Регистрация / Вход
Прислать материал

Холодные взрывоэмиссионные катоды на основе многослойных графеновых структур и графено-подобных нанометровых пленок

Докладчик: Максименко Сергей Афанасьевич

Должность: Заведующий лабораторией электродинамики неоднородных сред Института ядерных проблем БГУ, заведующий лабораторией электродинамики неоднородных сред Научно-исследовательского учреждения «Институт ядерных проблем» БГУ

Цель проекта:
Целью работы является формирование научно-технического задела и получение значимых научных результатов в области создания холодных, в частности гибридных, взрывоэмиссионных катодов для использования в вакуумных устройствах сильноточной электроники на основе многослойного графена и графено-подобных тонких пленок пиролитического углерода нанометровой толщины, синтезированных методом химического парофазного осаждения (CVD) непосредственно на медных подложках большого диаметра (не менее 5 см), что позволит перейти к созданию новых видов научно-технической продукции и инновационных технологий по приоритетному направлению «Индустрия наносистем».

Основные планируемые результаты проекта:
Ожидаемые результаты:
1. экономичная технология синтеза методом CVD без непрерывного потока газа внутри камеры графеноподобных пленок и многослойных графеновых структур непосредственно на медных подложках большой площади (сантиметры), отличающиеся высокой адгезией к медным подложкам;
2. результаты числительных экспериментов по установлению влияния на эмиссионную способность гибридных катодов медь/графен конструкционно-топологических параметров,
3. рекомендации по профилированию медных подложек, нанесению методом спин-коутинга на них рельефа, наиболее эффективного для создания высоких плотностей тока и напряжений;
4. результаты экспериментального исследования эмиссионной способности разработанных катодов при подаче на них импульсов напряжения от 150 до 500 кВ с целью определения возможности их применения для создания сильноточных электронных пучков;
5. серия экспериментальных образцов гибридных катодов медь/графен большой площади (диаметром не менее 5 см), демонстрирующие стабильную взрывную эмиссию электронов, обеспечивающие высокие плотности тока (до 300 А/см^2);
6. серия экспериментальных образцов гибридных катодов медь/пиролитический углерод;
7. технические предложения на макет источников рентгеновского излучения с использование созданных в рамках ПНИ катодов;
8. научные основы и научно-технический задел для создания холодных взрывоэмиссионных катодов на основе многослойных графеновых структур и графено-подобных нанометровых пленок.
Для достижения цели проекта будут решены следующие задачи:
Будет разработана экономичная технология синтеза методом CVD без непрерывного потока газа внутри камеры графеноподобных пленок и многослойных графеновых структур непосредственно на медных подложках большой площади (десятки квадратных сантиметров);
Будут разработаны, исследованы и апробированы технологические подходы для повышения адгезии графена и графено-подобных пленок пиролитического углерода к медным подложкам взрывоэмиссионных катодов, что необходимо для обеспечения однородности эмиссии со всей площади катода;
Впервые в мире полученные гибридные катоды медь/графен будут исследованы на способность к стабильной взрывной эмиссии электронов, обеспечивающей высокие плотности тока (до 300 А/см^2), с помощью наносекундного импульсного ускорителя электронов, разработанного ранее участниками проекта;
Методами атомной силовой микроскопии, сканирующей и просвечивающей микроскопии. спектроскопии комбинационного рассеяния будут изучены морфология, структура, дефектность графеновых пленок до и после цикла взрывоэмиссионных экспериментов;
Будут разработаны алгоритмы и программы для численного моделирования взрывоэмиссионных процессов в сильноточной электронике. На основании результатов численного моделирования будут выработаны рекомендации к геометрии катод-анодного узла, будут сформулированы рекомендации по профилированию медных подложек, нанесению методом спин-коутинга на них рельефа, наиболее эффективного для создания высоких плотностей тока;
Будет выполнена конструктивная доработка катодного узла импульсного ускорителя электронов, разработанного ранее исполнителями проекта, для установки созданных в рамках ПНИ катодов как для для взрывной электронной эмиссии;
Будет исследована эмиссионная способность разработанных катодов при подаче на них импульсов напряжения от 150 до 500 кВ с целью определения возможности их применения для создания сильноточных электронных пучков;
Будет исследовано время жизни катодов в условиях работы в частотном режиме (частота следования импульсов 1Гц)
Будут созданы экспериментальные образцы гибридных катодов медь/графен и медь/пиролитический углерод и сформулированы технические предложения на макеты источников излучения в рентгеновском и СВЧ диапазонах.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые в рамках данной ПНИ новые взрывоэмиссионные катоды, в том числе гибридные, медь/графен и медь/пиролитический углерод, обладающие повышенной эмиссионной способностью, могут позволить увеличить плотность генерируемого тока, по сравнению со стандартными катодами (графитовыми), используемыми в импульсной сильноточной технике и, тем самым, повысить выход рентгеновского излучения. Решение указанных проблем позволит создать стабильные и эффективные катоды для взрывной электронной эмиссии, что открывает путь к созданию источников рентгеновского и СВЧ излучения с новыми параметрами. Это, в свою очередь, открывает принципиальную возможность реализации технологии пространственного сканирования исследуемых объектов путем переключения отдельных источников рентгеновского излучения, расположенных вокруг исследуемого объекта. Задача пространственного сканирования рентгеновского излучателя вокруг исследуемого объекта является ключевой при создании рентгеновских 3D-изображений нестационарных и движущихся объектов. В частности, для создания досмотровых систем контроля грузов и багажа (проблема безопасности) и кардиотомографов (медицина), способных работать в реальном режиме времени. Использование протяженных рентгеновских источников с автоэмиссионными катодами полностью исключает движение высоковольтных узлов и систем регистрации и, соответственно, удешевляет не только эксплуатационное обслуживание, но и ремонтный сервис такого рода устройств.

Текущие результаты проекта:
Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, касающейся возможности использования графена и графено-подобных пленок, а также массивов УНТ в качестве рабочей поверхности холодных взрывоэмиссионных катодов.
Проведены патентные исследования по направлению: применения углеродных наноматериалов для создания холодных взрывоэмиссионных катодав в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96 .
Проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике;
Выбрано направление исследования, в том числе: — разработка возможных направлений проведения исследований; — разработка возможных решений отдельных исследовательских задач;
Разработана теория функционирования объекта ПНИ.