Какие есть способы управления электронными пучками. Электронные пучки

При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. Некоторые вещества (стекло, суль фиды цинка и кадмия), бомбардируемые* электронами, светятся. В настоящее. время среди материалов этого типа (люминофоров") применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка. Виагра купить перевод виагра doctor-stvol.com/viagra-100/4615-viagra-100-dnepr .

Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 177).

Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо (рис. 178). Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния) наблюдается только у полюсов.

Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного полей и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка.

Электронно-лучевая трубка - основной элемент телевизора и осциллографа*- прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 179).

Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 180 Трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце трубки помещен источник быстрых электронов - электронная пушка (рис. 181). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагаются друг за» другом). Электроны испускаются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического катода С, окруженного теплозащитным экраном //. Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде В (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод ai и Л 2 состоит из дисков с небольшими отверстиями. Эти диски вставлены в металлические цилиндры. Между первым анодом и катодом создается разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади поперечного сечения пучка на экране почти до точки.

На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора (см. рис. 180). Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении.

Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании электронных приборов, лазеров, а также в плазмохимии, спектроскопии, при обработке материалов, электронно-лучевой сварке и в диагностических измерениях. Известен способ получения электронного пучка (патент США 4641316, МПК 4 Н 01 S 3/09), включающий осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстие в аноде. При этом высоковольтный разряд осуществляют в непрерывном режиме, используя аномальный тлеющий разряд. Причем если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере. Ускоряют электроны в области катодного падения потенциала. Анод используют кольцевой. На катоде, выполненном из алюминия или магния, применяют окисное покрытие Аl 2 О 3 или Mg 2 O 3 , либо высоковольтный разряд осуществляют в смеси газов с небольшой примесью кислорода. Недостатками данного способа являются низкая эффективность формирования электронного пучка и сильное распыление катода, сокращающее срок его службы. Причины недостатков заключаются в следующем. Для получения электронов используют их эмиссию из катода под действием ионов, ускоренных в области катодного падения потенциала и бомбардирующих катод, ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Кроме того, режим большого тока ионов на катод, необходимый для получения электронов, и высокая величина энергии ионов, необходимая для повышения эффективности формирования электронного пучка, разрушают окисное покрытие, которое используют для повышения коэффициента ионно-электронной эмиссии, в результате имеет место быстрый выход катода из строя. Другой известный способ получения электронного пучка (а.с. СССР 820511, МПК 3 Н 01 J 39/35) включает осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстия в аноде, подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при осуществлении высоковольтного разряда. При этом высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, при более, чем двукратном его перенапряжении, величина давления газа в разрядной камере составляет свыше 0,1 Торр, причем если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, электроны ускоряют в области катодного падения потенциала, а анод используют сетчатый. Недостатком данного способа является низкая эффективность формирования электронного пучка вследствие необходимости использования сетчатого анода и вследствие того, что в своем движении внутри ускорительного промежутка от катода к аноду электроны производят ионизацию рабочего газа. Ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Другим существенным недостатком является распыление катода, что приводит к ограничению срока его эксплуатации. Причина этого недостатка - существование значительного ионного тока на катод, формируемого ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ получения электронного пучка (А.Р.Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201), включающий осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстия в аноде, подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при осуществлении высоковольтного разряда. Причем высоковольтный разряд осуществляют в непрерывном режиме, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, величину подаваемого напряжения варьируют от 1 до 6 кВ, величина давления газа в разрядной камере составляет от 1 до 10 Торр, в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, электроны ускоряют в области катодного падения потенциала, а анод используют сетчатый. Недостатком данного технического решения является сравнительно низкая эффективность формирования электронного пучка вследствие необходимости использования сетчатого анода и вследствие того, что в своем движении внутри ускорительного промежутка от катода к аноду электроны производят ионизацию рабочего газа. Ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Другим существенным недостатком является распыление катода, происходящее из-за значительного ионного тока на катод, формируемого ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала. Техническим результатом изобретения является: - повышение эффективности формирования электронного пучка; - уменьшение распыления катода. Технический результат достигается тем, что в способе получения электронного пучка проводят в непрерывном режиме высоковольтный разряд в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускоряют и извлекают электронный пучок через отверстия в аноде, осуществляют подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере. В качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями. В способе получения электронного пучка величину напряжения, подаваемого в непрерывном режиме, варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр. Технический результат достигается тем, что в способе получения электронного пучка проводят высоковольтный разряд в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускоряют и извлекают электронный пучок через отверстия в аноде, осуществляют подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями. В способе получения электронного пучка величину подаваемого в импульсном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 8 до 16 Торр. Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами. На фиг. 1 схематично изображена разрядная камера, содержащая катод 1, плоский анод 2 в виде пластины с просверленными отверстиями, вставку с диэлектрическими каналами 3, выполненную из кварца, причем диэлектрические каналы располагают соосно отверстиям в аноде, и коллектор электронов 4. На фиг.2 показана вольт-амперная характеристика, например, непрерывного разряда в гелии (аналогичные вольт-амперные характеристики получены для импульсного разряда), демонстрирующая высокую эффективность формирования электронного пучка, где 5 - зависимость тока анода, компенсирующего ток ионов на катод, от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 6 - зависимость тока анода, компенсирующего ток ионов на катод, от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр, 7 - зависимость тока электронов пучка на коллекторе от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 8 - зависимость величины суммарного тока с катода от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 9 - зависимость величины суммарного тока с катода от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр, 10 - зависимость эффективности формирования электронного пучка от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 11 - зависимость эффективности формирования электронного пучка от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр. Осуществление заявляемого способа в разрядной камере (фиг.1) происходит следующим образом. Повышением напряжения между катодом и анодом переводят электроны, эмитированные катодом, в режим ускорения и выносят в дрейфовое пространство за анодом. Часть ускоренных электронов, рожденных на катоде под выполненной из кварца вставки с диэлектрическими каналами, попадает на ее поверхность и заряжает ее до потенциала U=E/e, где Е и е - соответственно энергия и заряд электрона. Тем самым формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, так как поле в промежутке вставка с диэлектрическими каналами - катод практически полностью исчезает. Взаимодействием поля, создаваемого заряженной вставкой с диэлектрическими каналами, с приложенным полем создают эквипотенциальные поверхности типа поверхности АВ, показанной на фиг.1, величина потенциала на которой близка к приложенному напряжению, U АВ ~U к. Электроны, эмитированные катодом, в начале своего пути направляют через протяженную область с низким градиентом потенциала и только затем ускоряют до энергии E=eU к и производят ими ионизацию газа. Поскольку вставку с диэлектрическими каналами заряжают до потенциала примерно соответствующего потенциалу катода, то ускоряющее поле существенно только в диэлектрических каналах. Поэтому образование ионов и вторичных электронов происходит преимущественно в этих каналах и в дрейфовом пространстве за анодом. Вследствие эффективного протекания процессов амбиполярной диффузии они рекомбинируют на стенках каналов и на катоде, не вызывая переноса тока между катодом и анодом. Быстрые ионы, рожденные в области высокого градиента потенциала, расположенной за эквипотенциальной поверхностью АВ, рассеивают свою энергию в упругих соударениях с атомами рабочего газа и также теряют свою способность векторно переносить ток на катод. В итоге подавляющую часть тока в камере переносят электроны пучка. Для оптимального выбора интервала напряжения были построены зависимости изменения эффективности формирования электронного пучка от подаваемого напряжения (как при подаче напряжения в непрерывном режиме, так и в импульсном), например, при вариации его от 450 В до 4 кВ (фиг.2, кривые 10 и 11, непрерывный режим подачи напряжения). Оптимальный интервал значений подаваемого напряжения как в непрерывном, так и в импульсном режиме составил 1,510 кВ. При изменении напряжения горения от зажигания U~450 В до U~650 В генерация электронного пучка происходит как в способе получения электронного пучка (патент США 4641316, МПК 4 H 01 S 3/09), где использован аномальный тлеющий разряд. Эффективность формирования электронного пучка выражается соотношением =j e /(j e +j i), (1) гдe j i - плотность тока ионов, бомбардирующих катод; j e - плотность тока эмиссии электронов. Так как j e = i j i (2), где i - коэффициент ионно-электронной эмиссии, то = i /( i +1) (3). Данный интервал значений напряжения характеризуется невысокими соответствующими значениями эффективности формирования электронного пучка, так как i меньше 0,5. Высокую эффективность формирования электронного пучка можно получить только при более высоком напряжении. В интервале значений напряжения от U~650 В до U~1200 В значения эффективности формирования электронного пучка постепенно повышаются до ~95%, так как, помимо электрон-ионной эмиссии, значительно возрастает фотоэмиссия. Одновременно с этим набираемая электронами энергия становится настолько значительной, что они заряжают поверхность вставки с диэлектрическими каналами до потенциала, близкого к значению приложенного напряжения. В результате поле в промежутке катод - вставка с диэлектрическими каналами резко ослабляется, принимая вид, показанный на фиг.1 (эквипотенциальная поверхность АВ). Совместно с действием амбиполярного механизма гибели ионов и вторичных электронов это вызывает глубокое падение ионного тока на катод и электронного тока на анод. Падение значения анодного тока настолько велико, что приводит к возникновению участка с падающей вольт-амперной характеристикой и для суммарного тока, фиг.2 кривая 8. Однако при этом рост тока электронного пучка сохраняется (фиг.2 кривая 7). В интервале от U~2 кВ до U~5 кВ значения напряжения настолько велики, что электроны переходят в режим ускорения во всем разрядном промежутке между катодом и анодом, а не только в области вблизи эквипотенциальной поверхности АВ. Поэтому в основном они производят ионизацию внутри диэлектрических каналов кварцевой вставки и в области дрейфового пространства. Вследствие развитости боковой структуры диэлектрических каналов вставки, ионы и вторичные электроны, рожденные