Статья: Параллельные алгоритмы и технологии расчета интенсивных пучков заряженных частиц на многопроцессорных суперЭВМ (2010)

Исследованы механическая прочность к истиранию и химическая устойчивость поверхности к агрессивным средам после ее модификации электронным лучом, а также образцы стекла СТК 119, подготовленные по стандартной технологии полировки и после электронно‐лучевой обработки (ЭЛО). Анализ проведен химико‐аналитическими методами в соответствии с требованиями ГОСТ 13917—92 и методом потери массы образца в результате истирания поверхности. Установлено, что поверхность образцов после ЭЛО характеризуется как стекло непятнаемое, стойкое к агрессивным средам. Механическая прочность к истиранию образцов после ЭЛО повышается в среднем на 30 %.

Рассмотрены перспективы создания миниатюрных электронно‐зондовых устройств с использованием миниатюрных элементов вакуумной электроники. Представлены результаты проектирования и исследования миниатюрных базовых элементов электроннооптических систем и откачных вакуумных средств. Рассмотрены принципиально новые подходы к проектированию миниатюрных электронно‐оптических и вакуумных систем, позволяющие перейти к практическому использованию низковольтной техники, обеспечивающей снижение радиационной нагрузки на объект при высокой разрешающей способности, а также переход к технологии вакуумной микросистемной техники. Приведены новые миниатюрные системы вакуумной откачки для использования в данных устройствах.

Рассмотрены преимущества и различные возможности проектирования и разработки магнитных систем на основе сплавов Nd—Fe—B для мощных электровакуумных приборов СВЧ. Приведены примеры использования магнитов из указанных сплавов для изделий иного назначения.

Представлен метод расчета и доказано, что фоновая облученность в заданной точке матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ), расположенной в холодном экране с диафрагмой произвольной формы, равна фоновой облученности от плоского источника, расположенного в плоскости холодной диафрагмы, имеющего распределение температуры по площади диафрагмы, определяемое проекцией источника фоновой облученности сквозь диафрагму в заданную точку МФЧЭ. Показано, что фоновая облученность в заданной точке МФЧЭ прямо пропорциональна интегралу по площади диафрагмы, содержащему координаты заданной точки, или коэффициенту пропускания диафрагмы.

Методом малосигнальной фотоЭДС проведены исследования полевой и частотной зависимостей фотосигнала для МДП‐структур на основе варизонного материала кадмий— ртуть—теллур (КРТ), выращенного методом молекулярно‐лучевой эпитаксии (МЛЭ). Определено время жизни неосновных носителей заряда в области пространственного заряда КРТ для различных составов рабочего слоя и различных диэлектрических покрытий. Для МДП‐структур на основе HgCdTe/CdTe, HgCdTe/CdTe/SiO2/Si3N4 и HgCdTe/CdTe/ZnTe n- и p-типов проводимости определен вид зависимости малосигнальной фотоЭДС от напряжения при использовании в качестве функционального диэлектрика слоев CdTe, сформированных в процессе выращивания гетероэпитаксиальных структур.

Изготовление матричного фотоприемника (МФП) с высокими параметрами требует выполнения комплектующих деталей внутри прибора с минимальными коэффициентами отражения. По стандартной технологии для этого используется нанесение различных антиотражающих покрытий на детали (ZnS, ZnSe, чернение). Проведена обработка поверхности тонкостенных деталей из ковара в целях получения определенной шероховатости для снижения зеркального отражения в рабочем диапазоне длин волн МФП. Разработаны бинарные растворы на основе азотной кислоты.

Получены точные дифференциальные уравнения, определяющие отклонения траекторий заряженных частиц от осевой траектории, в криволинейных координатах, связанных с осевой траекторией пучка, в виде, удобном для проведения численных расчетов динамики пучков заряженных частиц, в том числе с учетом релятивизма. Эти уравнения записаны также в линейном приближении.

Представлен планарный магнетрон на постоянном токе с толстой никелевой, железной или стальной мишенью для напыления ферромагнитных пленок на подложку. Мишень нагревалась магнетронным разрядом выше магнитной температуры Кюри. Измерены вольт-амперные характеристики (ВАХ), скорости распыления мишени, а также осаждения пленок на подложки и электропроводности пленок.

Рассмотрены особенности применения метода конечных элементов для расчета траекторий частиц в сильноточных электронных пучках с учетом их пространственного заряда. Показаны возникающие на нерегулярной сетке конечных элементов нефизические эффекты, связанные с вычислением напряженности электрического поля с использованием функции формы, и предложены пути их устранения.

В качестве критерия оптимизации выбрана величина плотности тока сфокусированного пучка в центре пятна на мишени ядерного микрозонда. Принималось, что частицы в фазовом пространстве (x, y, x′, y′) на входе в зондоформирующую систему имеют нормальный закон распределения. Параметры распределения восстанавливались из экспериментальных данных измерения интегральных характеристик распределения тока пучка. Оптимальное распределение тока на мишени определялось за счет соответствующего выбора размеров прямоугольных объектного и углового коллиматоров. Для оптимальных параметров зондоформирующей системы показана глубина фокуса.

На основе теоретического анализа рассмотрен процесс транспортировки короткофокусных электронных пучков, формируемых газоразрядными электронными пушками, из низкого в высокий вакуум. При моделировании транспортировки электронного пучка в эквипотенциальном канале использованы основные электронно‐оптические уравнения траекторного анализа, описывающие взаимодействия электронного потока с магнитным полем фокусирующих линз и остаточным газом. Основная особенность разработанной модели — учет разброса тепловых скоростей электронов после прохождения ими области анодной плазмы. Полученные теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Проведены компьютерное моделирование и оптимизация ионно‐оптического тракта, предназначенного для фокусировки и сканирования ионных пучков, ускоренных циклотроном. Для увеличения амплитуды сканирования применен принцип усиления отклонения, основанный на рассеивающем действии квадрупольной линзы. Исследованы зависимость пропускания тракта от коэффициента усиления отклонения и влияние аберраций отклонения. Найдены режимы с максимальным пропусканием.

