Параметры электронных пучков

На рисунке изображена схема источника электронов, пред-

установках. Электроны вытягиваются из катода, если на

Кроссо́вер (англ. crossover, сокр. х-over , буквальнопереходное или согласующее устройство, пограничное или переходное явление, пересечение и т. п.) - собирательное название, относящееся к различным понятиям и предметам:

Кроссовер - точка минимального сечения электронного пучка в электронной пушке,электронном микроскопе.

сти катода, а радиусом кроссовера r c , который может быть

На рисунке приведена схема источника и траектории элек-

Для определения радиуса кроссовера r c пучка электронов, эмитированных с катода с начальной скоростью vo (соответствующей энергии eVo) используется соотношение:

Получаем

Из этого равенства видно, что в первом приближении радиус кроссовера не зависит от площади эмитирующей поверхности катода и определяется только отношением начальной энергии электронов eVo к энергии электронов в области кроссовера eV.

Это выражение было получено в предположении, что все эмитируемые катодом электроны имеют одну и ту же начальную энергию eVo, в результате чего кроссовер обладает четко

Магнитные линзы

в которой с помощью кольцевого магнита создается аксиально-симметричное магнитное поле. Различают два типа магнитных линз – длинные и короткие.

Примером диной магнитной линзы является длинный соленоид. На электрон в магнитном поле действует сила Лоренца, направление действия ее перпендикулярно как направлению скорости электрона, так и вектору напряженности магнитного поля. Благодаря этому движение электрона внутри длинного соленоида происходит по спирали, описывая в плоскости, проходящей через ось Z синусоиду (рисунок).

Где ω = 2π/T= eH/2m.

Если скорости электронов, попадающих в соленоид, близки, то продольное равномерное магнитное поле фокусирует поток электронов в точках, соответствующих равенству

Z= n T v o /2 = n2πmv o /eH,

Где v o – скорость электронов, входящих в соленоид; n – ряд простых целых чисел.

Основные особенности фокусировки в длинной магнитной линзе:

1. Фокусировка получаетсч не в одной, а в нескольких равноотстоящих друг от друга точках.

2. Пучок электронов, движущихся параллельно оси не фокусируется, т.е. диаметр этого пучка не может быть уменьшен.

Длинные магнитные линзы (соленоид с равномерным полем) на практике применяются для переноса изображения.

Гораздо более широкое применение нашли тонкие магнитные линзы. Фокусирующее действие тонкой магнитной линзы является более сложным из-за неоднородности магнитного поля, в котором можно выделить тангенциальную и радиальную составляющие. Для построения траектории электрона в этом случае необходимо знать величину начальной скорости электрона и распределение напряженности магнитного поля вдоль оси катушки.

При получении изображения при помощи тонких (коротких) магнитных линз происходит поворот изображения относительного объекта. Фокусирующее действие магнитной линзы тем больше, чем больше напряженность магнитного поля и уже область, в которой оно сосредоточено. Поэтому на практике магнитные линзы оформляются в виде катушек с панцирем (рисунок).

Короткая магнитная линза позволяет получать увеличенные или уменьшенные изображения. Т.е. пригодна для использования в электронном микроскопе. Короткая линза фокусирует и параллельный оси поток электронов.

Напряженность поля на оси короткой магнитной линзы может быть найдена из выражения:

R – средний радиус катушки; J- сила протекающего тока; Z – расстояние по оси катушки

Магнитные линзы могут быть только фокусирующими. Так как магнитное поле действует только на движущиеся электроны, то магнитная линза должна находится в электрическом поле V. Фокусное расстояние тонкой магнитной линзы определяется выражением

Здесь Rm – средний радиус катушки магнита, n – число витков в катушке, i – ток через катушку.

В магнитной линзе происходит поворот изображения на угол ∆ф

∆ф= [ град.].

кие линзы называют продольными системами. В этих системах пучки электронов фокусируются малыми по сравнению с продольными поперечыми составляющими поля. Более эффективными оказываются поперечные системы, в которых силовые линии поля направлены поперек пучка. Поперечные электронно-оптические системы в последнее время стали широко использоваться, особенно для фокусировки частиц (сильная фокусировка)

тронно-оптические системы в последнее время стали широко использоваться, особенно для фокусировки частиц (сильная фокусировка).