там, гибнут на стенках в результате процессов амбиполярной диффузии, что уменьшает приток ионов в прикатодную область и вызывает ослабление ионного тока на катод, а также компенсирующего его электронного тока на анод. Все это приводит к увеличению эффективности формирования электронного пучка до величины ~99,5% при значении тока электронов I е ~1520 мА. В этом интервале варьирования значения напряжения реализуются оптимальные условия формирования электронного пучка по заявляемому способу. Превышение электронного тока над ионным достигает фактора I е /I i =200, что значительно выше, чем в известном способе. В таком же соотношении уменьшается и скорость распыления катода. При миллисекундных импульсах возбуждения, когда разогрев газа и его вытеснение из камеры меньше, значение еще выше и достигает значения равного 99,8% или более, значение фактора I e /I i =500. При более высоких напряжениях, чем значения рассмотренного интервала, ионы, ускоренные в зоне за эквипотенциальной поверхностью АВ, приобретают настолько большую энергию, что уже могут "пробить" протяженную область с низким градиентом потенциала и достигнуть катода, что приводит в данном случае к постепенному снижению эффективности формирования электронного пучка при I е ~20 мА и более и в зависимости от давления газа в разрядной камере при подаваемом напряжении U от 4 до 5 кВ. При давлении газа в разрядной камере, равном Р=4 Торр, падение эффективности формирования электронного пучка имеет место при подаваемом напряжении 10 кВ. "Пробой" происходит из-за быстрого снижения сечения столкновения иона с атомами газа при увеличении энергии иона. В результате происходит перенос потенциала вглубь протяженной области с низким градиентом потенциала, что уменьшает ее толщину, и, наконец, при U более 5 кВ (I e ~100 мА и более) имеет место зажигание аномального разряда и резкое (до ~ 80% и ниже) снижение эффективности формирования электронного пучка. Для выбора интервала давления газа в разрядной камере, в котором имеет место повышение эффективности формирования электронного пучка, были проведены эксперименты при изменении давления газа в камере от 4 до 20 Торр. Оптимальный интервал значений газа в разрядной камере составил 612 Торр при подаче напряжения в непрерывном режиме. При подаче напряжения в импульсном режиме данный интервал составил - 816 Торр. Направление на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда повышает выход электронов с катода, что эквивалентно повышению i (соотношение 2), и тем самым повышает (соотношение 3) и приводит к относительному уменьшению распыления катода. Использование дрейфового пространства за анодом в качестве источника излучения, вызывающего фотоэффект, позволяет получить как непрерывный, так и импульсный режим формирования электронного пучка. В заявляемом способе в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями, и расположенную позади вставки с диэлектрическими каналами (3) (фиг.1). Это является фактором способствующим повышению эффективности формирования электронного пучка, так как анод в этом случае не перехватывает ток быстрых электронов, как в известном способе пучка (А.Р. Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201), а формирование вблизи катода протяженной области с низким градиентом потенциала приводит к дополнительному росту эффективности формирования электронного пучка. Действительно, как показано (П.А.Бохан. Механизм формирования и генерация интенсивных электронных пучков в открытом разряде. Журнал технической физики, т.61, в.6, 1991, с. 61-68), эффективность формирования электронного пучка без учета потерь в анодной сетке равна
вн = 1/(1+(dw/dx)/w 0) (4),
где - доля энергетических затрат электронного пучка, идущая на ионизацию, которая составляет от 60 до 70% для благородных газов;
- длина ускорительного зазора;
dw/dx - энергетические потери пучка при движении в газе;
w 0 - средняя энергия, затрачиваемая на образование одного иона. Например, в гелии при давлении Р He =10 Торр, U=2 кВ и =0,7 мм потери dw/dx=185 эВ/см. Так как для гелия w 0 ~50 эВ, то, в соответствии с соотношением (4), в этом режиме вн = 86,5%. Если геометрическая прозрачность анодной сетки = 85%, то в итоге эффективность формирования электронного пучка в известном способе (А. Р. Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201) составляет всего ~ 74%. В заявляемом способе эффективность формирования электронного пучка намного выше см. фиг.2 (кривая 10, 11). При ионной бомбардировке катода скорость распыления его пропорциональна плотности тока ионов на катод, и составляет, в зависимости от материала катода и энергии ионов, 0,2-1,5 атома/ион (М.А.Завьялов, Ю.Б.Крейдель, А.А. Новиков, Л. П. Шантурин. Плазменные процессы в технологических электронных пучках. М. : Энергоиздат, 1989, 256 с.). Так как в заявляемом способе величина плотности тока ионов на катод в десятки раз меньше, чем в известных способах (А.Р.Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201; а.с. СССР 820511, МПК 3 Н 01 J 39/35; патент США 4641316, МПК 4 Н 01 S 3/09), то соответственно и распыление катода - в десятки раз меньше. Пример 1
При давлении газа в разрядной камере, равном 10,1 Торр, напряжении в непрерывном режиме U= 2,5 кВ, при I e =20 мА эффективность формирования электронного пучка составляет 99,2%. Пример 2
При давлении газа в разрядной камере, равном 9,1 Торр, напряжении в непрерывном режиме U=3,6 кВ, при I е =25 мА эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,4%. Пример 3
При давлении газа в разрядной камере, равном 7,6 Торр, напряжении в непрерывном режиме U=5,1 кВ, при I е =20 мА эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,3%. Пример 4
При давлении газа в разрядной камере, равном 8,1 Торр, напряжении в импульсном режиме U=8 кВ, при I е =70 мА, длительности импульса =1mS эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,6%. Пример 5
При давлении газа в разрядной камере, равном 12 Торр, напряжении в импульсном режиме U=6 кВ, при I e =100 мА, длительности импульса = 100S эффективность формирования электронного пучка составляет около 99%. Пример 6
При давлении газа в разрядной камере, равном 16 Торр, напряжении в импульсном режиме U=4 кВ, при I e =200 мА, длительности импульса = 50S эффективность формирования электронного пучка составляет около 98%. Таким образом, применение заявляемого способа для получения электронных пучков дает возможность получать их с высокой эффективностью и продлевать срок службы катода.

