📄Работа №129418
Тема: Разработка и анализ программного обеспечения для численного моделирования автоэмиссионных систем
Тип работы
Магистерская диссертация
Предмет
информатика
Объем:
61 листов
Год:
2020
Просмотров:
146
4935
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 4
2 Постановка задачи 7
2.1 Физическая модель 8
2.2 Модельные упрощения и их обоснование 12
3 Обзор Литературы 15
3.1 Полевая эмиссия электронов 15
3.2 Динамика пучка заряженных частиц 16
3.3 Методы частиц 17
3.4 Вычислительный пакет 19
4 Математическая модель 20
4.1 Метод частицы в сетке 20
4.1.1 Расщепление на физические процессы 20
4.1.2 Модель макрочастицы 20
4.1.3 Интерполяция частицы-сетка 22
4.1.4 Интерполяция сетка-частицы 23
4.2 Расчётная область 24
4.3 Уравнения поля 25
4.4 Траектория пучка частиц 25
4.5 Численные схемы метода частицы в ячейке 27
4.5.1 Ядро макрочастицы 27
4.5.2 Решение граничной задачи для уравнения Пуассона . 28
4.5.3 Вычисление напряженности поля 31
4.5.4 Интегрирование уравнений движения 32
4.5.5 Вычисление плотности тока 34
4.6 Моделирование начальной скорости 36
5 Программная реализация и численный эксперимент 39
5.1 Вычислительный пакет DAISI 39
5.2 Реализация модели автоэмиссии 41
5.3 Моделирование начальной скорости 43
5.4 Консольный клиент для библиотеки вычислителя 44
5.5 Построение вычислительной сетки 48
5.6 Оценка эффективного коэффициента усиления поля 50
6 Результаты вычислений 53
7 Заключение и Выводы 58
Список литературы 60
2 Постановка задачи 7
2.1 Физическая модель 8
2.2 Модельные упрощения и их обоснование 12
3 Обзор Литературы 15
3.1 Полевая эмиссия электронов 15
3.2 Динамика пучка заряженных частиц 16
3.3 Методы частиц 17
3.4 Вычислительный пакет 19
4 Математическая модель 20
4.1 Метод частицы в сетке 20
4.1.1 Расщепление на физические процессы 20
4.1.2 Модель макрочастицы 20
4.1.3 Интерполяция частицы-сетка 22
4.1.4 Интерполяция сетка-частицы 23
4.2 Расчётная область 24
4.3 Уравнения поля 25
4.4 Траектория пучка частиц 25
4.5 Численные схемы метода частицы в ячейке 27
4.5.1 Ядро макрочастицы 27
4.5.2 Решение граничной задачи для уравнения Пуассона . 28
4.5.3 Вычисление напряженности поля 31
4.5.4 Интегрирование уравнений движения 32
4.5.5 Вычисление плотности тока 34
4.6 Моделирование начальной скорости 36
5 Программная реализация и численный эксперимент 39
5.1 Вычислительный пакет DAISI 39
5.2 Реализация модели автоэмиссии 41
5.3 Моделирование начальной скорости 43
5.4 Консольный клиент для библиотеки вычислителя 44
5.5 Построение вычислительной сетки 48
5.6 Оценка эффективного коэффициента усиления поля 50
6 Результаты вычислений 53
7 Заключение и Выводы 58
Список литературы 60
📖 Введение
Вакуумная наноэлектроника (ВНЭ) - новая область микро и наноэлектроники, получившая развитие в последние десятилетия. ВНЭ основана на использовании электронов в вакууме при размере активных элементов в десятые и сотые доли микрона. Практическим активным элементом в системах ВНЭ является автоэлектронный эмиттер. ВНЭ включает в себя микроскопические устройства и активные компоненты систем, соизмеримые с нанометровым масштабом. ВНЭ является своего рода альтернативной электроникой по отношению к твердотельной и использует управляемое баллистическое движение электронов в вакууме, в отличие от переноса носителей (электронов и дырок) в полупроводниках. Малость автоэмиттера позволяет миниатюризировать активные элементы вплоть до 10-8...10-9 м. В настоящее время есть экспериментальные результаты, показывающие, что для особых материалов (в частности, нанотрубок углерода и т.д.) размер активных элементов может составлять десятки атомных размеров. Малые размеры автокатода позволяют реализовать плотность элементов до 108 ...1010 см-2, а с использованием самоорганизующихся систем (фуллеренов, нанотрубок т. д.) до 1012 см 2.