Поперечные фокусирующие поля обычно создаются четыремя электродами либо четыремя магнитными катушками, расположенными вокруг оси системы. При этом находящиеся диаметрально противоположно электроды или магниты имеют одинаковую полярность, а соседние элементы – противоположную (см. рисунок) Такие четырехполюсные системы, имеющие по по две плоскости симметрии, называются квадрупольными линзами. Отличительной особенностью квадрупольных линз является то, что продольная составляющая поля в них отсутствует. Рассмотрим в качестве примера квадрупольную электростатическую линзу. Образованную че-

Уравнения 2.146 получены из 2.145 дифференцированием по Х или Y, отсюда и знаки.

Отклонение пучка заряженных частиц происходит в электрическом и магнитном полях. Причем в магнитном поле заряженная частица обязательно должна двигаться с конечной скоростью.

Отклонение круглого пучка частиц системой из двух электродов показано на рисунке 2.41. Простейшая система отклонения или развертки пучка предствляет собой набор электростатических отклоняющих пластин. Отклонение в электростатическом поле не зависит от величины отношения е/m и поэтому может использоваться как для электронов, так и для ионов.

В магнитных отклоняющих системах, где отклонение пропорционально скорости частиц (и, следовательно, отношению е/m), для отклонения ионов требуется очень сильное магнитное поле.

Угол отклонения можно получить в следующем виде

tgθ=(l /Vo)*(Vd/2*d)

Это обычное уравнение электростатического отклонения заряженных частиц (в данном случае электронов), проходящих между идеальными пластинами. Вместо l надо z

Здесь Vo - средний потенциал, подаваемый на пластины, Vd – сигнальный потенциал. Потенциал верхней пластины Vo + Vd/2, потенциал нижней пластины - Vo - Vd/2

В случае магнитного отклонения используются однородные взаимно перпендикулярные магнитные поля, создаваемые двумя парами обтекаемых током отклоняющих катушек.
Горизонтально расположенные катушки соединяются последовательно и по ним проходит ток, создающий магнитное поле c напряженностью Вl , под действием которого пучок будет перемещаться в вертикальной плоскости. Вертикально расположенные катушки также соединяются последовательно, и своим магнитным полем будут вызывать перемещение пучка по горизонтали.
Рассмотрим подробнее отклонение пучка магнитным полем. Будем считать, что магнитное поле, созданное парой катушек, однородно и имеет индукцию В . Ширина поля, пересекаемая электронным пучком, равна l .

Электроны, входя в поперечное магнитное поле, движутся по дуге окружности. Пройдя по дуге, пучок выходит из зоны магнитного поля под углом a к оси Z , а затем движется по прямой линии до экрана.

Центральной частью любого спектрометра является энергоанализатор – устройство, позволяющее измерять число электронов, обладающих энергиями, лежащими в заданном интервале. В энергоанализаторах используются физические принципы, связанные с отклонением заряженных частиц в электростатическом или магнитном поле.

Наибольшее распространение в электронных спектрометрах получил энергоанализатор типа цилиндрическое зеркало Анализатор этого типа состоит из двух коаксиальных полых металлических цилиндров (рис. 6.4.). Во внутреннем цилиндре A имеются узкие прорези S 1 и S 2 для прохождения входящих и выходящих электронов соответственно. К внешнему цилиндру B прикладывается отрицательный по отношению к внутреннему цилиндру потенциал V ab . В пространстве между цилиндрами электростатическое поле изменяется обратно пропорционально радиусу r :

здесь r a и r b – соответственно радиусы внутреннего и внешнего цилиндров.

Электроны, влетевшие в энергоанализатор от источника О с некоторой скоростью v 0 под углом влета θ , в результате отклонения от первоначальной траектории под действием электрического поля, будут двигаться по криволинейной траектории и сфокусируются на выходе в точке О 1 , в которой располагается коллектор электронов, например, электронный умножитель.

Наилучшая фокусировка электронного пучка в цилиндрическом зеркале достигается при угле влета электронов θ = 42° 18,5". В этом случае расстояние между точками О и О 1 , т.е. между образцом и детектором электронов L 0 = 6,12r a . Максимальное удаление электронов от оси анализатора r max =0,3L 0 .

В случае бесконечно узких входной и выходной щелей через энергоанализатор проходят лишь электроны со строго определенной энергией Е 0 . При конечной ширине щелей S 1 и S 2 Анализатор цилиндрическое зеркало будет пропускать электроны с с энергетическим разбросом δЕ . Две группы электронов равной интенсивности с некоторой средней энергией Е считаются разрешенными, если при их наложении результирующая кривая имеет минимум.