Формула изобретения

1. Способ получения электронного пучка, заключающийся в проведении в непрерывном режиме высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, отличающийся тем, что вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем диэлектрические каналы располагают соосно в аноде, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.2. Способ получения электронного пучка по п.1, отличающийся тем, что величину подаваемого в непрерывном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр.3. Способ получения электронного пучка, заключающийся в проведении высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом, если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, отличающийся тем, что высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем диэлектрические каналы располагают соосно отверстиям в аноде, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.4. Способ получения электронного пучка по п.3, отличающийся тем, что величину подаваемого в импульсном напряжении варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 8 до 16 Торр.

Электронный пучок –это направленный поток электронов. Можно, например, получить электронный пучок из электронной лампы. Для этого необходимо сделать в аноде отверстие. Часть электронов ускоренных электрическим полем будут попадать в это отверстие и создавать за анодом электронный пучок. Причем мы сожжем даже управлять количеством электронов в этом пучке. Для этого надо будет поставить между катодом и анодом дополнительный электрод, потенциал которого мы будем изменять.

Основные свойства электронного пучка

При попадании пучка электронов на поверхность какого-либо тела, он будет вызывать нагревание этого тела.Это свойство электронных пучков широко используется для электронной плавки сверхчистых металлов.
Получение рентгеновского излучения, которое будет возникать приторможении быстрых электронов. Это свойство широко используется в рентгеновских трубах и аппаратах, сделанных на их основе.
При попадании пучка электронов на некоторые вещества, например, стекло, они начинают светиться. Этиматериалы получили название люминофоров.
Электронные пучки будут отклоняться электрическим полем. Если, например, мы пустим пучок электронов между пластинами конденсатора, электроны будут отклоняться от отрицательно заряженной пластины.
Электронный пучок отклоняется под действием магнитного поля. Если пустить пучок электронов над северным полюсом магнита, то он отклонится в левую сторону, а если над южным – в правую сторону. Именно поэтому полярное сияние можно наблюдать толькоу полюсов Земли.

Последние три свойства электронного пучка нашли применение в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка

Общий вид и устройство электронно-лучевой трубки представлены на следующем рисунке:

картинка

В узком краю ЭЛТ расположена электронная пушка. Она состоит из катода и анода и является источником пучка электронов. В электронной пушке пучок электронов разгоняется до нужной скорости. Помимо этого, в электронной трубке пучок электронов фокусируется таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения была почти точечных размеров.

После того, как пучок вылетает из электронной пушки он последовательно проходит через две пары управляющих пластин. Они способствуют изменению направления пучка. Если на них нет разности потенциалов, то пучок будет направлен в середину экрана. Если мы подадим напряжение на вертикально расположенные пластины, пучок сместится в горизонтальном направлении на некоторый угол. Если мы подадим напряжение на горизонтально расположенные пластины, соответственно, пучок сместится в вертикальном направлении. Таким образом, используя две пары пластин, мы можем добиться смещение луча в любую точку экрана.

Параметры электронных пучков

На рисунке изображена схема источника электронов, пред-

установках. Электроны вытягиваются из катода, если на

Кроссо́вер (англ. crossover, сокр. х-over , буквальнопереходное или согласующее устройство, пограничное или переходное явление, пересечение и т. п.) - собирательное название, относящееся к различным понятиям и предметам:

Кроссовер - точка минимального сечения электронного пучка в электронной пушке,электронном микроскопе.

сти катода, а радиусом кроссовера r c , который может быть

На рисунке приведена схема источника и траектории элек-

Для определения радиуса кроссовера r c пучка электронов, эмитированных с катода с начальной скоростью vo (соответствующей энергии eVo) используется соотношение:

Получаем

Из этого равенства видно, что в первом приближении радиус кроссовера не зависит от площади эмитирующей поверхности катода и определяется только отношением начальной энергии электронов eVo к энергии электронов в области кроссовера eV.

Это выражение было получено в предположении, что все эмитируемые катодом электроны имеют одну и ту же начальную энергию eVo, в результате чего кроссовер обладает четко

Магнитные линзы

в которой с помощью кольцевого магнита создается аксиально-симметричное магнитное поле. Различают два типа магнитных линз – длинные и короткие.

Примером диной магнитной линзы является длинный соленоид. На электрон в магнитном поле действует сила Лоренца, направление действия ее перпендикулярно как направлению скорости электрона, так и вектору напряженности магнитного поля. Благодаря этому движение электрона внутри длинного соленоида происходит по спирали, описывая в плоскости, проходящей через ось Z синусоиду (рисунок).

Где ω = 2π/T= eH/2m.

