Учебное пособие ФОЭП, страница 10
Описание файла
Документ из архива "Учебное пособие ФОЭП", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физические основы электроники (фоэ)" из 4 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "физические основы электронных приборов" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Учебное пособие ФОЭП"
Текст 10 страницы из документа "Учебное пособие ФОЭП"
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 UM =0…-60 В. Изменение этого потенциала приводит к изменению высоты потенциального барьера. Это позволяет регулировать плотность электронного потока.
1 – подогреваемый оксидный катод; 2 – управляющий электрод (модулятор); 3,4 – первый и второй аноды; 5 – отклоняющая система; 6 – токопроводящий слой; 7 – экран; 8 – анодный вывод |
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 (Ее - 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:
-
с электростатическим управлением (содержит две пары пластин, расположенных в вертикальной и горизонтальной плоскости);
-
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 (UM = 0…-60 В). Действие модулятора сходно с действием управляющей сетки в триоде: при увеличении отрицательного потенциала возрастает потенциальный барьер для электронов. Ток катода IK зависит от напряжения UM на модуляторе в соответствие с законом “степени 3/2”: , где UM0 – запирающее напаряжение на модуляторе; b – коэффициент пропорциональности.
Однако при уменьшении по модулю отрицательного потенциала модулятора UM IK возрастает быстрее т.к. увеличивается эмиттирующая поверхность катода (--- линия эквипотенциальной поверхности) и IK определяется как: где IK –[мкА]; UM, UM0 – [B]; b=2,3…3; γ=2,5…3,5. Модуляционная характерстика ЭЛТ – зависимость катодного тока IK от напряжения модулятора UM IK =f(UM) (аналогична анодно-сеточной характеристике триода). |
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
Линза-диафрагма – электрод с круглым отверстием, расположенный между катодом и анодом. Различают собирающие и рассеивающие линзы диафрагмы. В собирающей линзе в плоскости диафрагмы: В рассеивающей линзе: |
Одиночные линзы
Схема одиночной линзы и распределения потенциала в ней | Одиночные линзы образуются системой линз – диафрагм и характеризуются постоянными и равными потенциалами по обе стороны линз. - потенциал вдоль оси линзы; - потенциал на расстоянии от оси, большем или равном радиусу отверстия. |
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 ve – 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
Триодный электронный прожектор образован тремя электродами: модулятором, первым и вторым анодами. Электростатическая система фокусировки состоит из иммерсионного объектива (катод – модулятор - первый анод) и иммерсионной линзы (первый анод - второй анод) – главной проекционной линзы.
Схема триодного прожектора
Основной недостаток триодного прожектора – взаимное влияние процессов регулировки тока (яркости) и фокусировки луча. Этот недостаток устраняется в ЭЛТ более сложных конструкций.
Типы электронных прожекторов с электростатической фокусировкой
| В электронном прожекторе с ускоряющим электродом (а) между модулятором М и первым анодом А1 расположен ускоряющий электрод УЭ. Таким образом, прожектор состоит из иммерсионного объектива (К-М-УЭ) и одиночной линзы (УЭ-А1-А2). |
Первый анод, служащий для регулировки фокусировки луча (потенциал UA 1 - несколько сот вольт), отделен от модулятора экранирующим ускоряющим электродом (с постоянным положительным потенциалом UA2 до нескольких киловольт), поэтому значительно уменьшается взаимное влияние регулировок тока (яркости) и фокусировки луча.
| В электронном прожекторе с нулевым током первого анода (б) между модулятором и первым анодом также располагают ускоряющий электрод с постоянным потенциалом UA2,, который является электрическим экраном между иммерсионным объективом (К-М-УЭ) и одиночной линзой (УЭ-А1-А2). |
При этом значительно уменьшается влияние линз друг на друга. Вторым важным преимуществом прожектора является то, что ток первого анода практически равен 0, т.к. А1 выполнен в виде диафрагмы большого диаметра. Таким образом, при изменении UA1 отсутствует взаимное влияние потенциалов различных электродов.
| Прожектор тетродного типа является трехлинзовым и содержит: иммерсионный объектив (К-М-УЭ1), иммерсионную линзу (УЭ1-УЭ2) и главную проекционную (одиночную) линзу. |
Потенциал первого ускоряющего электрода UУЭ1 невысок (несколько сот вольт) и определяет напряжение запирания на модуляторе UМЗ.. Преимущество тетродного прожектора - значительно более низкое напряжение запирания UМЗ (по сравнению с триодным прожектором).
Электронный прожектор с магнитной линзой
| В электронных прожекторах с магнитной линзой используется неоднородное аксиально-симметричное магнитное поле короткой катушки, т.е. такой катушки, длина которой соизмерима с ее внутренним диаметром. В триодном электронном прожекторе (а) имеется иммерсионный объектив (К-М-А), в тетродном (б) – иммерсионный объектив (К-М-УЭ) и иммерсионная линза (УЭ-А). Главной проекционной линзой в обоих случаях является магнитная линза. |
Магнитная линза. Принцип фокусировки луча
Под действием этой силы возникает тангенцальная составляющая скорости электрона .