Уменьшить δЕ min можно уменьшением ширины щелей, однако при этом уменьшается чувствительность прибора, так как уменьшается доля электронов, достигающих детектора электронов. Улучшить разрешающую способность анализатора без ухудшения его параметров можно уменьшением энергии электронов Е , влетающих в анализатор. С этой целью перед входной щелью анализатора ставят замедляющие электроны сетки или систему электронных линз.

Промышленные анализаторы, достаточно хорошим разрешением, конструируют на базе двухпролетного АЦЗ, согласованным со сферическими сетками, осуществляющими предварительное торможение электронов (рис. 6.5). Двухпролетный анализатор, как это видно из рисунка, представляет собой два последовательных обычных АЦЗ. Для измерений с угловым разрешением может используется вращающаяся диафрагма, расположенная на входе электронов во второй каскад анализатора.

Наибольшее разрешение, сравнимым с АЦЗ, обладает концентрический полусферический анализатор (ПСА ). Анализатор этого типа состоит из двух сферических секторов с радиусами кривизны r a и r b (рис. 6.6). Электроны в этом случае движутся в поле сферического конденсатора:

где V ab – разность потенциалов между внешней и внутренней сферами.

В режиме фокусировки источник, находящийся в точке О и его изображение, которое расположено в точке О 1 , лежат на одной линии, проходящей через центр сфер .

Рассмотренные выше энергоанализаторы позволяют регистрировать электроны, обладающие энергиями, лежащими в заданном «окне». В энергоанализаторах этого типа электроны пропускаются через диспергирующее электростатическое поле и их отклонение от первоначальной траектории является функцией электрического поля, приложенного к электродам анализатора. Анализаторы, работающие на этом принципе называются дисперсионными . В электронной спектроскопии широкое применение находит также энергоанализатор с задерживающим полем (АЗП ) В этом энергоанализаторе используется тормозящее электростатическое поле, которое пропускает на коллектор только те электроны, кинетическая энергия которых превышает энергию задерживающего электрического поля.

Упругое рассеяние

При упругом рассеянии изменяется направление вектора скорости электрона, а ее величина и, следовательно, величина кинетической энергии фактически остается постоянной. Образцу при каждом акте упругого рассеяния передается энергия порядка 1 эВ, что пренебрежимо мало по сравнению с первоначальной энергией электронов в пучке (>1 кэВ). Характерная энергия электронов в пучке составляет 1…50 кэВ. Угол отклонения от направления падения может принимать значения в переделах от 0° вплоть до 180°, но его наиболее вероятное значение составляет по порядку величины единицы градусов. Упругое рассеяние происходит в результате столкновений электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами. В результате упругих взаимодействий электрон может покинуть образец. Такой электрон называется отражённым. Экспериментально установлено, что доля отраженных электронов может достигать 30% от начального количества электронов пучка. Электроны пучка, которые вылетают с поверхности образца в качестве отражённых электронов, имеют меньшую энергию, чем до взаимодействия, так как проходят некоторое расстояние внутри твёрдого тела и они теряют энергию. Коэффициент отражения электронов прямо пропорционален атомному номеру материала мишени.

Угловое распределение упругорассеянных электронов можно рассчитать, используя резерфордовскую модель рассеяния с уче­том экранировки атома электронным облаком. Тогда плотность вероятности на расстоянии z от поверхности определяется соотношением

Здесь Н 0 =1 – вероятность нахождения электрона на поверхности образца, r 0 – радиус зондирующего пучка электронов, r – расстояние от оси пучка падающих электронов, z – глубина проникновения электронов, измеряемая вдоль оси пучка.

Из приведенной формулы следует, что при распространении пучка электронов в пленке он уширяется, что показано на рисунке.

Неупругое рассеяние

При неупругих взаи-модействиях траектория элек-трона изменяется мало, при этом происходит передача энергии твёрдому телу. Неупругие взаимодействия происходят, в основном, между электронами пучка и электронами образца. Благодаря неупругим взаимо-действиям возникают:

§ вторичные электроны

§ непрерывное рентгеновское излучение

§ характеристическое рентгеновское излучение

§ оже-электроны

§ колебания решётки (фононы)

§ электронные колебания (плазмоны)

§ электронно-дырочные пары

§ Катодолюминесценция

Рассмотрим эти явления подробнее:

Взаимодействие электрона пучка с твёрдым телом может привести к высвобождению слабо связанных электронов т.н. медленных вторичных электронов. Вторичными принято называть электроны, обладающие энергией до 50 эВ. Этот порог задан условно для того, чтобы различать вторичные и отражённые электроны. Большая часть вторичных электронов имеет энергию 3…5 эВ.

