2.1.2. Управление конфигурацией потока заряженных частиц. Фокусировка пзч

Электроны потока в процессе своего движения испытывают взаимное отталкивание вследствие действия закона Кулона. Поэтому электронный поток расширяется в тем большей степени, чем выше концентрация частиц в его поперечном сечении. В то же время в электронных микроскопах, в электронных лучевых приборах и других устройствах необходимо иметь потоки как можно меньшего поперечного сечения. С этой целью на электроны воздействуют статическими неоднородными полями, заставляя их двигаться к оси потока вопреки действию кулоновских сил. В результате поперечное сечение потока уменьшается, а его плотность растёт. Подобный процесс носит название фокусировки.

Конфигурацию поля удобно представлять с помощью его эквипотенциалей, т.е. линий равного потенциала. Если поле задано таким образом, то его вектор напряженности в какой-либо точке поля всегда нормален к эквипотенциали, проходящей через данную точку. Поэтому, конструируя электроды прибора, с помощью которых создается такое поле, соответствующим образом, можно изменить траекторию движения электронов в желаемом направлении, т.е. к оси потока. На рис. 2.2а показаны линии равного потенциала, для потенциалов φ₁ и φ₂, которые позволяют это сделать.

Электрон, испущенный термокатодом К (его конструкция подобна конструкции катода, изображенного на рис. 1.15 слева) покидает эмиттер в направлении, указанном стрелкой (это направление, вообще говоря, имеет случайный характер и электроны испускаются эмиттером в пределах телесного угла величиной 2 стерадиан) . Попадая в электрическое поле, он испытывает действие его силы F, вектор которой ориентирован противоположно вектору напряженности поля Ɛ (поскольку электрон имеет отрицательный заряд). Раскладывая вектор силы на ортогональные составляющие, приходим к выводу, что поле такой конфигурации заставляет электрон ускоряться в горизонтальном направлении и в направлении к оси катода, обозначенной пунктирной линией. Следовательно, электронный поток, двигаясь в горизонтальном направлении, будет сжиматься. Как видно из рисунка, действие таких полей на электроны подобно действию оптических линз на лучи света, поэтому их называют электронными линзами. На некотором расстоянии от линзы, которое по аналогии можно назвать фокусным расстоянием, электроны сойдутся на оси с последующим их расхождением, поэтому процесс фокусировки должен быть повторен.

На рис.2.2б изображен так называемый электронный «прожектор» (в просторечии – «пушка») – устройство, входящее в состав электронно-лучевых приборов и предназначенное для формирования луча с помощью двух электронных линз. Он включает в себя катод К, модулятор М, ускоряющий электрод УЭ, фокусирующий электрод ФЭ и анод А, изготовленных из металлов или их сплавов (но эмиттер катода - полупроводник с малой работой выхода).

Модулятор, имеющий цилиндрическую форму и расположенный поверх катода, – своего рода «стаканчик» с отверстием в его дне для выхода электронов. Его потенциал всегда меньше потенциала катода, поэтому на пути электронов, испущенных катодом, действует потенциальный барьер, а следовательно, имеет место режим пространственного заряда. Меняя потенциал модулятора при постоянном потенциале катода (или наоборот, что чаще имеет место), можно регулировать плотность потока электронов за счёт изменения высоты потенциального барьера. При некотором значении этого потенциала, называемого запирающим, ни один электрон не сможет выйти из отверстия модулятора. Прожектор имеет две линзы - короткофокусную и длиннофокусную. Первая линза образуется с помощью катода, модулятора и ускоряющего электрода, имеющего положительный, по отношению к катоду, потенциал и предназначенный для захвата своим полем электронов, преодолевших потенциальный барьер на участке катод – модулятор. Для этого эквипотенциаль его поля, соответствующая положительному потенциалу, должна касаться поверхности эмиттера. Надо полагать, что первая линза, являясь двояковыпуклой, вначале фокусирует поток, а затем – по мере движения по оси – его рассеивает. Однако, так как электроны, двигаясь к оси прожектора, одновременно и ускоряются в ее направлении (осевой компонент скорости электрона растет), следовательно, рассеивающее воздействие на них полем линзы проявляется в значительно меньшей степени, нежели фокусирующее, которое, таким образом, преобладает. Поскольку напряжение на УЭ имеет постоянную величину и существенно больше изменяющегося в процессе работы ЭЛТ напряжения модулятора, то фокусное расстояние первой линзы также постоянно.

Вторая линза является длиннофокусной. Её задача – свести в точку электронный поток на достаточном удалении от прожектора, в частности, на экране ЭЛТ. Вторая линза формируется с помощью анода, ускоряющего и фокусирующего электродов. Все эти электроды имеют цилиндрическую форму (а иногда и форму эллиптического цилиндра) и снабжены диафрагмами – поперечными перегородками с отверстиями для пропуска электронов. Фокусное расстояние этой линзы регулируют путем изменения напряжения на ФЭ, которое больше, чем на УЭ.

В процессе своего движения по оси ЭП какая-то часть электронов неизбежно попадает на электроды прожектора, поскольку они имеют положительный потенциал, в результате чего в их цепи имеет место электрический ток. Напряжения на электродах ЭП формируются одним источником питания. Поэтому изменения напряжения на ФЭ, с целью фокусировки, неизбежно вызовут изменения его тока, что, в свою очередь, приведет к изменению напряжения на других электродах ЭП, - а это недопустимо, поскольку вызовет изменения в режиме работы ЭЛТ, в частности, - яркости свечения его экрана. Для того, чтобы электроны не попадали на ФЭ, отверстие в его диафрагме выполняют значительно большего диаметра, нежели у остальных электродов.

Наибольший потенциал имеет анод, именно он определяет энергию электронов, устремляющихся на экран, а, следовательно, и максимальную яркость его свечения.

Таким образом, прохождение заряженных частиц в статическом (потенциалы электродов ЭП постоянны) неоднородном поле вызывает изменение плотности ПЗЧ за счёт изменения площади его (потока) поперечного сечения и изменения модуля скорости потока. Концентрация же частиц в каждом поперечном сечении потока по всей его длине практически остаётся постоянной (если не учитывать потерю электронов. «оседающих» на электродах прожектора).