§ 6. Некоторые электронные приборы с электростатическими полями

В настоящем параграфе будет рассмотрено несколько простых примеров движения заряженных частиц в различных электронных приборах. Одни из них служат иллюстрацией к теоретическому материалу предыдущих разделов, другие инте­ресны сами по себе. Среди того богатого материала, который предоставляет в этом направлении современная техническая электроника, в силу экономии места приходится делать строгий отбор. Некоторые электронно-оптические системы, такие как электронный микроскоп или масс-спектрограф, будут разобра­ны позднее, после выяснения характера движения заряжен­ных частиц в магнитных полях, но многие интересные и важные устройства останутся все же даже не упомянутыми.

Электронный проектор

Проектор является одним из простейших электронных при­боров. В центре стеклянной или кварцевой колбы, покрытой внутри тонким слоем флюоресцирующего вещества, нанесенного на проводящую подкладку, помещается вольфрамовое острие. Это острие получается травлением кусочка очень тонкой проволоки, приваренной к центру проволочной петли, закрепленной на более массивных траверзах (рис. 6.1). Путем подбора подходящего режима травления радиус закругления острия может быть доведен до нескольких сотен ангстрем. Между острием и флюоресцирующим экраном прикладывается разность потенциалов в 2 - 3 кв. Описанная конструкция приближается к сферическому конденсатору, и напряженность электрического поля вблизи поверхности ост­рия достигает в указанных условиях сотен миллионов вольт на сантиметр (в самом деле, , что при = 2•10³ В и r = 500 А дает Е = 4•10⁸ B/см).

Электроны удержива­ются внутри металла элект­рическими силами и сами по себе не могут выйти за его пределы. Электронная эмиссия наблюдается, если ме­талл освещен (фотоэффект), нагрет (термоэлектронная эмиссия), бомбардируется быстрыми электронами или ионами (вторичная эмиссия). Во всех этих случаях необходимая энергия сообщается электронам металла от внешнего источника, и если она оказывается достаточ­ной для преодоления потенциального барьера у поверхности, то наблюдается эмиссия электронов.

Рис. 6.1, Электронный проектор.

Помимо упомянутых типов эмиссий существует еще один особый случай испускания электронов из твердых тел, так называемая автоэлектронная эмиссия. Протяженность потенци­ального барьера, существующего на границе металла и препят­ствующего выходу электронов, безгранична, если электрическое поле в вакууме у поверхности металла отсутствует или явля­ется тормозящим; протяженность барьера уменьшается при на­личии ускоряющего поля. Чем больше напряженность поля Е, тем уже барьер. Как видно из рис. 6.2. ширина барьера и напряженность поля связаны соотношением

(6.1)

где высота барьера, отсчитанная от уровня полной энергии электрона внутри металла. С точки зрения классической ме­ханики, независимо от толщины барьера, электрон, полная энер­гия которого внутри металла меньше высоты барьера, ни при каких условиях не сможет покинуть металл и выйти в вакуум. Иная ситуация складывается в квантовой механике: в силу существования волнового процесса, ассоциированного с движу­щимся электроном, проникновение электрона через запрещенную область в волновой механике оказывается возможным. Совер­шенно так же в волновой оптике оказывается возмож­ным проникновение лучистой энергии в среду с меньшим коэффициентом преломления в условиях полного внутрен­него отражения. В рамках геометрической оптики этот процесс полностью исклю­чен. Аналогия идет дальше, и подобно тому, как в вол­новой оптике интенсивность потока лучистой энергии, проникающего внутрь менее преломляющей среды, убы­вает с расстоянием по пока­зательному закону, так и в случае автоэлектронной эмиссии вероятность проник­новения электронов сквозь барьер убывает с его тол­щиной по такому же зако­ну. Расчет дает следующую формулу для плотности тока в случае автоэлектронной эмиссии:

(6.2.)

где С₁ и С₂ - константы, зависящие от свойств ме­талла (в частности, величи­на С₂ пропорциональна работе выхода металла в степени 3/2). Для большинства металлов вероятность проникновения элек­тронов сквозь барьер, а вместе с ней и ток автоэлектронной эмиссии достигают значений, доступных измерению, при на­пряженности поля порядка 10⁷ B/см.

Приведенные цифры показывают, что в электронном про­екторе с поверхности острия должна происходить интенсивная автоэлектронная эмиссия. Электроны, испускаемые острием, приобретают под действием сильного электрического поля радиальное ускорение и, устремляясь к флюоресцирующему экрану, бомбардируют его. Свечение экрана пропорционально плотности электронного тока. Плотность тока на данном участке экрана, в свою очередь, определяется плотностью первичного автоэлектронного тока с соответствующего элемента эмиттера. В результате на экране возникает распределение свечения, которое будет воспроизводить в увеличенном масштабе локаль­ное распределение автоэлектронной эмиссии. Очевидно, что масштаб увеличения т определяется просто отношением радиуса колбы, на которую нанесен экран, к радиусу закругления острия, т. е.

(6.3)

При значениях R = 5 см и r = 500 А увеличение достигает огромной величины - 10⁶ крат. На рис. 6.3а. и 6.3б. приведена в качестве иллюстрации серия фотографий распределения свечения на экране для острий из различных материалов.

Рис. 6.2. Автоэлектронная эмиссия. Из­менение ширины потенциального барье­ра при возрастании напряженности электрического поля. Р (х) - потенциаль­ная энергия электрона.

Рис, 6.3а. Электронно-микроскопичесхое изобра­жение острия из торированного вольфрама на различных стадиях акти­вации (при различных по­крытиях Тh на W).

1) Чистый вольфрам (пос­ле прогрева до 2800 К).

