All of the calculated characteristics are analyzed and the conclusions drawn are in accordance with the goal.