Статья: Расчет электронно-оптических систем ЛБВО с полевой эмиссией (2008)

Предложены модельные представления для графоаналитического выбора материалов термоэлектрических преобразователей измерительного назначения в согласии с параметрами электроизмерительной системы по точности (чувствительности) и/или обнаружительной способности и по токометрическому или потенциометрическому способу измерения выходного сигнала термоэлектрического преобразователя.

Приводится анализ устранения проблем, возникающих при получении индиевых контактных столбиков для стыковки кремниевых БИС с фотоприемными матрицами на основе соединений кадмий–ртуть–теллур (КРТ) [1—6]. Изучены операции базового процесса: cушка фоторезиста, получение слоев индия на кремниевой структуре, травление слоев индия. Показан базовый технологический процесс, в результате проведения которого на стыковочной поверхности образуются дефекты в виде вздутий в окрестности контактного столбика.

Приведены расчеты параметров фильтрующего устройства (ФУ), в котором для фильтрации оптического излучения используется многолучевая интерференция (МИ). Ожидается, что это устройство может быть пригодно для получения изображений объектов в заданных узких спектральных диапазонах — spectral imaging (SI).

Приведены результаты испытаний на безотказность работы трех групп многорядных и матричных фотоприемных устройств (МФПУ) ФУК5М формата 4x288 элементов и ФУК6М формата 384x288 элементов, предназначенных для аппаратуры регистрации тепловых изображений в спектральном диапазоне 8—12 мкм. В процессе испытаний контролировались средние значения вольтовой чувствительности Su и удельной обнаружительной способности D* каналов ФУК5М и фоточувствительных элементов (ФЧЭ) ФУК6М.

Разработаны методики анализа на отказ и точной локализации дефектов интегральных схем с применением комбинаций методов наведенного тока и потенциального контраста в растровом электронном микроскопе. На основании экспериментальных данных выявлены основные виды дефектов, приводящих к отказам мультиплексоров. Рассмотрена возможность исправления дефектов с помощью технологии фокусированных ионных пучков.

Измерены угловые распределения протонов с энергией 240 кэВ, прошедших через стеклянные (боросиликатные) капилляры диаметром 0,1 и 0,5 мм, длиной 30, 65, 178 мм в диапазоне тока пучка протонов от 8,5·10-13 до 5·10-11 А при углах влета протонов относительно оси капилляра от –0,20 до +0,20. Форма угловых распределений протонов, прошедших через стеклянный капилляр длиной 65 мм, определена в значительной мере однократным рассеянием заряженных частиц внутренней поверхностью капилляра. Выявлено, что увеличение длины капилляра до 178 мм приводит к изменению формы угловых распределений, поскольку при этих размерах начинает сказываться влияние заряда внутренней поверхности капилляра.

Предложен и рассчитан сканирующий зондовый микроскоп (Focused Ion Beam или FIB) на медленных ионах He+, регистрирующий вместо кинетической вторичной электронной эмиссии потенциальную вторичную эмиссию и использующий коррекцию осевых аберраций с помощью комбинированного электромагнитного зеркала. Показано, что при условии коррекции одной только хроматической аберрации, FIB позволит получать разрешение 1,6 нм при исследовании металлических нанообъектов, что приблизительно в 4—6 раз лучше, чем разрешение существующих ионных микроскопов.

Проведено компьютерное моделирование автоэмиссионных микрокатодов. Для расчетов использована программа CPO3D, позволяющая определить распределение потенциала, напряженность поля и траектории заряженных частиц. Расчеты показали, что сильнее всего напряженность поля зависит от диаметра острия катода, форма которого принята в виде полусферы; достаточно резко выражена зависимость напряженности поля от расстояния между острием катода и анодной пластиной; диаметр отверстия анода мало влияет на величину напряженности поля вблизи острия.

Исследовано движение заряженных частиц в электростатическом гексапольно-цилиндрическом поле, образованном суперпозицией электростатических полей цилиндрического зеркала и кругового гексаполя. На основе аналитического метода решения степенными рядами уравнения движения, представленного в интегродиффереренциальной форме, проведен расчет траекторий заряженных частиц. Получены данные о фокусирующих свойствах гексапольно-цилиндрического зеркального анализатора.

Разработан, изготовлен и испытан макет ионного инжектора для ускорительных приложений, который объединяет геликоновый источник ионов и фильтр Вина. Получены следующие параметры источника ионов инжектора электростатического ускорителя: плотность плазмы 1011—9·1012 cм-3; плотность ионного тока 10—130 мA/cм2; яркость ~100 A/(м2 ·рад2 эВ); энергетический разброс 30 эВ при ВЧ-мощности, вводимой в плазму, 40—400 Вт и рабочем давлении в разрядной камере 2—10 мТорр. Методом матрицантов проведен расчет эволюции фазовых множеств в инжекторе ионов.

Математическое моделирование электронно-оптических устройств часто требует высокой точности и гладкости расчета электрических и магнитных полей во всем рабочем объеме, а не только вблизи оси симметрии, что необходимо для построения аберрационных рядов в окрестности произвольного главного луча. Для решения этой проблемы предложен эффективный метод моделирования нелинейных задач магнитостатики, основанный на декомпозиции расчетной области на подобласти, в которых применяются различные расчетные подходы (методы) конечных и граничных элементов. Сшивка решений на границах подобластей гарантируется применением единого итерационного процесса минимизации функционала энергии. Разработанный метод позволяет моделировать магнитные поля с большей точностью и меньшими вычислительными затратами.

