1.1. Генерация электронных потоков.

1.1.1.Термоэлектронная эмиссия.

Средняя кинетическая энергия термоэлектронов равна 2kT (0,2 эВ при температуре эмитирующей поверхности Т = 2000 К). Энергетическое распределение термоэлектронов определяется статистикой Максвелла-Больцмана, для которой существуют как низко-, так и высокоэнергетические “хвосты” распределения. Наличие этих хвостов приводит к энергетической размытости потока электронов, что ограничивает возможности фокусировки луча в пятно малых размеров (доли мкм) и получение моноэнергетических потоков.

Для создания генераторов электронных потоков наиболее важной характеристикой является плотность тока эмиттеров (термокатодов) j_T. Термокатоды из чистых тугоплавких металлов (W, Mo) имеют максимальное j_T = 10^-1 - 1 А/см² при Т = 2300 - 2700 К. Для оксидных термокатодов (Ni или W, покрытые слоем оксидов щелочноземельных элементов) j_T = 1–5 А/см² при Т = 800–900 К. Для оксидно-ториевых термокатодов (Mo или W, покрытые слоем оксида тория ThO₂) j_T = 4 А/см² при Т = 1600 К. Максимальное значение плотности тока эмиссии 20 А/см² при Т = 2100 К получено для термокатода из гексаборита лантана LaB₆.

1.1.2.Автоэлектронная эмиссия.

Это явление вырывания электрона с поверхности под действием электрического поля. С использованием автоэлектронной эмиссии получены плотности тока j_E до 10⁶ А/см². Необходимое условие для этого – площадь эмитирующей поверхности около нескольких мкм² (микроострия). В области микроострия происходит умножение напряженности электрического поля Е и достигаются значения порядка 10⁵ В/см, так как напряжённость Е пропорциональна отношению U / r, где U – потенциал острия, а r – радиус острия. Малая эмитирующая поверхность создает преимущества для автоэмиссионных термокатодов при фокусировке электронного потока в пятно малых размеров. В качестве автоэлектронных катодов используются игольчатые электроды, тонкие проволочки, торцы скрученных тонких фольг, шероховатые поверхности тугоплавких металлов, а также жидкие металлы, которые в сильном электрическом поле образуют острия на поверхности.

1.1.3. Взрывная эмиссия.

Взрывная эмиссия – это эмиссия электронов из плазмы острия, усиленная электрическим полем. При j_E = 10⁶–10⁸ А/см² выделяемой на острие энергия достаточно для его вскипания и взрыва через 10^–7–10^–9 с. Взрыв острия и образование плотной плазмы вокруг него приводит к усилению тока электронов. Электронная плотность плазмы составляет порядка 10²⁰ см^–3, что создает условия для интенсивной эмиссии электронов. Поскольку взрывная эмиссия сопровождается выбросом мелкодисперсной жидкокапельной фазы (размер капель от сотых до десятых долей мкм), то для получения чистого электронного потока используют его сепарацию с помощью тонких фольг из Al или Ti.

Для достижения j_E порядка 10⁸ А/см² применяют импульсы электрического поля с потенциалом от сотен кВ до 10 МВ длительностью 30–60 нс. С помощью генераторов на взрывной эмиссии получены импульсные электронные пучки с энергией 1‑10 МэВ, электронным током 10⁴–10⁶ А, длительностью 10^–7–10^–8 с.

1.1.4. Плазменная эмиссия.

Это процесс вытягивания электронов полем, приложенным к плазме стационарного тлеющего или дугового разрядов. Максимальная плотность электронного тока с границы плазмы

, (1.1)

где n_e – плотность электронов плазмы, T_e – электронная температура плазмы. Для наиболее типичных случаев T_e = 10⁴ К и n_e = 10¹⁸ м^–3, что дает j_n = 10³ А/см².

1.1.5. Формирование электронных пучков.

Под формированием электронного пучка понимают процесс его фокусировки на поверхность твердого тела в пятно требуемого диаметра или необходимой конфигурации (например, прямоугольной или эллиптической). Устройства формирования электронного пучка обычно называют электронно-оптической системой (ЭОС). Конструкции ЭОС весьма разнообразны и зависят от требований к параметрам электронного пучка (ток пучка, энергия электронов и ее разброс, конфигурация пучка и его размер).