4.4. Фокусировка электронных пучков в аксиально-симметричных
электростатических полях.
1.4.4. Катодная линза.
Диафрагма с круглым отверстием (рис. 3.4,б) является простейшим элементом для получения электронного пучка, если плоский электрод, создающий электрическое поле слева от отверстия будет источником электронов, т.е. является катодом. Электроны, покидающие поверхность катода, ускоряются разностью потенциалов между диафрагмой (анодом) и катодом. При таком расположении электродов, и потенциалов как следует из уравнения (23.4), оптическая сила отрицательна, т. е. такая линза всегда дает расходящийся пучок электронов.
С
итуация
может быть кардинально улучшена, если
поместить вблизи катода еще одну
диафрагму (электрод Венельта) и подать
на незначительное отрицательное
напряжение Uv
≤ -U0/100
по отношению
к катоду (рис. 4.4,а). Этот контрольный
электрод служит двум целям.
Рис. 4.4. Схема катодной линзы (а), формирование кроссовера (б).
Во-первых, он изменяет распределение поля таким образом, что создается фокусирующее поле вблизи поверхности катода, где электроны движутся относительно медленно. Следовательно, это фокусирующее влияние будет сильнее, чем дефокусирующее от отверстия анода. В результате будет формироваться сходящийся пучок. Во-вторых, меняя напряжение Uc, можно контролировать ток пучка. Электроны, покидающие поверхность катода, имеют максвелловское распределение скоростей. Наиболее вероятная энергия электронов пропорциональна температуре катода, и при Т=2700 К она приблизительно равна 0,2 эВ. Поэтому если Uc≈0,2 В (напряжение отсечки), то вблизи оптической оси потенциал на эквипотенциальных поверхностях меньше ≤0,2 В, и доля электронов, проникающих туда, будет очень мала, а, следовательно ток пучка практически будет нулевым. Если теперь слегка повысить потенциал на контрольном электроде, то все больше электронов будет проходить через область его влияния, и ток пучка резко возрастет вместе с радиальным расширением той части поверхности катода, из которой электроны могут его покинуть.
Так как разные электроны могут покидать одну и ту же точку поверхности катода во всевозможных направлениях, их траектории будут различны, и они пересекут ось в разных точках (рис. 4.4,б). В результате изображение поверхности катода будет сформировано в виде кроссовера, положение которого определяется тем, где большинство электронов пересекут ось (рис.4.4,б). Поперечное сечение кроссовера намного меньше, чем катода, но вследствие упомянутого распределения начальных скоростей оно никогда не может быть сведено к нулю. Диаметр кроссовера зависит от геометрии деталей линзы и приложенной разности потенциалов и обычно изменяется в пределах от 20 до 100 мкм.
Само существование кроссовера зависит от положения вершины катода по отношению к контрольному электроду: он существует только тогда, когда катод расположен на достаточном удалении позади контрольного электрода. Максимальная передача тока в линзе около 0,2%, большая часть тока теряется на электродах.
В большинстве электронных линз кроссовер формируется на небольшом удалении от катода. Однако можно сконструировать линзы, формирующие кроссовер и на большом расстоянии от катода (телефокусные линзы). Они обеспечивают более высокую передачу тока за счет увеличения размеров кроссовера.
Рассмотренную линзу называют катодной линзой либо электростатическим «иммерсионным» объективом по аналогии с соответствующим оптическим объективом, где показатель преломления в пространстве предметов отличается от показателя преломления в пространстве изображений. Такая катодная линза является одним из основных элементов термоэлектронного эмиссионного микроскопа.