Полевая эмиссия характеризуется следующими преимуществами [ ]:
1) отсутствие рассеяния энергии при переносе электронов в вакууме, которое обеспечивает преимущество при создании целого класса мощных, в том числе СВЧ приборов;
2) безынерционность автоэмиссионного процесса и короткий период переноса электронов в вакуумном зазоре, позволяющие создавать быстро-действующие высокочастотные устройства;
3) резкая нелинейность вольт-амперных характеристик автоэмиссии и возможность создания за счет этого преобразователей и умножителей частоты;
4) отсутствие энергетических затрат па эмиссионный акт вследствие квантовой природы туннелирования;
5) радиационная и термическая стойкость эмиттера.
Однако, полевая эмиссия также обладает и своими недостатками:
1) требуется высокая глубина вакуума, так как при сорбировании остаточных газов па поверхности автокатода увеличивается работа выхода материала эмиттера, что может значительно уменьшать эмиссионный ток;
2) сложность изготовления папоразмерных эмиттеров, а также их деформация в ходе работы, которая влечет приход всего устройства в негодность;
3) область высоких напряжений, где электроны приобретают наибольшую энергию, лежит в зоне острия эмиттера. В результате электрон получает вектор скорости, далеко не всегда совпадающий с вектором напряженности поля в приборе. Электронный пучок расширяется, по поскольку используется мпогоострийная или многолезвийная система, то общий поток электронов получается пересекающимся, из-за чего требуется прибегать к различным технологическим приемам для сужения и выпрямления пучка;
В настоящее время перспективными источниками электронов в вакуум- пых приборах па основе автоэлектронной эмиссии являются эмисионные катоды в виде мпогоэмиттерных массивов [ ]. В данной работе рассматривается ячейка тонкопленочного мпогоэмиттерного автокатода с лезвийной структурой эмиттеров вертикального типа [ ] в триодной копигурации (Рис. 1).
Полевая эмиссия характеризуется следующими преимуществами [ ]:
1) отсутствие рассеяния энергии при переносе электронов в вакууме, которое обеспечивает преимущество при создании целого класса мощных, в том числе СВЧ приборов;
2) безынерционность автоэмиссионного процесса и короткий период переноса электронов в вакуумном зазоре, позволяющие создавать быстро-действующие высокочастотные устройства;
3) резкая нелинейность вольт-амперных характеристик автоэмиссии и возможность создания за счет этого преобразователей и умножителей частоты;
4) отсутствие энергетических затрат па эмиссионный акт вследствие квантовой природы туннелирования;
5) радиационная и термическая стойкость эмиттера.
Однако, полевая эмиссия также обладает и своими недостатками:
1) требуется высокая глубина вакуума, так как при сорбировании остаточных газов па поверхности автокатода увеличивается работа выхода материала эмиттера, что может значительно уменьшать эмиссионный ток;
2) сложность изготовления папоразмерных эмиттеров, а также их деформация в ходе работы, которая влечет приход всего устройства в негодность;
3) область высоких напряжений, где электроны приобретают наибольшую энергию, лежит в зоне острия эмиттера. В результате электрон получает вектор скорости, далеко не всегда совпадающий с вектором напряженности поля в приборе. Электронный пучок расширяется, по поскольку используется мпогоострийная или многолезвийная система, то общий поток электронов получается пересекающимся, из-за чего требуется прибегать к различным технологическим приемам для сужения и выпрямления пучка;
В настоящее время перспективными источниками электронов в вакуум- пых приборах па основе автоэлектронной эмиссии являются эмисионные катоды в виде мпогоэмиттерных массивов [ ]. В данной работе рассматривается ячейка тонкопленочного мпогоэмиттерного автокатода с лезвийной структурой эмиттеров вертикального типа [ ] в триодной копигурации (Рис. 1).
✅ Заключение
В данной работе описана математическая модель триодной ячейки массива автоэмиссионного катода, используя методы частицы в сетке и расщепления задачи на физические процессы. Модель включает в себя как формализацию, так и описание численных схем, необходимых для решения полученных задач.
Рассмотрен метод численного решения уравнений в частных производных эллиптического типа с помощью конечно-разностной аппроксимации высокого порядка точности на неравномерной сетке, также проанализированы методы решения полученной сеточной системы линейных алгебраических уравнений, в частности подробно изучен метод последовательной верхней релаксации, который является одним из наиболее эффективными при решении сеточных систем такого типа.