Исследованы методы снижения уровня радиальной составляющей магнитной индукции на оси рабочих каналов магнитных фокусирующих систем электровакуумных приборов. Показано, что за счет более точного размагничивания прессовок в процессе изготовления секторных магнитов и частичного их размагничивания перед сборкой, а также использования постоянных магнитов со специальной петлей гистерезиса можно существенно уменьшить радиальную составляющую магнитных периодических систем большого диаметра.

Изучено влияние неоднородного статического магнитного поля на характеристики квадрупольного масс‐анализатора. Для конструирования неоднородностей, создаваемых постоянными магнитами, введен скалярный потенциал по аналогии с электрическим. В качестве модели рассмотрен диполь как комбинация кулоновских центров с противоположными зарядами, расположенными близко друг от друга. Представленные результаты численного моделирования с использованием одного, двух и четырех диполей показали, что при определенных параметрах достигается увеличение разрешения в два раза.

Рассмотрены проблемы моделирования процессов автоэмиссии с поверхности углеродных нанотрубок. Основное внимание уделено влиянию неоднородности поля на форму потенциального барьера. В качестве тестовой задачи принят проводящий цилиндр (переходящий в конус со сферической вершиной), помещенный в однородное внешнее поле. Получены поправки к закону Фаулера—Нордгейма, учитывающие неоднородность внешнего поля в области туннелирования, и функция рассеяния виртуального источника, зависящая от эмиссионных параметров острийного эмиттера. Разработаны алгоритмы и программы расчета тока, углового и энергетического спектров эмиссии по заданному распределению внешнего поля вблизи эмиттера.

Обсуждены формирование и диагностика ультракоротких электронных банчей для лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), таких как FLASH, рентгеновский лазер XFEL и ЛСЭ для экстремальной ультрафиолетовой (УФ) литографии. Во всех ускорительных комплексах требуются формирование и диагностика ультракоротких электронных банчей с длиной около 50 мкм. Инфракрасный (ИК) ондулятор, изготовленный в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) и установленный на FLASH, применяется для измерения продольной длины электронных сгустков. Совместно с УФ‐ондулятором он также используется для двухцветной генерации излучения в ЛСЭ, что позволяет исследовать динамику атомных и молекулярных систем с временным разрешением 100—500 фс. Для измерения излучения ЛСЭ FLASH в широком диапазоне длин волн (6,5—30 нм) с большим динамическим диапазоном разработана диагностика на основе микроканальных пластин.

Исследованы закономерности формирования наноразмерной ионно‐индуцированной морфологии на поверхности высокоориентированного пирографита при высокодозном облучении ионами Ar+ энергии 30 кэВ и эмиссионные свойства модифицированной поверхности.

Для формирования интенсивных пучков многозарядных ионов в ряде лабораторий используют электронно-струнные ионные источники, впервые предложенные и реализованные в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). В этом источнике электроны совершают около 500—1000 осцилляций между электронной пушкой и отражательным электродом, что приводит к созданию плотной электронной плазмы (электронной струны) при низкой интенсивности электронов, эмитируемых с катода. В результате этого мощность источника уменьшается на два—три порядка по сравнению с электронно-лучевыми источниками (ЭЛИ). В электронно-струнных ионных источниках сформированы интенсивные пучки многозарядных ионов, таких как Ar16+, Fe24+ и Au51+, с током 100—200 мкA при длительности импульса 8 мкс. Для увеличения емкости ионной ловушки в ОИЯИ предложено использовать трубчатую геометрию электронной струны, что позволит получать пучки многозарядных ионов с импульсным током до 10 мA.

Дан краткий обзор докладов, представленных на IX Всероссийском семинаре “Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики”.

Исследовано влияние концентрации кислорода и давления плазмообразующего газа на элементный состав и оптические свойства пленок окиси цинка, полученных магнетронным распылением Zn-мишени и в Ar: O2‐среде постоянным и импульсным током ультразвуковой частоты. Изложены вычислительные процедуры для определения дисперсионных зависимостей показателей преломления и поглощения и ширины запрещенной зоны.

Впервые измерены катодное и анодное падения напряжения в мощных амальгамных лампах низкого давления. Погонная электрическая мощность лампы 2,4 Вт/см, рабочий ток 3,2 А, его частота 43 кГц. Метод определения катодного падения напряжения основан на изменении падения напряжения на электродах лампы при изменении тока накала ее электродов в стационарном режиме работы. Другим независимым способом определено суммарное (катодное плюс анодное) падение напряжений на электродах лампы. Максимальное катодное падение напряжения 10,8 В, анодное падение напряжения, соответствующее максимальному катодному падению напряжения, составило 2,4 В. Показано, что в мощных амальгамных лампах низкого давления анодное падение напряжения вносит значительный, а в некоторых случаях основной вклад в нагрев электродов, поэтому им нельзя пренебрегать при конструировании электродных узлов и электронного пускорегулирующего аппарата (ЭПРА), работающих на токах частотой в десятки килогерц.

Без использования теории возмущений на примере рассеяния квантованного электромагнитного поля возбужденным атомом показана допустимость в стандартной квантовой электродинамике сверхсветовых сигналов, переносящих информацию.

Рассмотрено дифференциальное сечение неполяризованного тормозного излучения электронов в однородном электрическом поле и в поле N рассеивающих центров. Проведен анализ сечений численными методами. Показано, что сечение имеет сложную осцилляционную структуру, отличающуюся от структуры сечений, полученных ранее.