Приведена методика численного моделирования электронно- и ионно-оптических систем; предложены алгоритмы и методы обеспечения высокой точности вычисления функции распределения потенциала методом граничных элементов; разработан метод поиска условий угловой и пространственной фокусировки высоких порядков. На базе данных методов создано программное обеспечение для траекторного анализа систем корпускулярной оптики, проведены исследование погрешностей вычислений и детальное тестирование на модельных схемах.

Рассмотрена проблема решения задач электродинамики в современных полупроводниковых приборах вакуумной микроэлектроники (ВМ) со сложной субмикронной геометрией. Для описания процессов электронного транспорта в полупроводнике использована квази-гидродинамическая модель, которая реализована в виде комплекса программ для многопроцессорных вычислительных систем с использованием оригинальных численных методов и алгоритмов на нерегулярных сетках. Разработанный программный комплекс позволяет моделировать фунционирование полупроводникового автокатодного узла и его характеристики, рассчитывать распределения электрического поля, плотности и энергии носителей заряда, температуры кристаллической решетки.

Предложен метод расчета интенсивных пучков заряженных частиц на прямоугольных квазиструктурированных сетках, которые строятся в два этапа: сначала расчетная область равномерной прямоугольной макросеткой разбивается на подобласти, а затем в каждом макроэлементе строится своя равномерная прямоугольная локально-модифицированная подсетка. Основу метода составляют построение и решение системы линейных алгебраических уравнений относительно значений потенциала электрического поля в узлах сетки, покрывающей границу сопряжения подобластей. Предлагаемый метод является прямым, так как в нем отсутствуют итерации по подобластям. Даны оценки эффективности предлагаемого алгоритма и результаты численных экспериментов. Перечислены основные свойства рассмотренного подхода.

Проведены теоретическое исследование и компьютерное моделирование пространственно-временнóй фокусировки фотоэлектронных пучков в нестационарных электрических полях. Разработана конструкция и изготовлены экспериментальные образцы фотоэлектронной пушки, совмещающей в себе функции фотохронографа и формирователя ультракоротких электронных пучков, предназначенных для экспериментов по электронной дифракции с временным разрешением (TRED). Экспериментально подтверждена возможность сокращения длительности исходного фотоэлектронного пучка в десятки раз (исходный 7 пс импульс был “сжат” до 285 фс). Показано, что теоретический предел временнóго разрешения, установленный в 1955 г. Е. К. Завойским и С. Д. Фанченко, может быть увеличен благодаря применению временнóй фокусировки фотоэлектронных пучков в специально выбранных электрических полях.

На новом протонном сканирующем микрозонде на базе электростатического ускорителя “Сокол” с максимальным напряжением 2 МВ начаты эксперименты в целях определения параметров пучка на мишени. Особенность микрозонда — интегрированная зондоформирующая система (ЗФС), которая основывается на дублетах магнитных квадрупольных линз новой конструкции. Изложен общий подход оптимизации оптики зондоформирующей системы. Дано описание конструктивных особенностей микрозонда. Приведены экспериментальные данные по измерениям параметров пучка.

Проведено тестирование криогенного источника позитронов с тестовым изотопом 22Na, активностью 0,8 МБк. Получен пучок медленных позитронов интенсивностью 5,8·103 частиц в секунду со средней энергией 1,2 эВ при ширине спектра 1 эВ. Доля замедленных позитронов составила 1 % от полного потока. Проведено исследование процесса накопления частиц в ловушке на электронах. В результате оптимизации параметров ловушки достигнуто время жизни накопленных электронов τlife ≥ 80 с, а эффективность захвата ε ∼ 0,4, что соответствует наилучшим результатам, полученным в ловушках подобного типа. При этом максимальное число накопленных частиц составило Nexper= 2⋅108 при первоначальном потоке 5⋅106 электрон/с.

Для формирования интенсивных ионных пучков в синхротронах в качестве одной из наиболее распространенных схем инжекции используется схема с электронным охлаждением и накоплением. Максимальная интенсивность формируемых ионных пучков определяется временем жизни ионов в синхротроне, а также эффективностью их охлаждения и накопления. Формирование высокоинтенсивных охлажденных ионных пучков ограничено развитием неустойчивости, приводящей к значительному снижению времени жизни ионов. В работе обсуждаются результаты экспериментальных исследований и расчетов по формированию и устойчивости высокоинтенсивных охлажденных ионных пучков в синхротронах при энергии инжекции.

Дан обзор последних достижений в развитии электронной и ионной оптики, отраженных в докладах ведущих отечественных и зарубежных исследователей и разработчиков, которые были представлены на VIII Всероссийском семинаре в Москве в период 29—31 мая 2007 г.

Теоретически исследовано влияние стохастического возмущения параметров потока жидкости на интегральные характеристики течения в плоском канале. Показано, что наложение внешних флуктуаций скорости и давления приводит к снижению гидродинамического сопротивления. Величина уменьшения сопротивления пропорциональна иненсивности источника стохастических возмущений.

На основе модели неустойчивых локальных структур показано, что при прохождении электромагнитных волн через жидкость возникает максимум поглощения, обусловленный резонансным взаимодействием этой волны с молекулами, находящимися в элементарной ячейке.