Если скорости электронов, попадающих в соленоид, близки, то продольное равномерное магнитное поле фокусирует поток электронов в точках, соответствующих равенству

Z= n T v o /2 = n2πmv o /eH,

Где v o – скорость электронов, входящих в соленоид; n – ряд простых целых чисел.

Основные особенности фокусировки в длинной магнитной линзе:

1. Фокусировка получаетсч не в одной, а в нескольких равноотстоящих друг от друга точках.

2. Пучок электронов, движущихся параллельно оси не фокусируется, т.е. диаметр этого пучка не может быть уменьшен.

Длинные магнитные линзы (соленоид с равномерным полем) на практике применяются для переноса изображения.

Гораздо более широкое применение нашли тонкие магнитные линзы. Фокусирующее действие тонкой магнитной линзы является более сложным из-за неоднородности магнитного поля, в котором можно выделить тангенциальную и радиальную составляющие. Для построения траектории электрона в этом случае необходимо знать величину начальной скорости электрона и распределение напряженности магнитного поля вдоль оси катушки.

При получении изображения при помощи тонких (коротких) магнитных линз происходит поворот изображения относительного объекта. Фокусирующее действие магнитной линзы тем больше, чем больше напряженность магнитного поля и уже область, в которой оно сосредоточено. Поэтому на практике магнитные линзы оформляются в виде катушек с панцирем (рисунок).

Короткая магнитная линза позволяет получать увеличенные или уменьшенные изображения. Т.е. пригодна для использования в электронном микроскопе. Короткая линза фокусирует и параллельный оси поток электронов.

Напряженность поля на оси короткой магнитной линзы может быть найдена из выражения:

R – средний радиус катушки; J- сила протекающего тока; Z – расстояние по оси катушки

Магнитные линзы могут быть только фокусирующими. Так как магнитное поле действует только на движущиеся электроны, то магнитная линза должна находится в электрическом поле V. Фокусное расстояние тонкой магнитной линзы определяется выражением

Здесь Rm – средний радиус катушки магнита, n – число витков в катушке, i – ток через катушку.

В магнитной линзе происходит поворот изображения на угол ∆ф

∆ф= [ град.].

кие линзы называют продольными системами. В этих системах пучки электронов фокусируются малыми по сравнению с продольными поперечыми составляющими поля. Более эффективными оказываются поперечные системы, в которых силовые линии поля направлены поперек пучка. Поперечные электронно-оптические системы в последнее время стали широко использоваться, особенно для фокусировки частиц (сильная фокусировка)

тронно-оптические системы в последнее время стали широко использоваться, особенно для фокусировки частиц (сильная фокусировка).

Поперечные фокусирующие поля обычно создаются четыремя электродами либо четыремя магнитными катушками, расположенными вокруг оси системы. При этом находящиеся диаметрально противоположно электроды или магниты имеют одинаковую полярность, а соседние элементы – противоположную (см. рисунок) Такие четырехполюсные системы, имеющие по по две плоскости симметрии, называются квадрупольными линзами. Отличительной особенностью квадрупольных линз является то, что продольная составляющая поля в них отсутствует. Рассмотрим в качестве примера квадрупольную электростатическую линзу. Образованную че-

Уравнения 2.146 получены из 2.145 дифференцированием по Х или Y, отсюда и знаки.

Отклонение пучка заряженных частиц происходит в электрическом и магнитном полях. Причем в магнитном поле заряженная частица обязательно должна двигаться с конечной скоростью.

Отклонение круглого пучка частиц системой из двух электродов показано на рисунке 2.41. Простейшая система отклонения или развертки пучка предствляет собой набор электростатических отклоняющих пластин. Отклонение в электростатическом поле не зависит от величины отношения е/m и поэтому может использоваться как для электронов, так и для ионов.

В магнитных отклоняющих системах, где отклонение пропорционально скорости частиц (и, следовательно, отношению е/m), для отклонения ионов требуется очень сильное магнитное поле.

Угол отклонения можно получить в следующем виде

tgθ=(l /Vo)*(Vd/2*d)

Это обычное уравнение электростатического отклонения заряженных частиц (в данном случае электронов), проходящих между идеальными пластинами. Вместо l надо z

Здесь Vo - средний потенциал, подаваемый на пластины, Vd – сигнальный потенциал. Потенциал верхней пластины Vo + Vd/2, потенциал нижней пластины - Vo - Vd/2

В случае магнитного отклонения используются однородные взаимно перпендикулярные магнитные поля, создаваемые двумя парами обтекаемых током отклоняющих катушек.
Горизонтально расположенные катушки соединяются последовательно и по ним проходит ток, создающий магнитное поле c напряженностью Вl , под действием которого пучок будет перемещаться в вертикальной плоскости. Вертикально расположенные катушки также соединяются последовательно, и своим магнитным полем будут вызывать перемещение пучка по горизонтали.
Рассмотрим подробнее отклонение пучка магнитным полем. Будем считать, что магнитное поле, созданное парой катушек, однородно и имеет индукцию В . Ширина поля, пересекаемая электронным пучком, равна l .

Электроны, входя в поперечное магнитное поле, движутся по дуге окружности. Пройдя по дуге, пучок выходит из зоны магнитного поля под углом a к оси Z , а затем движется по прямой линии до экрана.