Чтобы вылететь из твердого тела, вторичные электроны должны преодолеть поверхностный потенциальный барьер. Поэтому только вторичные электроны, находящиеся в тонком приповерхностном слое (5…50 нм), могут покинуть образец. Следовательно, плотность и направление вторичных электронов зависит от рельефа поверхности.

Большой класс экспериментальных методов основан на регистрации сигналов, возникающих в процессе облучения исследуемого объекта электронным пучком.

Для корректной интерпретации получаемых данных необходимо понимание процессов взаимодействия электронов с исследуемыми объектами.

Электрон с высокой энергией претерпевает торможение в кулоновском поле атома. Потеря энергии электрона при таком торможении преобразуется в квант рентгеновского излучения, которое называется тормозным рентгеновским излучением. Так как энергетические потери электрона в процессе этого торможения могут принимать любые значения, то тормозное рентгеновское излучение образует непрерывный спектр с энергией от нуля до энергии электронов пучка.

Электрон, обладающий достаточно высокой энергией, при взаимодействии с атомом может вызвать освобождение сильно связанного электрона с внутренних оболочек, в результате чего атом оказывается ионизованным в высокоэнергетическом состоянии. Последующая релаксация этого возбуждённого состояния приводит к эмиссии характеристического рентгеновского излучения. На этом явлении основан рентгеноструктурноый анализ.

Образовавшийся квант излучения может провзаимодействовать с электроном внешней оболочки, не покинув атома (внутреннее преобразование). При этом другой электрон с внешней оболочки покидает атом. Такие электроны называются оже-электронами. Энергия таких оже-электронов составляет по порядку величины 100эВ-1кэВ. Эти электроны используется в оже- спектроскопии.

При бомбардировке электронным пучком диэлектрика или полупроводника электрон валентной зоны может быть переброшен в зону проводимости. Таким образом, образуется электронно­дырочная пара, которая может рекомбинировать. При этом энергия, будет излучена в виде кванта света. Это явление называется катодолюминесценцией. Генерируемые кванты света будут лежать в ультрафиолетовом, видимом или инфракрасном диапазоне в зависимости от ширины запрещенной зоны.

Значительная доля энергии, приносимой на образец электронным пучком, передаётся твёрдому телу в виде возбуждения колебаний решётки – фононов - нагрева образца (область с на рисунке).

Если коэффициент теплопроводности образца достаточно высокий, то образец нагревается незначительно - не более 10°С. В материалах с низкой теплопроводностью (или в тонких пленках на диэлектрических подложках) при высоких токах пучка (1 мкА) вследствие нагрева может происходить модификация микрообъёма образца (отжиг, изменение фазы, разрушение и т.д.). Нагрев в таких случаях может достигать от единиц до тысяч градусов. Однако при типовых режимах работы (токах зонда ~ 10 нА) изменение или разрушение исследуемого образца не наблюдается.

Потери энергии в тонких и толстых мишенях, обусловлен­ные неупругим рассеянием, реализуются как дискретные события, сопровождающиеся рождением вторичных электронов низких энергий (до 50 эВ).

В случае неупругого рассеяния угол рассеяния зависит от потери энергии падающего электрона.

В тонких пленках толщиной в несколько сотен нанометров падающий электрон претерпевает много столкновений, и накапливающееся в результате отклонение можно найти статистически, используя уравнение Больцмана.

Энергетический спектр вторичных электронов

Если энергия электронов достаточна для преодоления ими поверхностного потенциального барьера, то они покидают твердое тело и регистрируются как вторичные электроны. Вторичные электроны обладают энергиями от нуля до энергии первичных электронов.

Энергетическое распределение вторичных электронов имеет сложный характер и отражает разнообразные, сложные и часто связанные между собой процессы взаимодействия первичных электронов с твердым телом.

Энергетические спектры и угловое распределение вторичных электронов содержит достаточно полную информацию об основных микроскопических характеристиках, в основном поверхности и приповерхностного слоя твердого тела, - составе, структуре, электронном строении.

Реальный энергетиче­ский спектр, полученный экспериментально, зависит от условий эксперимента и может существенно отличаться по форме от изо­браженного на рисунке.

