Холодноемісійна польова електронна гармата.

У холодноемісійній польовій електронній гарматі як емітер використовується монокристал вольфраму, поверхня якого відповідає кристалографічній площині (310). Емітер працює при кімнатній температурі без нагрівання.

Вольфрамовий катод виготовлений у формі вістря з радіусом кривизни на кінці вістря — 0,1 мкм, що знаходиться в електричному полі напруженістю ~ 5•10⁹ В/м. Емісія з такого катода називається автоелектронною. Розходження електронів за енергіями у такому катоді не перевищує 0,35 - 0,7 еВ.

Однак, з іншого боку, на поверхні емітера з’являється забруднення у вигляді адсорбенту молекул залишкового газу, що викликає нестабільність струму емісії та разом з тим його повільне зменшення. Для відновлення робочої функції катод необхідно прогріти шляхом спалаху до температури Т=1700К, щоб видалити шар адсорбованих газів. Така термічна обробка емітера поступово збільшує радіус його вістря. Для роботи холодноемісійних гармат необхідний робочий вакуум Р< 1•10^-8 Па.

Термопольова електронна гармата.

У таких гарматах як емітер служить монокристал вольфраму з орієнтацією площин емісії (100), покритий шаром ZrO, що забезпечує зниження роботи виходу електронів з 4,6 еВ до 2,8±0,2 еВ.

При нагріванні такого емітера у сильному електричному полі до температури 1600 - 1800 К електрони проходять через потенційний бар'єр, який зменшений за рахунок сильного електричного поля. Це явище називається ефектом Шотткі, звідки й походить назва таких гармат - SE.

У порівнянні з холодноемісійною польовою електронною гарматою CFE у гармати SE менший дрейф струму емісії, що забезпечує стабільний струм емісії без необхідності процедури прогріву, оскільки на емітері не утворюється забруднень у вигляді адсорбенту. Для роботи термопольових електронних гармат SE необхідний робочий вакуум Р < 1•10^-6 Па.

З точки зору економічності обслуговування, а також з огляду на вимоги до вакууму електронні джерела SE мають перевагу над джерелами CFE.

У таблиці 2 наведена порівняльна характеристика електронних гармат із зазначеними двома джерелами. Гармати з польовою емісією застосовуються у всіх сучасних аналітичних просвічуючих і растрових електронних мікроскопах, які використовуються в областях нанотехнології, включаючи біотехнологію, матеріалознавство, напівпровідникову технологію, а також у приладах електронно-променевої літографії.

Таблиця 2 - Порівняльні характеристики електронних гармат з різними джерелами електронів

Характеристика	Термоелектронна емісія				Польова емісія
	V- подібний	точковий	LaB6	Термопольова емісія SE		Холодна емісія CFE
Матеріал катода	W	W	LaB6	Zr0/W(100)		W(310)
Діаметр: кросовера або віртуального джерела	30 мкм	1-5 мкм	5-10 мкм	30+60 нм		5-7 нм
Температура катода, К	2800	2800	1600	1800		300
Яскравість, А/см2•стер•кВ	1•104	-2•104	1•105	1•107		2•107
Розходження електронів за енергією, еВ	0,7-2,4	2	1	0,35-0,7		0,3-0,7
Радіус вістря катода, мкм	60	0,1•1,0	5-10	1,0-0,4		<0,1
Струм емісії 3 катода, мкА	200	10	20	200		5
Дрейф струму емісії	1%/год	2%/год	3%/год	6%/год		5%/15хв
Термін роботи катода, год	100 (J =0,ЗА/см2)	20 (J = 3 А/см2)	10000 (J =5 А/см2)	>2000		>2000
Робочий вакуум, мм рт.ст	10'5	10-5	10-6	<1•10-8		<1•10-10
Технічне обслуговування	Не потрібне	Не потрібне	Не потрібне	Декілька разів потрібне нарощування нового вістря		Кожні декілька годин необхідне очищення вістря катода шляхом спалаху
Вартість / простота у користуванні	Низька/ проста	Низька/ проста	Низька/ проста	Висока/ проста		Висока/ складна

На рисунку 7 зображена принципова конструкція електронної гармати з термопольовою емісією, яка оснащена електромагнітною лінзою, а на рисунку 8 показана зона емісії такої гармати для низьковольтного РЕМ.

Рисунок 7 - Принципова конструкція електронної гармати з термопольовою емісією: 1 - катод; 2 - супресор; З - екстрактор; 4 - магнітопровід лінзи; 5 - котушка; б - діафрагма; 7 - пучок злектронів

При роботі з вимкненою магнітною лінзою гармати з польовою емісією не створюють кросовера, як це має місце при термоелектронній емісії. При розрахунку таких гармат ураховують так зване віртуальне джерело діаметром d_e, місце розташування якого знаходиться на умовному продовженні траєкторії пучка електронів, що виходять з гармати (рис. 8).

Рисунок 8 - Зона емісії термопольоеої гармати для РЕМ з прискорюючою напругою 0.2 - 15 кВ з вимкненою магнітною лінзою гармати (d_e - віртуальне джерело електронів)

Магнітна лінза служить для зміни апертурного кута ао пучка, що виходить з гармати, і впливає на остаточний розмір віртуального джерела за рахунок аберацій лінзи. Зображення віртуального джерела з малими абераціями може бути отримано, якщо магнітна лінза короткофокусна. У такому випадку абераціями магнітної лінзи з боку джерела електронів можна знехтувати. Оптимальний той випадок, коли віртуальне джерело розташоване у фокусі магнітної лінзи. Такий режим роботи лінзи називається телескопічним, і в цьому випадку з лінзи виходить паралельний пучок електронів (рис. 9).

Телескопічний режим роботи особливо важливий під час роботи приладу зі зниженими прискорюючими напругами, наприклад, 1 кВ, коли істотно збільшуються аберації лінзи.

Рисунок 9 - Утворення телескопічного режиму роботи магнітної лінзи: f - фокуісна відстань магнітної лінзи; d_{в еф} - ефективніш діаметр віртуального джерела електронів (з урахуванням аберацііі магнітної лінзи)

Створення телескопічного режиму вимагає значного збільшення кількості робочих ампер-витків магнітної лінзи, що призводить до зниження сферичної і хроматичної аберацій лінзи і, як наслідок, до незначного збільшення ефективного діаметра віртуального джерела електронів d_{в еф} .

Приклад 1. Визначити діаметр віртуального джерела гармати з термопольовою емісією (SE) для двох прискорюючих напруг Uo= 30 і 1 кВ.

Розв'язання. Діаметр віртуального джерела електронів у гарматі з польовою емісією визначається за такою формулою:

(7)

де r - радіус вістря катода, мкм (можна взяти r = 1 мкм);

m - кутове збільшення траєкторії електронів, що вийшли з катода (для джерел SE m = 0,22, для CFE m = 0,42);

U_t = к•Т = 8,61•10^-5 Т - еквівалент напруги середньої енергії поперечної емісії;

Uo - напруга екстракції емітера, В.

1 Прискорююча напруга Uo = 30 кВ. У цьому випадку прискорююча напруга дорівнює напрузі екстракції емітера. При Т= 1800К:

2 Прискорююча напруга Uo= 1 кВ.

Оскільки емітер знаходиться під потенціалом -1 кВ (відносно анода), а екстрактор (рис. 9.10) під напругою +4 кВ, то в такому випадку напруга екстракції емітера Uo = 5 кВ.

Рисунок .10 - Розподіл потенціалів у гарматі з термопольовою емісією (SE) при роботі у низьковольтному режимі

Тоді