Центральной частью любого спектрометра является энергоанализатор – устройство, позволяющее измерять число электронов, обладающих энергиями, лежащими в заданном интервале. В энергоанализаторах используются физические принципы, связанные с отклонением заряженных частиц в электростатическом или магнитном поле.

Наибольшее распространение в электронных спектрометрах получил энергоанализатор типа цилиндрическое зеркало Анализатор этого типа состоит из двух коаксиальных полых металлических цилиндров (рис. 6.4.). Во внутреннем цилиндре A имеются узкие прорези S 1 и S 2 для прохождения входящих и выходящих электронов соответственно. К внешнему цилиндру B прикладывается отрицательный по отношению к внутреннему цилиндру потенциал V ab . В пространстве между цилиндрами электростатическое поле изменяется обратно пропорционально радиусу r :

здесь r a и r b – соответственно радиусы внутреннего и внешнего цилиндров.

Электроны, влетевшие в энергоанализатор от источника О с некоторой скоростью v 0 под углом влета θ , в результате отклонения от первоначальной траектории под действием электрического поля, будут двигаться по криволинейной траектории и сфокусируются на выходе в точке О 1 , в которой располагается коллектор электронов, например, электронный умножитель.

Наилучшая фокусировка электронного пучка в цилиндрическом зеркале достигается при угле влета электронов θ = 42° 18,5". В этом случае расстояние между точками О и О 1 , т.е. между образцом и детектором электронов L 0 = 6,12r a . Максимальное удаление электронов от оси анализатора r max =0,3L 0 .

В случае бесконечно узких входной и выходной щелей через энергоанализатор проходят лишь электроны со строго определенной энергией Е 0 . При конечной ширине щелей S 1 и S 2 Анализатор цилиндрическое зеркало будет пропускать электроны с с энергетическим разбросом δЕ . Две группы электронов равной интенсивности с некоторой средней энергией Е считаются разрешенными, если при их наложении результирующая кривая имеет минимум.

Уменьшить δЕ min можно уменьшением ширины щелей, однако при этом уменьшается чувствительность прибора, так как уменьшается доля электронов, достигающих детектора электронов. Улучшить разрешающую способность анализатора без ухудшения его параметров можно уменьшением энергии электронов Е , влетающих в анализатор. С этой целью перед входной щелью анализатора ставят замедляющие электроны сетки или систему электронных линз.

Промышленные анализаторы, достаточно хорошим разрешением, конструируют на базе двухпролетного АЦЗ, согласованным со сферическими сетками, осуществляющими предварительное торможение электронов (рис. 6.5). Двухпролетный анализатор, как это видно из рисунка, представляет собой два последовательных обычных АЦЗ. Для измерений с угловым разрешением может используется вращающаяся диафрагма, расположенная на входе электронов во второй каскад анализатора.

Наибольшее разрешение, сравнимым с АЦЗ, обладает концентрический полусферический анализатор (ПСА ). Анализатор этого типа состоит из двух сферических секторов с радиусами кривизны r a и r b (рис. 6.6). Электроны в этом случае движутся в поле сферического конденсатора:

где V ab – разность потенциалов между внешней и внутренней сферами.

В режиме фокусировки источник, находящийся в точке О и его изображение, которое расположено в точке О 1 , лежат на одной линии, проходящей через центр сфер .

Рассмотренные выше энергоанализаторы позволяют регистрировать электроны, обладающие энергиями, лежащими в заданном «окне». В энергоанализаторах этого типа электроны пропускаются через диспергирующее электростатическое поле и их отклонение от первоначальной траектории является функцией электрического поля, приложенного к электродам анализатора. Анализаторы, работающие на этом принципе называются дисперсионными . В электронной спектроскопии широкое применение находит также энергоанализатор с задерживающим полем (АЗП ) В этом энергоанализаторе используется тормозящее электростатическое поле, которое пропускает на коллектор только те электроны, кинетическая энергия которых превышает энергию задерживающего электрического поля.

Упругое рассеяние

При упругом рассеянии изменяется направление вектора скорости электрона, а ее величина и, следовательно, величина кинетической энергии фактически остается постоянной. Образцу при каждом акте упругого рассеяния передается энергия порядка 1 эВ, что пренебрежимо мало по сравнению с первоначальной энергией электронов в пучке (>1 кэВ). Характерная энергия электронов в пучке составляет 1…50 кэВ. Угол отклонения от направления падения может принимать значения в переделах от 0° вплоть до 180°, но его наиболее вероятное значение составляет по порядку величины единицы градусов. Упругое рассеяние происходит в результате столкновений электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами. В результате упругих взаимодействий электрон может покинуть образец. Такой электрон называется отражённым. Экспериментально установлено, что доля отраженных электронов может достигать 30% от начального количества электронов пучка. Электроны пучка, которые вылетают с поверхности образца в качестве отражённых электронов, имеют меньшую энергию, чем до взаимодействия, так как проходят некоторое расстояние внутри твёрдого тела и они теряют энергию. Коэффициент отражения электронов прямо пропорционален атомному номеру материала мишени.

Угловое распределение упругорассеянных электронов можно рассчитать, используя резерфордовскую модель рассеяния с учетом экранировки атома электронным облаком. Тогда плотность вероятности на расстоянии z от поверхности определяется соотношением

Здесь Н 0 =1 – вероятность нахождения электрона на поверхности образца, r 0 – радиус зондирующего пучка электронов, r – расстояние от оси пучка падающих электронов, z – глубина проникновения электронов, измеряемая вдоль оси пучка.