Рассмотрена схема численного интегрирования системы обыкновенных дифференциальных уравнений с перешагиванием. Схема устойчива на длинных траекториях, в силу того, что ошибки аппроксимации законов сохранения энергии и импульсов ограничены. Исходя из задачи интегрирования траекторий макрочастиц (39), данная схема подходит под специфику этой задачи, так как требуется рассчитывать относительно длинные траектории. Также в сравнении с другими схемами, метод с перешагиванием экономичен в вычислительном смысле, для обеспечения второго порядка точности по шагу необходимо только одно вычисление правой части системы обыкновенных дифференциальных уравнений.
В вычислительный пакет DAISI добавлены следующие модификации:
1) Расчёт плотности тока согласно модели Фаулера-Нордгейма, а также последующая инжекция частиц в расчётную область на основе эффекта полевой эмиссии.
2) Возможность задания начального распределения скоростей частиц.
3) Пакет адаптирован для запуска серий вычислительных экспериментов в высокопроизводительной вычислительной системе с общей памятью.
В ходе модификации пакета DAISI изучены способы организации объектно-ориентированного PIC-кода на примере уже существующего и работающего вычислительного пакета, написанного на C++.
Проведены следующие вычислительные эксперименты, используя модифицированный пакет DAISI:
1) Осуществлён обоснованный выбор вычислительной сетки.
2) Смоделировано начальное распределение скоростей, на основе экспериментальных спектров начальных энергий частиц.
3) Подобран коэффициент эффективного усиления поля в виде функции напряженности на основе экспериментальных данных.
4) Вычислены зависимость анодного тока от затворного напряжения и такие свойства ячейки, как потенциал в межэлектродном пространстве, напряженность электрического поля с учетом распределения заряда автоэлектронов в межэлектродном пространстве, плотность заряда и общий ток эмиссии (Рис. 17, 18, 19, 20, 21, 22)
Работа выполнена с использованием оборудования ресурсного центра Научного парка СПбГУ Вычислительный центр и Междисциплинарного ресурсного центра по направлению «Нанотехнологии» СПбГУ.
Рассмотрен метод численного решения уравнений в частных производных эллиптического типа с помощью конечно-разностной аппроксимации высокого порядка точности на неравномерной сетке, также проанализированы методы решения полученной сеточной системы линейных алгебраических уравнений, в частности подробно изучен метод последовательной верхней релаксации, который является одним из наиболее эффективными при решении сеточных систем такого типа.
Рассмотрена схема численного интегрирования системы обыкновенных дифференциальных уравнений с перешагиванием. Схема устойчива на длинных траекториях, в силу того, что ошибки аппроксимации законов сохранения энергии и импульсов ограничены. Исходя из задачи интегрирования траекторий макрочастиц (39), данная схема подходит под специфику этой задачи, так как требуется рассчитывать относительно длинные траектории. Также в сравнении с другими схемами, метод с перешагиванием экономичен в вычислительном смысле, для обеспечения второго порядка точности по шагу необходимо только одно вычисление правой части системы обыкновенных дифференциальных уравнений.
В вычислительный пакет DAISI добавлены следующие модификации:
1) Расчёт плотности тока согласно модели Фаулера-Нордгейма, а также последующая инжекция частиц в расчётную область на основе эффекта полевой эмиссии.
2) Возможность задания начального распределения скоростей частиц.
3) Пакет адаптирован для запуска серий вычислительных экспериментов в высокопроизводительной вычислительной системе с общей памятью.
В ходе модификации пакета DAISI изучены способы организации объектно-ориентированного PIC-кода на примере уже существующего и работающего вычислительного пакета, написанного на C++.
Проведены следующие вычислительные эксперименты, используя модифицированный пакет DAISI:
1) Осуществлён обоснованный выбор вычислительной сетки.
2) Смоделировано начальное распределение скоростей, на основе экспериментальных спектров начальных энергий частиц.
3) Подобран коэффициент эффективного усиления поля в виде функции напряженности на основе экспериментальных данных.
4) Вычислены зависимость анодного тока от затворного напряжения и такие свойства ячейки, как потенциал в межэлектродном пространстве, напряженность электрического поля с учетом распределения заряда автоэлектронов в межэлектродном пространстве, плотность заряда и общий ток эмиссии (Рис. 17, 18, 19, 20, 21, 22)
Работа выполнена с использованием оборудования ресурсного центра Научного парка СПбГУ Вычислительный центр и Междисциплинарного ресурсного центра по направлению «Нанотехнологии» СПбГУ.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.