Схематически вид кривой распределения вторичных электронов по энергии представлен на Рисунке. Как показывают экспериментальные результаты, вид спектра вторичных электронов практически не меняется при изменении энергии первичных электронов. При энергии первичных электронов в интервале 100 эВ … 1000 эВ значительная доля в спектре приходится на медленные электроны (область а на рисунке) – эти электроны называют истинно вторичными электронами , так как эту группу составляют, в основном, электроны, выбитые из твердого тела пучком первичных электронов. Предполагается, что они возникают в результате каскадных процессов потери энергии первичными электронами.

Максимум спектра истинно вторичных электронов лежит в области 1 … 10 эВ, причем наблюдается периодическая зависимость положения этого максимума от атомного номера вещества твердого тела. При достаточно больших значениях энергии первичных электронов положение максимум не зависит от Ер, однако, при Ер<20 эВ он сдвигается в сторону меньших энергий. Если энергия первичных электронов не превышает работу выхода электронов, то спектр вторичных электронов состоит в основном из упруго отраженных электронов.

Область b на рисунке относится к не упруго отраженным электронам, число которых существенно не изменяется в зависимости от энергии.

В металлах и полупроводниках большая часть энергии, те­ряющейся в диапазоне b (из-за возбуждения электронов и иони­зационных потерь), передается электронам проводимости или валентным электронам путем индивидуального или коллектив­ного возбуждения.

При энергии, близкой к энергии первичных электронов Ер (область с), наблюдается узкий пик, соответствующий упруго отраженным электронам. Рисунок. Этот пик связан с электронами, отраженными от поверхности твердого тела без потерь энергии или с очень малыми потерями энергии.

Кроме двух достаточно больших по интенсивности пиков истинно вторичных и упруго отраженных электронов(области а и с), в спектре вторичных электронов в области b на бесструктурном фоне наблюдаются слабо выраженные максимумы. Положения некоторых из них (максимумы 1 на рисунке) не зависят от энергии первичных электронов

Эти пики соответствуют величине энергии, необходимой для иони­зации атомов, и поэтому соответствующие потери энергии зави­сят от атомного номера. В этих процессах первичным или вто­ричным электроном на внутренней оболочке создается дырка, которая затем заполняется либо электроном с соседней обо­лочки атома, либо валентным электроном – так называемый эффект Оже Механизм Оже ха­рактеризуется заполнением дырки одним электроном и эмис­сией второго электрона (оже-электрона)

Суть оже-процесса заключается в том, что на заполненный электронами уровень атома переходит электрон с внешней оболочки, а вся высвобождающаяся энергия передается электрону, находящемуся на другой орбите внешней оболочки. Этот электрон вылетает из образца с характерной энергией и называется оже-электроном. При этом энергия испущенного оже- электрона никак не зависит от энергии падающего электрона и полностью определяется спектром энергетических уровней в твердом теле.

Пики 1 обусловлены выходом с поверхности оже-электронов. Энергия оже-электронов лежит в диапазоне ≈ 50… 500 эВ. Изучение этой группы вторичных электронов лежит в основе метода электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Минимальная площадь анализа ограничена диаметром электронного пятна и составляет величину до 10 нм В случае рентгеновского излучения (рентгеновской флуоресценции) вместо второго электрона испускается фотон.

Максимумы 2 смещаются синхронно с изменением энергии первичных электронов.

Группа максимумов 2, расположенная вблизи пика упруго отраженных электронов, соответствует первичным электронам, испытавшим дискретные потери энергии при взаимодействии с поверхностью.

Энергетические по­тери из-за возбуждения фононов в диапазоне с могут быть разрешены только при помощи наи­более совершенных анализаторов спектра

Электронным лучом (пучком) называют острофокусный поток ускоренных электронов. Поток электронов, эмитированный катодом, ускоряется в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом, а затем фокусируется в пятно малых размеров (диаметр от сотых долей до нескольких миллиметров).

При торможении ускоренных электронов вблизи поверхности металлического тела их кинетическая энергия превращается в тепловую. Чем больше плотность мощности в месте торможения пучка, тем достигается больший локальный разогрев. По концентрации мощности электронный пучок уступает лишь лучу оптического квантового генератора (табл. 2-2).

Открытие термоэлектронной эмиссии, использование магнитных и электростатических аксиально-симметричных полей для фокусировки электронных пучков, развитие вакуумной техники - основные вехи на пути развития электроннолучевой сварки. Промышленное применение электроннолучевой сварки началось в конце 50-х годов нашего столетия.

