Презентация Характеристики электронных пучков. Источники ускоренных электронов. онлайн

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 1 Темы лекции Характеристики электронных пучков. Источники ускоренных электронов. Термоэмиссионные и автоэмиссионные катоды и их характеристики. Основные узлы и характеристики электронной пушки.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 2 Электронные пучки принято разбивать на два класса: Электронные пучки, в которых влияние объемного заряда на движение отдельных электронов пучка пренебрежимо мало. Электронные пучки, в которых объемный заряд влияет на движение электронов. Разбиение пучков на эти классы осуществляется на основании характеристики, называемой первианс P = I/U3/2, где I – ток электронного пучка, U – ускоряющее электроны напряжение. При Р  0,1 мкА/В3/2 влияния объемного заряда нет, при Р > 0,1 мкА/В3/2 объемный заряд влияет на движение электронов. Например, при U = 100 кВ для того, чтобы Р > 0,1 мкА/В3/2 ток пучка должен быть > 3 А. В методах элементного и структурного анализа используются исключительно низкопервиансные пучки, поэтому движение каждого электрона в пучке можно рассматривать независимо от движения других электронов.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 3 Источники ускоренных электронов до энергии ~ сотни кэВ принято называть электронными пушками, при больших энергиях – ускорителями электронов. В дальнейшем речь будет идти об электронных пушках с низкопервиансными пучками. Назначение электронной пушки – сформировать электронный пучок с: требуемой энергией электронов; требуемой плотностью тока; требуемой угловой расходимостью; требуемым сечением на заданном расстоянии от электронной пушки. В методах элементного и структурного анализа используются пучки круглого сечения (аксиально-симметричные), хотя существующие электронные пушки позволяют получать трубчатые и ленточные пучки.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 4 Источником электронов в электронных пушках является электронный эмиттер. В подавляющем большинстве электронных пушек используются термоэлектронные эмиттеры (катоды), основанные на том, что при нагреве металла происходит увеличение энергии электронов зоны проводимости до величины, необходимой для преодоления работы выхода е. Плотность тока термоэлектронной эмиссии определяется формулой Ричардсона где А – константа (разная для разных материалов), k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура эмиттера.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 5 Для конкретного материала (заданные е и А) повышение j0 возможно только за счет повышения Т, однако здесь имеются ограничения, связанные с расплавлением термоэмиттера (рабочая температура должна быть меньше температуры плавления, поэтому используются, как правило, тугоплавкие материалы); с превышением давления насыщенных паров материала термоэмиттера рабочего давления в электронной пушке ( 10-5 Тор); с увеличением скорости испарения материала термоэмиттера с повышением температуры, что приводит к сокращению его срока службы.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 6 Из чистых металлов наиболее распространенным материалом термоэлектронных эмиттеров является вольфрам (е = 4,5 эВ; А = 67 А/см2К), обладающий наименьшей скоростью испарения (наибольшим сроком службы) при температурах, обеспечивающих необходимую эмиссию. Для вольфрама Тплавл = 3650 К, Трабоч = 2623 К, при этой температуре давление насыщенных паров вольфрама 10-5 Тор. При такой рабочей температуре плотность тока, отбираемая с вольфрамового термоэмиттера 1 А/см2, скорость испарения 10-8 г/см2.с. Основной недостаток вольфрама – низкая технологичность. Его трудно обрабатывать, он хрупок, особенно после нагрева. Для преодоления этих недостатков к нему добавляют 5% или 20% рения (сплавы ВР-5 и ВР-20). Благодаря высокой рабочей температуре вольфрамового катода на нем мало что сорбируется, а то, что сорбируется, и образует с вольфрамом соединения в большинстве случаев быстро испаряется. Поэтому вольфрамовый катод известен как наименее чувствительный к условиям эксплуатации.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 7 Помимо вольфрама в качестве материала термоэмиттера в электронных пушках также широко применяются монокристаллы из гексаборида лантана (LaB6), имеющие следующие характеристики: е = 2,66 эВ, А = 40 А/см2К, Тплавл = 2540 К. Диапазон рабочих температур 1673-1973 К, при этом j0 = 1-30 А/см2. Поскольку чем выше рабочая температура, тем сложнее теплоотвод, то термоэмиттеры из LaB6 имеют значительное преимущество перед W, так как при более низкой рабочей температуре у них значительно выше плотность отбираемого тока. Недостатком термоэмиттеров из LaB6 является более низкое рабочее давление, чем у W.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 8 По конструкции термоэмиттеры делятся на прямонакальные (W, W-Re,), в которых разогрев осуществляется пропусканием электрического тока через металлическую проволочку, изогнутую в виде шпильки с радиусом закругления острия ~ 0,1 мм. термоэмиттеры с косвенным подогревом – обычно из гексаборида лантана. Разогрев термоэмиттера до рабочей температуры осуществляется тепловым излучением нагревателя – W-проволочки, нагреваемой пропусканием электрического тока.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 9 Помимо термоэлектронных эмиттеров в электронных пушках также используют автоэлектронные эмиттеры, работа которых основана на автоэлектронной эмиссии – испускание электронов проводящим твердым телом под действием внешнего электрического поля E достаточно высокой напряженности. Автоэлектронная эмиссия сугубо отечественный термин, в зарубежной литературе это явление называется полевой электронной эмиссией. Плотность тока j0 автоэлектронной эмиссии из металлов в вакуум следует закону Фаулера – Нордгейма где mе - масса электрона,  – потенциал работы выхода е металла, t и - табулированные функции аргумента

