Автоэмиссионная электронная пушка

Автоэмиссионная электронная пушка бывает двух типов: скатодом холодной автоэмиссиии скатодом Шоттки, в которомтермоэлектронная эмиссияусилена понижением энергетического барьера приложенным высоким электрическим полем (Эффект Шоттки). Холодные катоды обычно состоят из вольфрамовой нити со 100 нм в диаметре кончиком.

Типы используемых катодов

Наиболее простым источником электронов в электронных микроскопах является термоэмиссионный катод из вольфрама (рабочий элемент - V-образная вольфрамовая проволока). Интенсивность потока электронов в таком источнике изменяется посредством увеличения/ уменьшения тока накала катода и изменения напряжения смещения. Этот источник наименее прихотлив к вакууму (давление в пушке должно поддерживаться не выше 1·10-3 Па) и его может сменить любой опытный пользователь. Однако вольфрамовый катод не долговечен, его срок работы обычно не превышает 2 месяцев и обладает недостаточной (для многих случаев) электронной яркостью (количество электронов приходящихся на единицу телесного угла).

Более интенсивный поток электронов обеспечивается термоэмиссионным катодом из LaB6,

рабочим элементом в нем является монокристалл гексаборида лантана. Электронная пушка с

таким катодом должна поддерживаться при давлении не выше 1·10-4 Па. При квалифицированном использовании источника, замена осуществляется один раз в 2,5-3 года.

Третий источник электронов – катод с полевой эмиссией. Он состоит из холодной или подогреваемой иглы, с острия которой приложенным потенциалом «стягиваются

электроны» (используется эффект туннелирования электронов). Этот источник эксплуатируется при давлении не выше 1·10-6 Па, пушка микроскопа с таким катодом может откачиваться с использованием нескольких ионных насосов. Замена катода с полевой эмиссией производится только сервисным инженером, а в некоторых моделях ПЭМ она может быть произведена лишь на

заводе-изготовителе. Сложности в эксплуатировании катодов с полевой эмиссией компенсируются узким распределением по энергии ускоренных электронов и сроком службы – более 2-х лет.

Основы взаимодействия электронного пучка средних энергий с твердым телом.

При воздействии электронного пучка на образец электроны пучка претерпевают взаимодействия, которые можно разделить на упругие и неупругие. Упругим рассеянием называется процесс взаимодействия частиц, при котором сохраняется полная кинетическая энергия всех взаимодействующих частиц, но происходит ее перераспределение между частицами. При упругом рассеянии изменяется направление вектора скорости электрона. Угол отклонения от направления падения может принимать значения в переделах от 0° вплоть до 180°, но его наиболее вероятное значение составляет по порядку величины единицы градусов. Упругое рассеяние происходит в результате взаимодействия электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами.

Неупругим рассеянием называется процесс взаимодействия частиц, при котором часть кинетической энергии электрона расходуется на возбуждение внутренних степеней свободы атома или ядра, энергию излучений или образующихся частиц. При неупругих взаимодействиях траектория электрона изменяется мало, при этом происходит передача энергии твёрдому телу. Неупругие взаимодействия происходят, в основном, между электронами пучка и электронами образца.

Для электронов при неупругом рассеянии в твердом теле основные механизмы потери энергии:

• ионизационные потери энергии (ионизационное торможение);

• радиационные потери энергии (радиационное торможение)

• ядерные реакции под действием электронов.

Благодаря неупругим взаимодействиям возникают: ионы ивторичные (рассеянные) электроны, непрерывное и характеристическое рентгеновское излучение, оже-электроны, колебания решётки (фононы), электронные колебания (плазмоны), катодолюминесценция.

Пробег электронов

Быстрые электроны вследствие их многократного рассеяния при прохождении через вещество не имеют определенных значений пробегов. Даже моноэнергетические электроны вследствие, например, рассеяния могут полностью потерять свою энергию в различных точках пространства. Поэтому используют термины «практический пробег» (или «экстраполированный») и «максимальныйпробег» (или «максимальная глубина проникновения»). Величину пробега часто измеряют в г/см2. При таком выражении пробег электрона не зависит от плотности материала.

Пробег, выраженный в этих единицах, называют массовым пробегом. При малых атомных номерах среды массовый пробег практически не зависит от атомного номера.

Пробег заряженной частицы в веществе обратно пропорционален концентрации электронов в поглощающей среде

, где N– количество атомов,Z– количество электронов в атоме.

Так как , где N_A- число Авогадро, ρ - плотность среды, г/см3; А – атомный вес в г/моль

Тогда получим: , т.е. пробег, если его выражать в массе вещества, приходящегося на единицу площади, будет зависеть только от Z/A.