Характеристики электронных пучков. Источники ускоренных электронов.

автоэмиссионные катоды и их характеристики.
Основные узлы и характеристики электронной пушки.

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.

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.

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 еϕ. Плотность тока термоэлектронной эмиссии определяется формулой Ричардсона



где А – константа (разная для разных материалов), k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура эмиттера.

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.

является вольфрам (еϕ = 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.

пушках также широко применяются монокристаллы из гексаборида лантана (LaB6), имеющие

следующие характеристики:
еϕ = 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.

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.

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, ϕ – потенциал работы выхода еϕ металла, t и - табулированные функции аргумента

и подставить значения констант, то получим приближенную формулу, достаточную для практических расчетов

j в А/см2, Е в В/см и ϕ в В.
Зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля для вольфрама (ϕ = 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.

j0, А/см2

Е, 107 В/см

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).

пушки

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).

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 α ≤ 10-3 радиан.
Максимальная плотность электронного тока в кроссовере jз (не путать с j0) определяется выражением
jз = 4Iз/4π 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.

которая определяется как плотность тока в единицу телесного угла. Так

как α - малый угол, то телесный угол охватывающий расходящийся пучок есть πα2, поэтому
яркость электронной пушки
= jз /πα2
Зависимости Iз и β 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 α велико и, соответственно, β мало.
При увеличении напряжения смещения часть
электронов тормозится и заворачивается к катоду,
при этом Iз падает. Яркость вначале растет за счет
уменьшения α, более быстрого, чем падение Iз, затем
β падает (Iз становится совсем малым).

β

Uсм

Iз