2.4.4. Электронные пушки.

Совокупность электродов, формирующих электронный луч, называют электронной пушкой. Термин «Электронная пушка» применяют как к устройствам для формирования высокоинтенсивных электронных пучков (сильноточные электронные пушки), так и простым совокупностям электродов для получения пучков малой интенсивности (слаботочные электронные пушки) обычно используемые в телевизионных системах, электронных микроскопах, осциллографах, электронно оптических преобразователях и др. приборах. По конструкции и параметрам электродов слаботочные электронные пушки весьма разнообразны, но работают по одному принципу. В качестве примера рассмотрим работу слаботочной трехэлектродной пушки стандартной конструкции.

Различие между катодной линзой и электронной пушкой состоит только в том, что при её конструировании не ставят целью воспроизвести изображение структуры поверхности катода, а добиваются прохождения как можно большего тока, как можно, через меньший кроссовер. Поэтому цель конструирования любой пушки это совместить большую яркость и низкий разброс энергий. Это является следствием закона Гельмгольца - Лагранжа из которого следует что «яркость пучка р», определяемая как отношение плотности тока в фокусе к телесному углу, в пределах которого распространяется сфокусированный пучок, не зависит ни от числа линз в системе, ни от их оптической силы. Теоретический предел яркости определяется из равенства:

_{, (24.4)}

где U₀ – ускоряющее напряжение. Для типичных значений i=1 А/cм², Т=2460 К и U₀=20 кВ предельная яркость равна 2,8 ×10⁴ А/(cм²ср).

Теоретическую яркость не всегда удается получить на практике, хотя к ней можно приблизиться подбором материала эмиттеров и соответствующих рабочих условий.

а б

Рис. 5.4. Схема устройства и питания слаботочной трёхэлектродной пушки. а) с автоматическим смещением; б) с управляемым смещением.

В трехэлектродных (триодных) низкоточных термоэмиссионных пушках в качестве материала нити обычно используют вольфрамовую проволоку, диаметром ≤ 0,125 мм, в форме буквы V, нагреваемую током до температуры около ≈2700 К.

Нить накала (рис. 5.4) как правило, сменная и при её установке необходима строгая центровка по отношению к отверстию в электроде Венельта, иначе ось электронного пучка составит некоторый угол с оптической осью системы. Качество работы пушки во многом зависит от расстояния острия нити до электрода Венельта. Удаление нити от анода вдоль оси пушки приводит к уменьшению тока пучка и делает ток менее чувствительным к боковым смещениям нити. Поэтому положение острия нити выбирают в зависимости от того, что более важно в конкретных условиях — величина тока или его стабильность. Оптимальное расстояние электрода Венельта от анода зависит от ускоряющего напряжения и, не должно превышать минимального расстояния, при котором еще можно избежать электрического пробоя. Для удовлетворения этим условиям при разных ускоряющих напряжениях, в конструкции электронных микроскопов предусмотрены выведенные наружу приспособления для юстировки: в частности, перемещение пушки как целого относительно анода или поперечное движение самого анода позволяющие центрировать нить по максимуму тока электронного пучка в работающей установке.

Нить накала нагревают постоянным, либо переменным (с частотой 100кГц) током. Величина тока накала стандартной вольфрамовой нити составляет ≤ 3 А. Источник накала изолирован от земли и имеет средний вывод для того, чтобы потенциал острия нити не изменялся, при изменении тока накала. В режиме насыщения эмиссия пушки мало чувствительна к небольшим колебаниям температуры, поэтому высокая стабилизация тока накала не требуется.

Срок службы вольфрамовой нити ограничен вследствие распыления вольфрама из наиболее горячего участка нити вблизи острия. Если внутреннее сопротивление источника тока накала велико (случай источника постоянного тока) то уменьшение толщины нити ведет к увеличению её температуры и сокращению времени работы. Наоборот, при работе с источником постоянного напряжения (с низким внутренним сопротивлением) температура нити падает. Изменение температуры нити, вызванное распылением вольфрама, можно уменьшить, используя источник питания с внутренним сопротивлением, примерно втрое большим, чем сопротивление нити (обычно 1 Ом).

