Михайлов В.П. - Учебное пособие по курсу ФОЭТ, страница 10

Рассмотрим различные типы ионных источников.

1. Ионный источник с горячим катодом

Ионный источник состоит из разрядной камеры 5, источника электронов - накаливаемого катода 1, анода 2, экстрактора 3 (устройства для вывода ионов из разрядной камеры и их ускорения), системы подачи газа при давлении P=10³…10^-1 Па (Ar, N₂, O₂ и т.д.).

Основным достоинством таких источников является возможность получения высокоинтенсивных пучков ионов (с энергией до 10⁵ эВ), главным недостатком – быстрое разрушение термокатода при использовании химически активных газов.

1. Ионный источник с холодным катодом и разрядом Пеннинга

Источник ионов с холодным катодом и разрядом Пеннинга содержит соленоид для повышения эффективности ионизации (за счет удлинения траектории движения электронов). Ионы «вытягиваются» из плазмы самостоятельного газового разряда через отверстие в антикатоде и ускоряются системой экстракции. Срок службы катода превышает 1000 часов. Недостатками источника являются малая величина ионного тока I_ИОН пучка (до 100 мкА), большие пульсации тока и возможность использования для ионизации только газообразных веществ.

Напряжение зажигания самостоятельного газового разряда U_З зависит от рода газа и произведения pd, где p - давление в разрядной камере; d – расстояние между электродами. Эта зависимость иллюстрируется кривыми Пашена.

1. Жидкометаллический источник ионов

Жидкометаллический источник ионов содержит два электрода: острие и заземленный экстрактор, между которыми приложено напряжение 4…10 кВ. Острие выполнено в виде тонкой вольфрамовой трубки с капиллярным отверстием  50 мкм, через которое поступает жидкий металл. При давлении жидкого металла  1 МПа и напряженности электрического поля E=10¹⁰ В/м на конусе капилляра образуется выступ жидкого металла в виде конуса, с вершины которого эмиттируется пучок положительных ионов.

Формирование пучков электронов в электронно-лучевых приборах и для электронных технологий

Обычно в элекронно-лучевых приборах и элекронных технологиях используются пучки электронов с энергией от 0,1 кэВ до 100 кэВ. При этом минимальный диаметр пучка приблизительно равен 10 нм = 10^-8 м и определяется рассеянием электронов. При размерной обработке электронным лучом поверхности материала (электронно-лучевой литографии, электронной сварке, резке и т.д.) минимальное разрешение, обусловленное диаметром луча, составляет соответственно 0,01 мкм. Рассмотрим сначала электронно-лучевые приборы – такие элекровакуумные ЭП, в которых в которых используется поток электронов, сконцентрированный в форме луча или пучка лучей. Электронно-лучевой прибор, имеющий форму трубки, вытянутой в направлении луча, называют электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ).

С поверхности подогреваемого оксидного катода эмиттируются электроны. К модулятору подводится небольшой отрицательный потенциал U_M =0…-60 В. Изменение этого потенциала приводит к изменению высоты потенциального барьера. Это позволяет регулировать плотность электронного потока.

К первому аноду 3 подводится положительный потенциал в несколько сотен вольт, ко второму 4 – до +30 кВ. Аноды не только ускоряют электроны, но и обеспечивают формирование узкого пучка – фокусировку. В межэлектродном пространстве катода, модулятора и анодов создаются неоднородные электрические поля – электронные линзы. Проходя через эти линзы, электроны образуют узкий луч. Система этих электродов образует единое устройство – электронный прожектор. Электронный прожектор с более высокой энергией электронов (Е_е - до 100 кэВ) и более интенсивным пучком называется электронной пушкой.

Отклоняющая система (ОС) служит для управления положением луча в пространстве. ОС могут быть двух типов:

1. с электростатическим управлением (содержит две пары пластин, расположенных в вертикальной и горизонтальной плоскости);

2. с магнитным управлением (с двумя парами отклоняющих катушек).

Экран покрыт с внутренней стороны люминофором – веществом, способным светится при бомбардировке электронами. Диаметр светящегося пятна зависит от фокусировки электронного луча. Яркость освещения экрана зависит от числа и энергии электронов. Число электронов регулируется напряжением на модуляторе, энергия электронов – напряжением на втором аноде.

Внутренняя поверхность конусной части ЭЛТ покрыта токопроводящим коллоидно-графитовым слоем – аквадагом. Он предназначен для передачи высокого напряжения (до +30 кВ) к аноду.

Модуляция электронного луча по плотности

Управление интенсивностью электронного пучка осуществляется изменением электрического поля в прикатодной части электронного прожектора, между катодом и модулятором. Модулятор выполнен в виде цилиндра с небольшим отверстием – диафрагмой в центре.

Модулятор по отношению к катоду имеет небольшой отрицательный потенциал (U_M = 0…-60 В). Действие модулятора сходно с действием управляющей сетки в триоде: при увеличении отрицательного потенциала возрастает потенциальный барьер для электронов. Ток катода I_K зависит от напряжения U_M на модуляторе в соответствие с законом “степени 3/2”: , где U_M0 – запирающее напаряжение на модуляторе; b – коэффициент пропорциональности.

Фокусирующие системы

Принцип фокусировки потока электронов в узкий луч основан на законах движения электрона в электрических и магнитных полях. Эти законы изучаются в специальном разделе физики – электронной оптике, в которой используется терминология геометрической оптики.

Электронные линзы

Неоднородные аксиально-симметричные электрические поля называются электронными линзами. В качестве линз также используют однородные и неоднородные аксиально-симметричные магнитные поля. В электронной оптике различают линзы – диафрагмы, одиночные линзы, иммерсионные линзы и иммерсионные объективы.

Электронные линзы - диафрагмы

Одиночные линзы

Иммерсионные линзы и объективы

Иммерсионные линзы образуются цилиндрическими электродами равных или разных диаметров, потенциалы остаются постоянными, но разными по величине.

Систему, состоящую из катода (объекта изображения), диафрагм и цилиндров, создающих у катода ускоряющие поля, называют иммерсионным объективом.

Схемы иммерсионных линз и распределения потенциала в них

Закон Лагранжа-Гельмгольца для электронных линз

Как известно из геометрической оптики для сферической линзы:

,

где y₁,y₂ – размеры объекта и изображения; θ₁,θ₂ апертурные углы; n₁,n₂ –показатели преломления двух сред.

Для электронно-оптической системы границей раздела двух сред служит эквипотенциальная поверхность, форма которой приближается к сферической. В качестве показателя преломления n используется отношение , где v_e – скорость движения электрона, с – скорость света. Поскольку , то .

Таким образом, для электронных линз:

.

Это выражение называется законом Лагранжа-Гельмгольца.

Для уменьшения размера изображения y₂ необходимо уменьшить размеры объекта (эмиттирующей поверхности катода), отношение углов и соотношение скоростей электронов до и после электронной линзы. Выполнить все эти условия при помощи одной линзы сложно, поэтому в ЭЛТ применяют фокусирующие системы из двух или трех линз.

Первая линза должна быть электростатической, т.к. она не только фокусирует электронный луч, но и ускоряет электроны с катода. Вторая линза в двухлинзовом прожекторе и третья в трехлинзовом (главная проекционная линза) служит для создания изображения на экране. Она может быть как электростатической, так и магнитной.

Современные фокусирующие системы обеспечивают диаметр светящегося пятна на экране менее 0,1 мм.

Типы электронных прожекторов с электростатической фокусирующей системой