19199

Характеристики электронных пучков. Источники ускоренных электронов. Термоэмиссионные и автоэмиссионные катоды и их характеристики

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 11 Характеристики электронных пучков. Источники ускоренных электронов. Термоэмиссионные и автоэмиссионные катоды и их характеристики. Основные узлы и характеристики электронной пушки. Электронные пучки принято разбивать на два класса: Электронные пучки ...

Русский

2013-07-11

141 KB

20 чел.

Лекция 11

Характеристики электронных пучков. Источники ускоренных электронов. Термоэмиссионные и автоэмиссионные катоды и их характеристики. Основные узлы и характеристики электронной пушки.

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.

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.

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.

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.

Из чистых металлов наиболее распространенным материалом термоэлектронных эмиттеров является вольфрам (е = 4,5 эВ; А = 67 А/см2К), обладающий наименьшей скоростью испарения (наибольшим сроком службы) при температурах, обеспечивающих необходимую эмиссию. Интересно отметить, что по этому параметру наилучшим оказался металл, имеющий наибольшую работу выхода, т.е. работающий при наибольшей температуре. 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). Эти сплавы при почти тех же значениях плотности тока термоэлектронной эмиссии и скорости испарения значительно технологичнее. Благодаря высокой рабочей температуре вольфрамового катода на нем мало что сорбируется, а то, что сорбируется, и образует с вольфрамом соединения, например, кислород, в большинстве случаев быстро испаряется. Поэтому вольфрамовый катод известен как наименее чувствительный к условиям эксплуатации.

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/см2К, 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.

В отпаянных стеклянных конструкциях электронных пушек (кинескопы, осциллографические трубки) используются оксидный термоэмиттер с Трабоч = 973 К (j0 = 0,5 А/см2), который состоит из неплотноупакованных кристаллов BaO, SrO и CaO, высаженных на Ni проволоку. Формируется такой термоэмиттер после отжига в вакууме и в дальнейшем не может быть вскрыт на атмосферу из-за большой гигроскопичности с последующим резким увеличением работы выхода и, соответственно уменьшением j0.

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. То, что LaB6 используется в катодах с косвенным подогревом, т.е. в виде куска гексаборида лантана, контактирующего с материалом держателя в горячей зоне, породило серьезную проблему. Оказалось, что при рабочих температурах гексабориды реагируют со всеми веществами, при этом либо разрушается контактирующая деталь, либо гексаборид изменяет свой состав. После долгих поисков выяснилось, что наилучшим контактным материалом является графит, из металлов – рений (но он дорог), затем тантал. В настоящее время в качестве материала держателя применяются тантал, обычно с прокладкой фольги из рения или графита, либо, если конструкция этого допускает – графит.

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.

Термин "автоэлектронная эмиссия" отражает отсутствие энергетических затрат на возбуждение электронов, свойственных другим видам электронной эмиссии. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на границе эмиттера, не проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем. По мере увеличения внешнего ускоряющего поля понижается высота потенциального барьера над уровнем Ферми. Одновременно уменьшается ширина барьера. В результате увеличивается число электронов, просачивающихся в единицу времени сквозь барьер, соответственно увеличивается т. н. прозрачность барьера (отношение числа электронов, прошедших сквозь барьер, к полному числу электронов, падающих на барьер) и соответствующая плотность тока автоэлектронной эмиссии.

Плотность тока j0 автоэлектронной эмиссии из металлов в вакуум следует т. н. закону Фаулера – Нордгейма

,

,

где mе - масса электрона, – потенциал работы выхода е металла, t и  - табулированные функции аргумента . Если положить  и подставить значения констант, то получим приближенную формулу, достаточную для практических расчетов

(11.1)

j в А/см2, Е в В/см и в В.

На рис. 11.2 приведена зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля для вольфрама ( = 4,5 В). Из приведенной зависимости видно, что j может достигать значений 108-109 А/см2 при Е = 80-100 МВ/см. Подобные напряженности поля получают используя острия с радиусом закругления 20-50 Å.

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).

Принципиальная схема электронной пушки приведена на рис. 11.3

Электронная пушка состоит из следующих основных узлов:

  1.  Электронный эмиттер (катод).
  2.  Управляющий электрод модулятор электрод Венельта.
  3.  Анод с последующей системой фокусирующих электродов.

В случае прямонакального W катода электроны эмитируются с площадки на острие шпильки ~ 100х100 мкм2 и имеют Максвелловское распределение по скоростям. Максимум распределения соответствует энергии ~ 0,25 эВ, а разброс по энергиям от 0 до ~ 2 эВ. 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). 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.      (11.2)

Если бы последующие электронные линзы не имели аббераций, то плотность тока на образце была бы равна jз. В действительности она всегда меньше этой величины. 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.

