1) . Устройство источников электронов

Для того чтобы вытягивать электроны из катода, ускорять их и получать требуемую конфигурацию пучка, необходима си­стема соответствующим образом спроектированных электродов. Эта система электродов должна создавать нужное распределе­ние электрических полей на поверхности катода и вдоль пути ускорения электронов. Часто именно ее и называют источником электронов.

Обобщенная модель трехэлектродного источника по­казана на рис.3.13. Электроны эмиттируются из небольшой об­ласти нити накала, прилегающей к оси. В непосредственной бли­зости от области эмиссии траектории электронов сильно искрив­лены, однако вскоре они спрямляются. Если экстраполировать траектории в противоположном направлении, то их пересечения будут соответствовать поверхности виртуального катода, кото­рый в общем случае не совпадает с реальным профилем эмиттирующей области нити накала. При проектировании трехэлек­тродного источника стараются обеспечить малые размеры именно виртуального катода.

Сеточный электрод Венельта и анод собирают ускоренные электроны в кроссовер или фокус внутри области, где существует электрическое поле, создаваемое электродами. Размер кроссовера определяется сферической аберрацией фокусирующей системы и размером виртуального катода. Обычно кроссовер имеет диаметр 10—50 мкм.

Количественно радиус виртуального катода определяется формулой:

(3.43)

где eV_k —кинетическая энергия электронов вблизи катода,r_h—радиус катода, V_ω—потенциал на оси в месте расположения цилиндра Венельта. Для вольфрамовой нити накала eV_k =0,25 эВ, а радиус виртуального катода:

(3.44)

Таким образом, радиус кроссовера можно записать в виде:

(3.45)

Здесь V_A—потенциал анода; bz_A,z_ω—координаты положения, смысл которых ясен из рис.3.13.

Рис.3.13. Модель Лауэра трехэлектродного источника.

Длиннофокусный источник (рис.3.14,а) проектируется та­ким образом, чтобы обеспечить фокусировку пучка на сравни­тельно большом расстоянии от анода. Такой эффект реализу­ется, если электрод Венельта имеет трубчатую форму и на него подано отрицательное напряжение смещения. В этом слу­чае силовые линии электрического поля катода расходятся, по­этому эмиттируемые электроны приобретают направленную от оси радиальную скорость. В промежутке между электродом и анодом эквипотенциали сначала становятся плоскими, а затем вытягиваются по направлению к аноду. В результате появля­ется направленная к оси радиальная составляющая скорости электрона, которая из-за более высокой энергии частиц имеет меньшую величину по сравнению с направленной от оси началь­ной радиальной составляющей скорости.

Благодаря этому пучок сходится довольно медленно и имеет большое фокусное расстоя­ние. Увеличение напряжения смещения приводит к росту фокус­ного расстояния за счет возрастания кривизны траекторий в прикатодной области и соответственно начальной расходимо­сти пучка, однако вызывает уменьшение тока пучка. Размер фо­кального пятна далее ограничивается током пучка, поскольку силы пространственного заряда действуют на увеличенной длине пути электронов.

В изображенном на рис.3.14,б градиентном источнике реа­лизовано послеускорение. Основным преимуществом такого ис­точника является то, что ток пучка не зависит от конечной энер­гии частиц V₅, потому что величина тока регулируется потен­циалом V₁ первой сетки. В результате появляется возможность варьирования полной мощностью пучка в широких пределах при очень малом изменении размеров фокального пятна. С дру­гой стороны, для этого требуются относительно большие на­пряжения. Для максимального использования преимущества такого источника необходимо, чтобы конечный потенциал V₅ был много больше V₁, который в свою очередь должен быть достаточно высоким для обеспечения нужной величины эмиссии с катода.

Вероятно, наибольшего прогресса в проектировании источни­ков электронов с большими значениями пространственного за­ряда достиг Пирс. Он разработал теорию и методику рас­чета, в соответствии с которой в последние десятилетия были созданы все источники с высокими плотностями тока. Для по­лучения ламинарных потоков частиц он предложил создать вблизи пучка такую конфигурацию электрического поля, кото­рая характерна для идеального диода. Пирс показал, что дей­ствие пространственного заряда внутри пучка электронов с ог­раниченными размерами может быть скомпенсировано специ­альным формирующим электродом, который создает вне пучка электрическое поле, удовлетворяющее необходимым условиям на границе пучка. Если эти граничные условия удовлетворя­ются, источник может рассчитываться так же, как и в случае потоков с пространственным зарядом, ограниченным в про­странстве между катодом и анодом идеального диода плоской, сферической или цилиндрической конфигурации (рис.3.14, в).

а— длиннофокусный источник; б — градиентный источник; в — поперечное сечение модифицированного тороидального источника Пирса.

Рис.3.14. Примеры схем источников электронов.

Плотность вытягиваемого тока в режиме эмиссии, ограни­ченной пространственным зарядом, при использовании плоскопараллельных электродов в диоде с межэлектродным расстоя­нием d и разностью потенциалов V, определяется законом Чайлда:

(3.46)

где V — в вольтах,

d — в сантиметрах.

Источник электронов Пирса рассчитывается так, чтобы обес­печить однородную плотность тока по поперечному сечению пучка. Для собирающих источников диаметр пучка становится минимальным на значительном расстоянии от анода, а за­тем пучок равномерно расходится. Основным достоинством ис­точника Пирса, кроме простоты расчета, является его высокая эффективность. Если предпринимаются разумные меры, она мо­жет достигнуть 99,9 % или более (т. е. менее 0,1 % катодного тока будет оседать на электродах источника).