Из приведенной формулы следует, что при распространении пучка электронов в пленке он уширяется, что показано на рисунке.

Неупругое рассеяние

При неупругих взаи-модействиях траектория элек-трона изменяется мало, при этом происходит передача энергии твёрдому телу. Неупругие взаимодействия происходят, в основном, между электронами пучка и электронами образца. Благодаря неупругим взаимо-действиям возникают:

§ вторичные электроны

§ непрерывное рентгеновское излучение

§ характеристическое рентгеновское излучение

§ оже-электроны

§ колебания решётки (фононы)

§ электронные колебания (плазмоны)

§ электронно-дырочные пары

§ Катодолюминесценция

Рассмотрим эти явления подробнее:

Взаимодействие электрона пучка с твёрдым телом может привести к высвобождению слабо связанных электронов т.н. медленных вторичных электронов. Вторичными принято называть электроны, обладающие энергией до 50 эВ. Этот порог задан условно для того, чтобы различать вторичные и отражённые электроны. Большая часть вторичных электронов имеет энергию 3…5 эВ.

Чтобы вылететь из твердого тела, вторичные электроны должны преодолеть поверхностный потенциальный барьер. Поэтому только вторичные электроны, находящиеся в тонком приповерхностном слое (5…50 нм), могут покинуть образец. Следовательно, плотность и направление вторичных электронов зависит от рельефа поверхности.

Большой класс экспериментальных методов основан на регистрации сигналов, возникающих в процессе облучения исследуемого объекта электронным пучком.

Для корректной интерпретации получаемых данных необходимо понимание процессов взаимодействия электронов с исследуемыми объектами.

Электрон с высокой энергией претерпевает торможение в кулоновском поле атома. Потеря энергии электрона при таком торможении преобразуется в квант рентгеновского излучения, которое называется тормозным рентгеновским излучением. Так как энергетические потери электрона в процессе этого торможения могут принимать любые значения, то тормозное рентгеновское излучение образует непрерывный спектр с энергией от нуля до энергии электронов пучка.

Электрон, обладающий достаточно высокой энергией, при взаимодействии с атомом может вызвать освобождение сильно связанного электрона с внутренних оболочек, в результате чего атом оказывается ионизованным в высокоэнергетическом состоянии. Последующая релаксация этого возбуждённого состояния приводит к эмиссии характеристического рентгеновского излучения. На этом явлении основан рентгеноструктурноый анализ.

Образовавшийся квант излучения может провзаимодействовать с электроном внешней оболочки, не покинув атома (внутреннее преобразование). При этом другой электрон с внешней оболочки покидает атом. Такие электроны называются оже-электронами. Энергия таких оже-электронов составляет по порядку величины 100эВ-1кэВ. Эти электроны используется в оже- спектроскопии.

При бомбардировке электронным пучком диэлектрика или полупроводника электрон валентной зоны может быть переброшен в зону проводимости. Таким образом, образуется электроннодырочная пара, которая может рекомбинировать. При этом энергия, будет излучена в виде кванта света. Это явление называется катодолюминесценцией. Генерируемые кванты света будут лежать в ультрафиолетовом, видимом или инфракрасном диапазоне в зависимости от ширины запрещенной зоны.

Значительная доля энергии, приносимой на образец электронным пучком, передаётся твёрдому телу в виде возбуждения колебаний решётки – фононов - нагрева образца (область с на рисунке).

Если коэффициент теплопроводности образца достаточно высокий, то образец нагревается незначительно - не более 10°С. В материалах с низкой теплопроводностью (или в тонких пленках на диэлектрических подложках) при высоких токах пучка (1 мкА) вследствие нагрева может происходить модификация микрообъёма образца (отжиг, изменение фазы, разрушение и т.д.). Нагрев в таких случаях может достигать от единиц до тысяч градусов. Однако при типовых режимах работы (токах зонда ~ 10 нА) изменение или разрушение исследуемого образца не наблюдается.

Потери энергии в тонких и толстых мишенях, обусловленные неупругим рассеянием, реализуются как дискретные события, сопровождающиеся рождением вторичных электронов низких энергий (до 50 эВ).

В случае неупругого рассеяния угол рассеяния зависит от потери энергии падающего электрона.

В тонких пленках толщиной в несколько сотен нанометров падающий электрон претерпевает много столкновений, и накапливающееся в результате отклонение можно найти статистически, используя уравнение Больцмана.

Энергетический спектр вторичных электронов

Если энергия электронов достаточна для преодоления ими поверхностного потенциального барьера, то они покидают твердое тело и регистрируются как вторичные электроны. Вторичные электроны обладают энергиями от нуля до энергии первичных электронов.

Энергетическое распределение вторичных электронов имеет сложный характер и отражает разнообразные, сложные и часто связанные между собой процессы взаимодействия первичных электронов с твердым телом.

Энергетические спектры и угловое распределение вторичных электронов содержит достаточно полную информацию об основных микроскопических характеристиках, в основном поверхности и приповерхностного слоя твердого тела, - составе, структуре, электронном строении.