Другой важной характеристикой электронных пушек является яркость, 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      (11.3)

Зависимости Iз и от напряжения смещения, равного разности потенциалов между катодом и модулятором приведены на рис. 11.4. 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).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81244. Пропедевтика основ информатики в начальной школе: цели и задачи, анализ учебных и методических пособий 36.98 KB
  Рассмотрим программу курса информатики для III IV классов начальной общеобразовательной школы составители: а. Первин Цель этого курса развитие алгоритмического подхода к решению задач формирование представлений об информационной картине мира практическое освоение компьютера как инструмента деятельности. Содержание программы курса формировалось вокруг четырех основных направлений пронизывающих все темы курса: 1. Содержание и методика курса нацелены на формирование творческих исследовательских качеств.
81245. Место курса информатики в системе учебных дисциплин. Базисные учебные планы. Анализ школьных программ по информатике в общеобразовательной школе 37.67 KB
  А в это же самое время уже шла работа над созданием новой концепции так называемого базисного учебного плана БУП. утвердило и ввело в действие первую версию российского БУП общеобразовательных учреждений в котором в максимальной степени должны были учитываться и интересы государства и интересы региона и интересы образовательного учреждения т. БУП сам по себе не является рабочим учебным планом для школы он лишь представляет собой основу для разработки регионального базисного учебного плана на основе которого в свою очередь школа...
81246. Программное обеспечение курса информатики в общеобразовательной школе. Оборудование школьного кабинета информатики: материальная база и санитарные нормы 37.59 KB
  Помимо компьютерного оборудования кабинет информатики рекомендуется оснащать: Набором учебных программ для изучения курса информатики и отдельных разделов иных учебных предметов; Заданиями для осуществления индивидуального подхода при обучении организации самостоятельных работ и упражнений за ПЭВМ; Комплектом учебнометодической научнопопулярной справочной литературы; Журналом вводного и периодического инструктажей учащихся по технике безопасности; Журналом использования КУВТ на каждом рабочем месте; Журналом сведений об отказах...
81247. Методическая система и организация обучения информатике в школе: урок как основная форма обучения информатике. Подготовка к уроку информатики. Дидактические особенности учебных занятий по информатике 38.5 KB
  Школьный урок образует основу классноурочной системы обучения характерными признаками которой являются: постоянный состав учебных групп учащихся; строгое определение содержания обучения в каждом классе; определенное расписание учебных занятий; сочетание индивидуальной и коллективной форм работы учащихся; ведущая роль учителя; систематическая проверка и оценка знаний учащихся. Роль учителя во время фронтальной лабораторной работы наблюдение за работой учащихся в том числе и через локальную сеть КВТ а также оказание им оперативной...
81248. Понятие педагогического программного средства (ППС). Типы ППС. Требования к разработке ППС 39.36 KB
  Например в институте средств обучения РАО выделили несколько классификационных критериев типологии педагогических программных средств: По предметному содержанию; По функции: диагностические контролирующие обучающие демонстрационные справочноинформационные формирующие тренажерные; По степени активности учащихся которая определяется структурой и характером деятельности программы рассчитанные на минимальную степень активности демонстрационные на максимальную степень конструирующие программы; По целевой группе пользователя ...
81249. Цели и основные формы дополнительного изучения основ информатики и её приложений в средней школе. Организационные формы и содержание внеклассной работы 38.38 KB
  Организационные формы и содержание внеклассной работы. Кружок по информатике предназначен для привлечения учащихся младших классов для формирования пропедевтических навыков работы с компьютером. Кружковая работа со старшеклассниками возможна при организации групп для работы в телекоммуникационных сетях. Все большее значение в организации внеурочной работы со школьниками приобретает участие в телекоммуникационных проектах конкурсах грантов и пр.
81250. Понятие информационных и коммуникационных технологий. Направления внедрения ИКТ в образование. Дистанционные технологии в образовании 37.12 KB
  Хуторской выделяет следующие принципы дистанционного обучения: Принцип создания дистантным учащимся образовательной продукции в изучаемых предметных и образовательных областях. Принцип соответствия внешнего образовательного продукта ученика его внутренним личностным приращениям. Принцип приоритета деятельностного содержания перед информационным. Принцип креативного характера учебной деятельности.
81251. Инструментальные средства для разработки ППС, их достоинства и недостатки. Экспертная оценка ППС 35.7 KB
  Экспертная оценка ППС. Зайнутдинова предлагает различать 3 типа компьютерных обучающих программ: педагогические программные средства ППС компьютерные учебные программы одноцелевого назначения: сервисные контролирующие тренажеры моделирующие демонстрационные и т. Процесс создания ППС Педагогический сценарий детализирует структуру учебного материала и последовательность его изложения Технологический сценарий детализируетя технология представления Кодирование технологического сценария Технология разработки ППС рассмотрение принципов...
81252. Понятие государства 38.69 KB
  Суть ее в том что государство возникает в результате раскола общества на антагонистические классы и является исторически переходящим явлением. С исчезновением классов государство неизбежно должно отмереть. Естественноправовая договорная теория которая выводит государство из соглашения между правителями и подданными заключаемого в целях организации общественной жизни.Гумплович – считал что государство возникло как результат порабощения слабых групп более организованными и более сильными.