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 10 Если положить и подставить значения констант, то получим приближенную формулу, достаточную для практических расчетов j в А/см2, Е в В/см и  в В. Зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля для вольфрама ( = 4,5 В). j 108-109 А/см2 при Е = 80-100 МВ/см. Подобные напряженности поля получают используя острия с радиусом закругления 20-50 Å.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 11 Автоэлектронные эмиттеры могут работать при комнатной температуре; при температуре немного меньшей, чем температура начала термоэлектронной эмиссии (1600-1800 К). В первом случае энергетический разброс электронов не превышает 0,3-0,5 эВ, во втором случае 0,6-0,8 эВ. Однако при эксплуатации автоэлектронного эмиттера при комнатной температуре на его поверхности появляются загрязнения в виде адсорбатов остаточных газов, которые генерируют шум электронной эмиссии и вызывают ее нестабильность. Поэтому периодически подобные эмиттеры требуют прогрев (т.н. процедура вспышки).

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 12 Принципиальная схема электронной пушки

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 13 Электронная пушка состоит из следующих основных узлов: Электронный эмиттер (катод). Управляющий электрод  модулятор  электрод Венельта. Анод с последующей системой фокусирующих электродов. Испущенные катодом электроны ускоряются к заземленному аноду разностью потенциалов U, которая определяет энергию электронов еU. Между катодом и анодом располагается управляющий электрод (модулятор), ось которого совпадает с острием катода. Модулятор находится под большим отрицательным потенциалом (от 0 до ~ 500 В) чем катод за счет падения напряжения на регулирующем резисторе (электрическая цепь катод – заземленный положительный полюс высоковольтного выпрямителя замыкается потоком электронов, испускаемых катодом).

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 14 Подобное расположение катода, модулятора и анода приводит к тому, что испущенные катодом электроны фокусируются за модулятором в пятно минимального диаметра d0. Плоскость с этим пятном называется плоскостью кроссовера или просто кроссовером. Из кроссовера электронный пучок выходит с угловой расходимостью   10-3 радиан. Максимальная плотность электронного тока в кроссовере jз (не путать с j0) определяется выражением jз = 4Iз/4 d02 Если бы последующие электронные линзы не имели аббераций, то плотность тока на образце была бы равна jз. Используемые в различных методах анализа электронные пушки с термоэмиттерами имеют значения jз до десятков А/см2 при диаметре кроссовера сотни нм. У электронных пушек с автоэлектронными эмиттерами jз те же десятки А/см2, но d0 десятки нм. Абсолютные значения тока Iз 10-2-10-3 мкА.

Содержание слайда: Лекция 11 Слайд 15 Яркость электронной пушки, которая определяется как плотность тока в единицу телесного угла. Так как  - малый угол, то телесный угол охватывающий расходящийся пучок есть 2, поэтому яркость электронной пушки = jз /2 Зависимости Iз и  от напряжения смещения, равного разности потенциалов между катодом и модулятором При малой величине Uсм фокусирующее действие модулятора слабо и на электроны действует только ускоряющее поле анода, поэтому Iз велико. Поскольку фокусировка слабая, то в кроссовере  велико и, соответственно,  мало. При увеличении напряжения смещения часть электронов тормозится и заворачивается к катоду, при этом Iз падает. Яркость вначале растет за счет уменьшения , более быстрого, чем падение Iз, затем  падает (Iз становится совсем малым).