Numerical modelling and analysis of characteristics of an auto-emission electron-optical system

Abstract

С ростом сложности разработки современных систем и изучения процессов все большую актуальность обретает технология компьютерного моделирования, позволяющая с меньшими временными и материальными затратами получать необходимые результаты. В свою очередь активное развитие вычислительных средств обеспечивает возможность проведения необходимых вычислений прямо на компьютере без применения специальной аппаратуры. Эффективность компьютерного моделирования обеспечена универсальностью математического аппарата, не зависящего от природы изучаемого объекта в силу замены реального объекта соответствующей ему моделью с помощью сведения к физической, математической и в итоге компьютерной модели. Объектом рассмотрения в рамках данной работы выступает автоэмиссионная электронно-оптическая система с катодно-модуляторным узлом. Автоэлектронная эмиссия состоит в испускании электронов под воздействием сильного электрического поля в соответствии с квантовой теорией, описываемой соотношением Фаулера—Нордгейма. Вычислительные модели для исследования свойств и характеристик автоэмиссионных электронно-оптических систем имеют ряд характерных особенностей, одной из которых является учет многомасштабности разнообразных процессов, протекающих при автоэлектронной эмиссии. Одной из основных проблем многомасштабного моделирования является необходимость стыковки множества разнородных моделей, описывающих поведение и свойства сложных систем на различных уровнях детализации. В результате использования многомасштабного подхода в численном моделировании удается преодолеть разницу в размерах структурных элементов модели при переходе от нанометровых объектов, в том числе кристаллической решетки, расстояние между узлами которой бывает меньше нанометра, до сантиметровых объектов, в частности, всего объема вычислительной области. В рассматриваемом катодно-модуляторном узле ключевым элементом является катод, который в свою очередь в зависимости от своих параметров выдает различные характеристики уже на старте частиц. А любой расчет электронно-оптической системы и траекторный анализ в частности начинается с постановки начально-краевых условий, поэтому актуальной является задача рассмотрения учета этих условий в современной среде моделирования и разработки цифровых моделей.

With the increasing complexity of the development of modern systems and the study of processes, computer modeling technology is becoming increasingly relevant, which allows obtaining the necessary results with less time and material costs. In turn, the active development of computing facilities makes it possible to carry out the necessary calculations directly on the computer without the use of special equipment. The effectiveness of computer modeling is ensured by the universality of the mathematical apparatus, which does not depend on the nature of the object under study due to the replacement of the real object with its corresponding model by reducing it to a physical, mathematical and eventually computer model. The object of consideration in this work is an autoemission electron-optical system with a cathode-modulator node. Autoelectronic emission consists in the emission of electrons under the influence of a strong electric field in accordance with the quantum theory described by the Fowler—Nordheim ratio. Computational models for studying the properties and characteristics of auto-emission electron-optical systems have a number of characteristic features, one of which is taking into account the multiscale of various processes occurring during autoelectronic emission. One of the main problems of multiscale modeling is the need to connect a variety of heterogeneous models describing the behavior and properties of complex systems at various levels of detail. As a result of using a multiscale approach in numerical modeling, it is possible to overcome the difference in the size of the structural elements of the model when moving from nanometer objects, including a crystal lattice, the distance between the nodes of which is less than a nanometer, to centimeter objects, in particular, the entire volume of the computational domain. In the cathode modulator node under consideration, the key element is the cathode, which in turn, depending on its parameters, produces various characteristics already at the start of the particles. And any calculation of an electron-optical system and trajectory analysis in particular begins with the formulation of initial boundary conditions, therefore, the task of considering the consideration of these conditions in the modern modeling environment and the development of digital models is urgent.