4.2. Простейшие генераторы электронных пучков

Формирование электронного пучка как технологического инструмента можно представить в виде следующей последовательности задач:

1) получение свободных электронов;

2) ускорение электронов и формирование пучка;

3) изменение поперечного сечения пучка за счет его фокусировки на обрабатываемой поверхности (компрессия мощности в пятне нагрева малого размера);

4) отклонение электронного пучка для обеспечения заданной траектории перемещения пятна нагрева по обрабатываемой поверхности.

Свободные электроны, как правило, получает путем эмиссии с металлических накальных катодов.

По мере роста плотности тока последовательно проходят области (см. рис. 4.1): эмиссии ограниченной пространственным зарядом; затем область чистой термоэмиссии (при значительных величинах U_а) и, наконец, область наличия суммарной эмиссии с эффектом автоэлектронной эмиссии (при больших значениях U_а). В своем большинстве катоды электронных пушек работают в области перехода от режима эмиссии, ограниченной пространственным зарядом, к режиму эмиссии, ограниченной температурой катода (т.е. режим насыщения).

Расчеты по формуле Ричардсона - Дэшмана (4.2) показывают, что для получения требуемых плотностей тока с эмиттера − катода (0,1... 10) А/см² необходимо иметь температуру катода порядка (2400...3000) К. В связи с этим в качестве катодов можно использовать только материалы с высокой температурой плавления, например, тугоплавкие металлы: вольфрам и тантал. С другой стороны, чем выше плотность тока эмиссии, тем выше температура нагрева катода и ниже срок его службы. Решение этой противоречивой задачи дает применение в качестве эмиттеров материалов с малой работой выхода электрона, позволяющих добиться высоких значений плотности тока эмиссии при меньших температурах нагрева. Так, гексаборид лантана (LaB₆) имеет A = 2,6 эВ против 4,5 эВ у вольфрама. Это позволяет снизить температуру нагрева до 2000 К.

Решение оставшихся задач осуществляется с помощью электростатических и магнитных полей, которые могут использоваться как линзы электронной оптики для формирования изображений с помощью электронных (ионных) пучков.

В задачу электростатического генератора входит ускорение эмитировавших электронов и формирование электронного потока в электронный пучок (задача 2) за счет фокусирующих электрических полей. Генератор содержит катод, блок управляющих (фокусирующих) электродов и анод.

Если блок управляющих электродов (их может быть несколько) имеет потенциал катода (в этом случае принято их называть фокусирующими), то генератор называют двухэлектродным (катод − анод). Если потенциалы управляющих электродов отличны от потенциала катода, то генератор называют многоэлектродным. Обычно электронная пушка имеет один управляющий электрод и является трехэлектродной. Наибольшее распространение имеют генераторы аксиального типа, у которых все элементы конструкции, в том числе электроды, имеют осевую симметрию, которая также характерна и для используемого электростатического поля.

Генератор электронных лучей называют электронным прожектором (электронно-лучевые трубки), а генератор мощного пучка − электронной пушкой. В электронно-лучевой технологии, часто электронной пушкой называют функционально законченное устройство, формирующее пучок в окончательном виде как термический инструмент, куда входит множество других элементов кроме, собственно, генератора.

Независимо от конструктивной схемы генераторы должны удовлетворять общим требованиям. Эти требования сводятся к следующему:

обеспечивать малое сечение пучка (компрессию) в плоскости обрабатываемой поверхности (от долей миллиметра до миллиметров);

возможность плавной регулировки мощности (тока пучка) от нуля до некоторого максимального значения;

простота, экономичность и долговечность конструкции. Материал электродов должен иметь хорошие вакуумные свойства (не выделять паров и газов), допускать прогрев до высоких температур и быть немагнитным.

Для удовлетворения основному первому требованию необходимо сфокусировать электроны, испускаемые катодом, что, в принципе, можно осуществить одной электростатической линзой.

Простейшим генератором пучка электронов является двух- электродный генератор с плоскими электродами (рис. 4.2 а). Катод (К) и фокусирующий электрод (ФЭ), который находится в плоскости катода, имеют одинаковые потенциалы. Ток пучка можно регулировать за счет изменения температуры катода или потенциала U_a анода (А) относительно катода (ускоряющим напряжением).

С истема не обладает фокусирующими свойствами, а анодное отверстие оказывает рассеивающее действие в силу наличия "провисания" электростатического поля в заанодное пространство. Поэтому подобные генераторы могут использоваться в случае малых эмитирующих поверхностей катода при малых первеансах пучка. Развитие двухэлектродных генераторов может идти по пути изменения формы электродов, что существенно улучшает их свойства.

Рисунок 4.3

Наибольшее применение в электронно-лучевой обработке получили трехэлектродные генераторы, которые имеют дополнительный управляющий электрод (УЭ). На рис. 4.2 б показана простейшая схема такого генератора с плоскими электродами. Плоскость УЭ не совпадает с плоскостью катода. Подобная схема обладает фокусирующими свойствами и в ней могут быть использованы всевозможные виды катодов, в зависимости от назначения и мощности генератора.

Анализ показывает, что генератор с одной линзой практически не может обеспечить существенной концентрации мощности пучка в пятне нагрева за счет значительного уменьшения размеров изображения катода. Такой генератор не удовлетворяет требованиям электронно-лучевой обработки.

Современные электронные пушки строятся по двухлинзовой схеме. Причем, выбирая в качестве первой сильную (короткофокусную) линзу, можно обеспечить значительное уменьшение изображения катода. А дополняя такую линзу второй, сравнительно слабой (длиннофокусной) линзой, можно удовлетворить конструктивному требованию заданного расстояния до обрабатываемой поверхности (мишени). Кроме того, поскольку нас интересует не собственно изображение катода, а степень концентрации тока его эмиссии, вторую линзу можно настроить на формирование изображения кроссовера. Кроссовер (точка скрещения электронных траекторий) – это наименьшее сечения пучка между первой и второй линзой (фокус первой линзы в пространстве изображений).

Рисунок 4.4

Первая линза является иммерсионным объективом, а необходимость ускорения электронов, делает ее принципиально электростатической. Вторая линза генератора может быть как электростатической, так и магнитной, поскольку ускорение электронов осуществлено, и необходима только фокусировка пучка на мишени.

Траектории крайних электронов пучка в двухлинзовом генераторе показаны на рис. 4.4. Электроны вылетают с поверхности катода с разными по величине и направлению скоростями. Усилием первой линзы Л₁, образуемой полем ускоряющего промежутка между катодом и анодом, в заанодном пространстве формируется изображение катода CD, где сходятся траектории электронов. Перед этим изображением расположено наименьшее сечение пучка АВ, являющееся его кроссовером.

Радиус кроссовера может быть в десятки раз меньше радиуса катода. Поэтому, именно кроссовер является объектом второй, как правило магнитной, линзы Л₂ (катушка с током) для формирования его изображения АˊВˊ на мишени М.

Последняя, 4-я задача решается применением отклоняющих магнитных систем, обеспечивающих отклонение электронов и самого пучка по двум координатам, перемещая, таким образом, пятно нагрева (АˊВˊ) в плоскости обработки.