2. Технологическое применение электронных пучков

2.1. Получение и транспортировка электронных пучков

В современных технологиях широкое распространение получили электронные и ионные пучки, лазерное излучение, плазменная обработка материалов. Подобные виды воздействий представляют собой эффективный инструмент, обладающий существенными преимуществами перед традиционными методами обработки материалов. Эти воздействия лежат в основе новых высокоэффективных технологий и широко используются в атомной промышленности, микроэлектронике, аэрокосмической промышленности, строительстве и других технологически развитых областях. Более того, они начали использоваться и в небольших ремонтных мастерских, в рекламной деятельности, все глубже проникают в быт.

Для выхода электрона из твердого тела (обычно для этой цели используют металлы) необходимо израсходовать определенную порцию энергии. Это связано с тем, что на границе твердое тело-вакуум существует потенциальный барьер, который препятствует выходу электронов из твердого тела.

Возникновение этого барьера связано с несколькими факторами. Во-первых, электрон, покидающий металл, наводит в нем положительный заряд, между поверхностью металла и электроном возникает сила притяжения (так называемая сила зеркального изображения). Во-вторых, на границе металл-вакуум существует двойной электрический слой, возникающий вследствие того, что при тепловом движении электроны могут пересекать поверхность металла и удаляться от нее на небольшое расстояние. Между образовавшимся электронным облаком и положительно заряженной поверхностью и возникает двойной электрический слой, электрическое поле в котором препятствует электронам покидать металл. Существуют и другие причины возникновения потенциального барьера. Для преодоления граничного потенциального барьера требуется выполнить определенную работу, которая называется работой выхода. Выход электронов во внешнее пространство называется электронной эмиссией. Ниже представлены значения работы выхода для некоторых металлов.

Таблица 2.1. – Работа выхода электронов из металлов

Металл	Fe	Ni	Mo	Ta	W	C	Al
Работа выхода (эВ)	4,25	4,6	4,3	4,1	4,52	4,5	4,25

Для объяснения эмиссионных свойств металлов обычно используется зонная теория. Суть ее состоит в том, что при сближении атомов, обладающих в изолированном состоянии определенной структурой энергетических уровней, на которых могут находиться электроны атома, вследствие межатомного взаимодействия происходит расщепление отдельных уровней и формирование энергетических зон с большим числом уровней.

У металлов отдельные уровни оказываются разделенными чрезвычайно малыми энергетическими промежутками (~ эВ), вследствие чего дискретные уровни формируют квазинепрерывную зону. Такие зоны отделены друг от друга широкими полосами, энергия которых не отвечает ни одному из стационарных состояний атома. Эти полосы носят название зон запрещенных энергий или просто запрещенных зон.

Заполнение разрешенных зон начинается с самой глубокой (как и в изолированном атоме), а наивысшая зона, полностью заполненная при Т = 0 К, называется валентной. Следующая зона, на которой могут находиться электроны, является зоной проводимости. У диэлектриков и полупроводников она является свободной, а у металлов она частично заполнена. Если к металлу приложить электрическое поле, то электроны, набирая энергию в этом поле, поднимаются по квазинепрерывным энергетическим уровням в пределах зоны проводимости, т.е. по металлу будет протекать электрический ток.

Выход электронов во внешнее пространство, т.е. электронная эмиссия, будет происходить, если электроны каким-либо способом приобретут энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Сообщить электронам энергию, достаточную для их эмиссии, можно нагревая вещество до температур выше 1000 К, подвергая его воздействию коротковолнового излучения (ультрафиолета, рентгеновского излучения), создав на границе твердое тело-вакуум высокое напряжение (напряженностью ) и другими способами. Соответственно различают термоэлектронную эмиссию, фотоэлектронную эмиссию, автоэлектронную (полевую) эмиссию и др. Достаточно просто осуществить термоэлектронную эмиссию, которая обычно и используется для технологических целей. Остановимся на ней более подробно.

Для эффективной термоэлектронной эмиссии из чистых металлов их нагревают до температур выше 1000 К. Источником энергии, необходимой для преодоления потенциального барьера, в этом случае являются тепловые колебания кристаллической решетки. Плотность тока термоэлектронной эмиссии можно определить по формуле Ричардсона-Дэшмана:

, (2.1)

где Т – температура тела, – работа выхода, , k – константы.

В зависимости от технологических целей в качестве эмиттеров используют различные материалы. Если необходима высокая стабильность эмиссионного тока, устойчивость к ионной бомбардировке и воздействию агрессивных сред, то в этом случае используются чисто металлические эмиттеры электронов. Термокатоды из тугоплавких материалов (вольфрам, тантал и др.) нагревают до 2000-2800 К, при этом термоэмиссионный ток составляет несколько сот миллиампер на квадратный сантиметр.