Рабочие характеристики катода из гексаборида лантана намного ниже, поэтому он может работать при более низких температурах (1900 К), что удлиняет его время жизни (сотни или даже тысячи часов). Такие катоды могут обеспечить плотность тока эмиссии на порядок выше, чем нитевидные вольфрамовые катоды, а их яркость может достигать ≤ 1,6×10⁵ А/ (см².ст). Они имеют косвенный подогрев, а радиус их вершины очень мал (1—10 мкм). Разброс энергии всего лишь около 1 эВ. Единственным их недостатком является высокая химическая активность при повышенных температурах и неоднородное распределение яркости.

Самый простой способ подачи необходимого отрицательного напряжения на электрод Венельта (напряжения смещения) состоит в пропускании тока пушки через сопротивление порядка нескольких мегом (рис. 5.4,а). Такое смещение, называемое «автоматическим» стабилизирует ток пушки из-за отрицательной обратной связи. При увеличении эмиссии напряжение смещения возрастает, что приводит к уменьшению тока пушки. Термоэмиссия с нити вначале быстро увеличивается с ростом температуры, но затем, при наличии смещения достигает «насыщения», соответствующего определенной температуре накала (рис. 6.4). Стабильность пушки в режиме насыщения значительно выше, чем в иных условиях. «Плато» (рис. 6.4,б) почти горизонтально при достаточно большом сопротивлении смещения.

а б

Рис.6.4. Зависимость плотности тока эмиссии с вольфрамовой нити от температуры (а) и тока эмиссии пушки от температуры нити при различном напряжении смещения (б).

Н а (рис. 5.4,б) представлена схема, которая обеспечивает большую эффективную величину сопротивления смещения, особенно при низких напряжениях смещения. Постоянное сопротивление в этой схеме заменено триодом с большим сопротивлением смещения в катоде, благодаря которому триод практически рабо -

а б

Рис.7.4. Зависимость тока эмиссии пушки и тока пучка (зонда) от температуры накала (а). Зависимость яркости пучка от величины напряжения смещения и расстояния (h) нить – электрод Венельта (б).

тает в пентодном режиме.

Эффективное сопротивление триода равно (a+1)R; где a – коэффициент усиления триода; R – сопротивление в катоде. Для типичных величин a=100 (триод 12АХ7) и R=660 кОм эквивалентное сопротивление триода равно 67 Мом, т. е. намного превышает величину сопротивления, обычно используемую в цепи автоматического смещения. В результате достигается лучшая стабильность тока пушки.

Ток эмиссии с единицы площади катода быстро возрастает с температурой (рис. 7.4,а), но столь, же быстро увеличивается и скорость распыления вольфрама.

Экспериментально установлено, что время работы нити толщиной 0,125 мм (в часах) и плотность тока i (А/cм²) связаны простой зависимостью t=50/i. Из неё следует, что плотность тока в 1 А/см², получаемая при температуре 2640 К, - это наивысшая возможная плотность тока, совместимая с разумным сроком работы нити (около 50 часов). Величина яркости достигает максимума при смещении, примерно на 50 В меньше величины, при которой происходит запирание пушки (рис.7.4,б). Характер зависимости величины запирающего смещения от расстояния нить – электрод Венельта (рис.7.4,б) можно понять, анализируя электростатическое поле вблизи острия нити. Электроны могут покинуть нить только в том случае, если эквипотенциальные поверхности, соответствующие потенциалу нити (-U₀, U_v), пересекают остриё нити, в противном случае пушка оказывается запертой.

При большом расстоянии (h) от сетки (электрода Венельта) до острия нити пушка запирается малым напряжением смещения U_в, и по мере уменьшения (h) необходимо увеличивать U_в, чтобы сохранить постоянство условий вблизи острия. Аналогичная ситуация возникает при увеличении диаметра отверстия в электроде Венельта, когда для сохранения приблизительного постоянства рабочих условий приходится также увеличивать величину h.

Хорошая стабильность по току пучка пушки возможна только при работе в режиме насыщения. Ток пучка достигает насыщения при более высокой температуре накала, чем ток пушки (рис. 7.4,а). Поэтому рабочая температура нити должна соответствовать началу горизонтального участка кривой зависимости тока зонда от температуры и быть близка к и 2640 К для того, чтобы обеспечить высокую яркость пучка и достаточный срок службы.