2) Ранняя стадия актива­ции (после прогрева ост­рия до 2600 К для вос­становления окиси тория в толще вольфрама и по­следующего кратковре­менного прогрева при 2000 К; часть восстанов­ленного тория диффунди­рует на поверхность воль­фрама).

3) Последующая стадия активации (про­грев при 2000 К в течение 13 мин - продолжение объемной диффузии Тh на поверхность W).

4) Оптимальное покрытие Тh на W, установившееся в ре­зультате поверхностной миграции Тh (прогрев при рабочей температуре 1800 К в течение двух часов).

Рис. 6.3б. Электронно-ми­кроскопическое изображе­ние острия из молибдена, на который наносится то­рий из внешнего источника.

1) Чистый молибден.

2) На часть острия на­несен массивный слой Тh.

3) Слой Тh начинаем ми­грировать по поверхности (прогрев при 1000 К).

4) Поверхностное покрытие Тh уменьшается в ре­зультате диффузии Тh внутрь Мо или образования сплава обоих металлов (прогрев при 1000-1300 К).

5) Покрытие уменьшается в сильной степени в результате испарения или внутренней диффузии (прогрев при 1700 К).

Возникает естественный вопрос, за счет каких причин авто­электронная эмиссия оказывается различной на разных участках эмиттирующей поверхности. Существуют несколько причин, приводящих к этому явлению. Прежде всего, острие благодаря температурной тренировке кристаллизуется, утрачивает сфери­ческую форму и приобретает форму многогранника, который отвечает кристаллической структуре металла острия. Вследствие изменения формы острия напряженность поля вдоль его по­верхности перестает быть постоянной: она возрастает на реб­рах и вершинах многогранника. Кроме того, следует учесть, что работа выхода электрона через различные грани металли­ческого кристалла различна. Действие обеих причин, как сле­дует из формулы (6.2), должно приводить, даже при небольших вариациях электрического поля и работы выхода, к заметному изменению в величине автоэлектронной эмиссии. Симметричная картина свечения, получающаяся на экране наглядно демонстрирует влияние кристаллической структуры на распределение эмиссии.

Электронный проектор позволяет, таким образом, рассмат­ривать и изучать микроструктуру металлической поверхности, применяя огромные увеличения. Получая ряд последовательных фотографий свечения на протяжении процесса термической обработки острия, можно следить за изменением кристалли­ческой структуры данного металла. Конденсируя на поверх­ности эмиттера чужеродные атомы, например атомы щелоч­ных металлов, которые при адсорбции заметно изменяют работу выхода основного металла, можно судить о процессах поверхностной миграции этих атомов, о зависимости адсорбции от кристаллографических направлений и т. д.

Остановимся вкратце на вопросе о разрешающей силе элек­тронного проектора. Четкость изображения на экране помимо технологических и «электротехнических» причин (зернистость экрана, колебания в эмиссии из-за недостаточности стабиль­ности высокого напряжения и др.) определяется хроматической аберрацией и дифракцией электронов. В приведенном схемати­ческом описании механизма действия проектора предполага­лось, что электрон, покинувший поверхность металла, лишен начальной скорости и движется строго прямолинейно по радиусу. В действительности эмиттируемые электроны обла­дают небольшим разбросом в начальной энергии, и пучок траекторий, выходящий из одной точки эмиттера, дает на экране не точку, а слегка размытое пятнышко. Диаметр кружка размытия определяется величиной разброса тангенциальной составляющей начальной скорости и может быть вычислен, если учесть, что электронные траектории в поле центральных сил в рассматриваемом случае представляют собой гиперболы (кеплеровские эллипсы получаются при наличии притягательных сил и отрицательной полной энергии; в проекторе электрон отталкивается от острия, которое заряжено отрицательно). Расчет дает следующую формулу для диаметра кружка раз­мытия на экране:

(6.4)

здесь U₀ - разность потенциалов, отвечающая разбросу в тан­генциальных значениях скорости, U — разность потенциалов, приложенная к проектору. Разрешение прибора будет опреде­ляться диаметром соответствующего кружка на эмиттере, т. е. Величиной

Механизм снижения разрешающей силы за счет электронной дифракции в принципе совершенно такой же, как и в обычных оптических инструментах. Обе причины вносят известные огра­ничения лишь при переходе к анализу деталей атомных размеров.

В заключение заметим, что недавно построены приборы, в которых и эти ограничения в значительной степени преодо­лены. Допустим, что в зону вблизи острия поступает тонкая струйка атомов гелия в режиме молекулярного истечения, и предположим, что острие заряжено положительно относительно экрана, так что условия для возникновения автоэлектронной эмиссии отсутствуют. Атомы гелия, попадающие в непосред­ственную близость с острием, оказываются в огромном элект­рическом поле, и если напряженность электрического поля такова, что на протяжении поперечника атома создастся паде­ние потенциала порядка ионизационного потенциала, то может произойти ионизация атома в электрическом поле. Возникший ион будет ускорен по направлению к экрану и, бомбардируя его, вызовет свечение. Образование контрастного изображения в этом случае связано с тем, что условия ионизации атомов гелия вблизи ребристой поверхности кристаллического острия оказываются разными в зависимости от микроскопического рельефа. При использовании данного метода удается обнару­жить детали рельефа, обладающие атомными размерами. Боль­шая, примерно в 8000 раз, масса ионов гелия, по сравнению с массой электрона, приводит к уменьшению длины волны де-Бройля, а следовательно, и к уменьшению дифракционного размытия, Охлаждение всего прибора в жидком водороде или гелии уменьшает начальные скорости и снижает аберрационное раз­мытие.

На рис. 6.4 приведена фотография структуры вольфрамового острия, полученная с ионным проектором описанного типа.