Для увеличения плотности эмиссионного тока в качестве материала для термокатодов используют сплавы тугоплавких (вольфрам, тантал, рений, иридий) и относительно легкоплавких (церий, лантан, цирконий и др.) металлов. В этом случае механическая прочность обеспечивается тугоплавким компонентом, а легкоплавкий, образуя тонкую пленку на поверхности эмиттера, повышает величину тока эмиссии благодаря меньшей работе выхода по сравнению с тугоплавким металлом.

Понижение температуры нагрева и увеличение эффективности работы достигается применением оксидных термокатодов на основе окислов металлов. Для их изготовления металлическая подложка (W, Ta, Ni) покрывается слоем толщиной около 0,05 мм полупроводниковой смеси (BaO, SrO).

Для работы в относительно плохих вакуумных условиях (около 0,1 Па) используются термокатоды из тугоплавких боридов, щелочно- и редкоземельных металлов (например, гексаборид лантана ).

Для технологических целей обычно требуются электронные пучки, ускоренные внешним электрическим полем до больших энергий (100-200 КэВ) и имеющие достаточно большую плотность. Для предотвращения расплывания интенсивных потоков одноименно заряженных частиц (вследствие электростатического отталкивания частиц) применяются различные методы фокусировки: магнитные, электростатические или газовые. Принципы, положенные в основу фокусировки заряженных частиц, одинаковы и для электронных, и для ионных пучков. Рассмотрим их более подробно.

Магнитная фокусировка. Траектории заряженных частиц пучка в продольном магнитном поле в предположении, что взаимодействие между частицами отсутствует, представляют собой спирали, навитые на магнитные силовые линии, и поток частиц будет сохранять неизменными свои поперечные размеры. Но даже в отсутствие столкновений между частицами, наличие объемного заряда существенным образом меняет траекторию движения частиц, что приведет к увеличению сечения пучка. Соответствующий расчет показывает, что для сохранения первоначального поперечного размера пучка требуется бесконечно большое однородное магнитное поле. Таким образом, наложение продольного магнитного поля на поток заряженных частиц приводит лишь к уменьшению его поперечного расплывания.

Для увеличения фокусирующей способности магнитного поля используются магнитные линзы различной конструкции. Короткий соленоид, осесимметричный с пучком, представляет собой наиболее простую магнитную линзу. Чем он короче, тем короче будет фокусное расстояние. Для уменьшения фокусного расстояния соленоид помещают в толстостенный железный экран. Магнитные линзы с такой конфигурацией магнитного поля обладают «мягкой» фокусирующей способностью.

Более «жесткую» фокусировку имеют многополюсные магнитные линзы, создающие поля поперек движения пучка. Например, квадрупольная линза имеет четыре полюсных наконечника, расположенных осесимметрично через в плоскости, перпендикулярной движению пучка. Соседние полюсные наконечники имеют противоположные полярности, а противоположные – одинаковые полярности. Полюсные наконечники могут изготавливаться как постоянные магниты из магнитожестких материалов (сплавы альнико, самарий-кобальт) или как электромагниты. При прохождении квадрупольной линзы поток частиц фокусируется лишь в одной плоскости и дефокусируется в перпендикулярной плоскости. Поэтому для фокусировки пучка в обеих плоскостях необходимо использовать две квадрупольные линзы, повернутые относительно друг друга на . Для устранения астигматизма и других искажений, возникающих при фокусировке пучка, используются более сложные системы: из двух или более пар квадрупольных линз, три квадрупольные линзы, повернутые относительно друг друга на и т.п.

Электростатическая фокусировка. Движение электронов в электрических полях имеет определенную аналогию с распространением света в оптических системах (правда, далеко не полную: например, фотоны, в отличие от электронов, не испытывают взаимного отталкивания). Если заряженная частица движется в пространстве с потенциалом U, то играет роль электроннооптического показателя преломления. Следовательно, изменяя U в широких пределах, можно изменять траекторию движения заряженных частиц. При конструировании оптических систем обычно требуется найти конфигурацию электродов, обеспечивающих движение заряженных частиц по заданным траекториям. Однако решить эту математическую задачу можно только в самых простых случаях, поэтому используется метод последовательных приближений: вначале определяются траектории заряженных частиц для электродов заданной формы и фиксированных потенциалов на них. Если полученные траектории не совпадают с требуемыми, то изменяют форму или потенциалы электродов, пока траектории частиц не будут совпадать с требуемыми.

Газовая фокусировка. Физическая сущность газовой фокусировки состоит в следующем. При движении заряженных частиц в газе при достаточно низком давлении, не разрушающем пучок, происходит столкновение частиц с атомами и ионизация последних. При этом в зоне распространения быстрого пучка заряженных частиц появляются медленные заряженные частицы обоих знаков. Детальное исследование динамики медленных заряженных частиц показывает, что та часть из них, которая имеет знак заряда, одноименный с быстрым пучком, интенсивно выталкивается из зоны распространения пучка на стенки. В результате этого процесса происходит частичная компенсация объемного заряда пучка и сильное уменьшение его расплывания.