Реальный энергетический спектр, полученный экспериментально, зависит от условий эксперимента и может существенно отличаться по форме от изображенного на рисунке.

Схематически вид кривой распределения вторичных электронов по энергии представлен на Рисунке. Как показывают экспериментальные результаты, вид спектра вторичных электронов практически не меняется при изменении энергии первичных электронов. При энергии первичных электронов в интервале 100 эВ … 1000 эВ значительная доля в спектре приходится на медленные электроны (область а на рисунке) – эти электроны называют истинно вторичными электронами , так как эту группу составляют, в основном, электроны, выбитые из твердого тела пучком первичных электронов. Предполагается, что они возникают в результате каскадных процессов потери энергии первичными электронами.

Максимум спектра истинно вторичных электронов лежит в области 1 … 10 эВ, причем наблюдается периодическая зависимость положения этого максимума от атомного номера вещества твердого тела. При достаточно больших значениях энергии первичных электронов положение максимум не зависит от Ер, однако, при Ер<20 эВ он сдвигается в сторону меньших энергий. Если энергия первичных электронов не превышает работу выхода электронов, то спектр вторичных электронов состоит в основном из упруго отраженных электронов.

Область b на рисунке относится к не упруго отраженным электронам, число которых существенно не изменяется в зависимости от энергии.

В металлах и полупроводниках большая часть энергии, теряющейся в диапазоне b (из-за возбуждения электронов и ионизационных потерь), передается электронам проводимости или валентным электронам путем индивидуального или коллективного возбуждения.

При энергии, близкой к энергии первичных электронов Ер (область с), наблюдается узкий пик, соответствующий упруго отраженным электронам. Рисунок. Этот пик связан с электронами, отраженными от поверхности твердого тела без потерь энергии или с очень малыми потерями энергии.

Кроме двух достаточно больших по интенсивности пиков истинно вторичных и упруго отраженных электронов(области а и с), в спектре вторичных электронов в области b на бесструктурном фоне наблюдаются слабо выраженные максимумы. Положения некоторых из них (максимумы 1 на рисунке) не зависят от энергии первичных электронов

Эти пики соответствуют величине энергии, необходимой для ионизации атомов, и поэтому соответствующие потери энергии зависят от атомного номера. В этих процессах первичным или вторичным электроном на внутренней оболочке создается дырка, которая затем заполняется либо электроном с соседней оболочки атома, либо валентным электроном – так называемый эффект Оже Механизм Оже характеризуется заполнением дырки одним электроном и эмиссией второго электрона (оже-электрона)

Суть оже-процесса заключается в том, что на заполненный электронами уровень атома переходит электрон с внешней оболочки, а вся высвобождающаяся энергия передается электрону, находящемуся на другой орбите внешней оболочки. Этот электрон вылетает из образца с характерной энергией и называется оже-электроном. При этом энергия испущенного оже- электрона никак не зависит от энергии падающего электрона и полностью определяется спектром энергетических уровней в твердом теле.

Пики 1 обусловлены выходом с поверхности оже-электронов. Энергия оже-электронов лежит в диапазоне ≈ 50… 500 эВ. Изучение этой группы вторичных электронов лежит в основе метода электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Минимальная площадь анализа ограничена диаметром электронного пятна и составляет величину до 10 нм В случае рентгеновского излучения (рентгеновской флуоресценции) вместо второго электрона испускается фотон.

Максимумы 2 смещаются синхронно с изменением энергии первичных электронов.

Группа максимумов 2, расположенная вблизи пика упруго отраженных электронов, соответствует первичным электронам, испытавшим дискретные потери энергии при взаимодействии с поверхностью.

Энергетические потери из-за возбуждения фононов в диапазоне с могут быть разрешены только при помощи наиболее совершенных анализаторов спектра

Электронные пучки представляют собой поток быстро летящих электронов. Электронные пучки образуются в электронной лампе и различных газоразрядных устройствах.

Электронные пучки обладают следующими свойствами:

вызывают свечение некоторых твердых и жидких тел (стекла, сульфидов цинка и кадмия). В настоящее время применяются люминофоры, у которых до 25 % энергии электронного пучка превращается в световую:
при торможении быстрых электронных пучков в веществе возникает рентгеновское излучение. Это используется в рентгеновских трубках;
электронные пучки отклоняются в электрических полях, например, в поле плоского конденсатора происходит смещение электронного пучка к положительно заряженной пластине;
электронные пучки отклоняются в магнитных полях вследствие действия на электроны силы Лоренца. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются в одну сторону, а пролетая над южным полюсом - в противоположную сторону. Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что они огибают поверхность Земли и лишь в полярных областях небольшая часть этих частиц вторгается в верхние слои атмосферы и вызывает свечение газов атмосферы у полюсов (северное сияние);
при попадании на вещество электронные пучки нагревают его и оказывают механическое действие. Нагревание, которое вызывает электронный пучок, попадая на какое-либо тело, используют для плавки сверхчистых металлов в вакууме;
электронный пучок при попадании на фотопленку вызывает ее потемнение.

Благодаря возможности управлять электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечению покрытого люминофором экрана под действием пучка его применяют в электронно-лучевой трубке.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 298.