В зависимости от ускоряющего напряжения и свойств металла электроны могут проникать в вещества на глубину нескольких десятков микрометров. Электрон испытывает многократные столкновения и теряет энергию, причем меняются скорость и направление его движения. Угол вероятного отклонения электрона после соударения возрастает с уменьшением скорости электрона, в результате на конечном участке пути электрон растрачивает основную часть своей энергии. Таким образом, электронный нагрев происходит в самом веществе в отличие от обычных, широко

применяемых в сварке источников 1ейлоты, нагревающих поверхности металла. Наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на глубине пробега электрона.

Сварочная ванна испытывает реактивное воздействие испаряемого металла, теплового и рентгеновского излучения, воздействие потока электронов, а также давление отдачи вторичных и тепловых электронов. Сила давления испаряемого металла составляет основную часть общего силового воздействия на ванну, ее величина может достигать нескольких граммов.

Электронный луч с требуемыми свойствами формируется в электронной пушке. Для фокусировки электронного луча значительной мощности в пятно возможно меньшего сечения сводят к минимуму влияние погрешностей электронной оптики, взаимного отталкивания электронов в пучке, тепловых скоростей электронов, рассеивания электронов на молекулах остаточных и выделяющихся в процессе сварки газов и паров. Добиваются сохранения высокой удельной мощности пучка на большом расстоянии от пушки.

В каждой электроннолучевой пушке указанные условия формирования сварочных электронных пучков обеспечиваются в различной степени в зависимости от предъявляемых к ней требований. В первых пушках для электроннолучевой сварки пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода, без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 2-12, а). Анодом пушки являлось само изделие. Такая одно-каскадная электростатическая система фокусировки не может обеспечить формирования интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью возможно соединение металлов сравнительно небольшой толщины (1-2 мм). Близость прожектора в зоне сварки повышает опасность электрических пробоев. Технологические и электроннооптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой повышаются при введении в конструкцию ускоряющего электрода, имеющего потенциал изделия (рис. 2-12, б). При этом уменьшается возможность электрических пробоев и разрядов, а для питания пушки можно использовать даже невыпрямленное ускоряющее напряжение.

Наиболее широко для формирования сварочных пучков электронов применяется комбинированная электростатическая и электромагнитная фокусировка. В пушках с комбинированной фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода-анода, формирует сходящийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка проектируется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы (рис. 2-12, в).

Сварочные пушки можно разделить по величине ускоряющего напряжения на три основных класса: 1 - низковольтные

2 - с промежуточным ускоряющим

И 3 - высоковольтные (UycK ~

80-^200 кВ). Мощность пучков лежит в пределах 0,3-100 кВт. Пучки электронов, эмитированные термокатодами, формируются в высоком вакууме (10~4-10~5 мм рт. ст.). В газоразрядных пушках и пушках с холодным катодом вакуум составляет 10" х- ю- мм рт. ст.

Основными требованиями к пучку электронов являются достаточно большая плотность энергии в пятне нагрева wn и малый угол сходимости ах пучка на изделии. Эти требования удовлетворяются в большей мере при высокой энергии электронов:

где 1п - ток пучка.

В то же время защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на изделии, усложняется с ростом энергии электронов. Сложнее становятся сама пушка и ее источник питания.

· Электронные пучки. Под электронными пучками понимают направленные потоки электронов, поперечные размеры которых значительно меньше их длины. Электронные пучки впервые были обнаружены в газовомразряде, происходящем при пониженном давлении.

При тлеющем разряде положительными ионами с катода выбивается большое число электронов. Если разряд происходит в трубке при очень больших разрежениях, то средняя длина свободного пробега электронов увеличивается и катодное темное пространство расширяется. Электроны, выбитые с катода положительными ионами, движутся почти без столкновений и образуют катодные лучи. Эти лучираспространяются нормально к поверхности катода. Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок.

· Свойства и применение электронных пучков. Электронные пучки вызывают свечение(флуоресценцию) некоторых веществ. К ним относятся стекло, сульфиды цинка, кадмия и др. Эти вещества называются люминофо-рами. Это свойство электронных пучков применяется в вакуумной электро-нике – свечение экранов телевизоров, осциллографов, электронно-оптических преобразователей и др. Попадая на тела, электронные пучки вызывают их нагревание. Это свойство пользуется для сварки сверхчистых металлов в вакууме.

Электронные пучки отклоняются в электрическом и магнитном полях. Возможность управления электронным пучком с помощью электрического и магнитного поля и свечение экранов, покрытых люминофором под действием электронных пучков, используют в электронно-лучевых трубках.

· Электронно-лучевая трубка. Устройство электронно-лучевой трубки показано на рис. 12.4.1. Она представляет собой стеклянный вакуумный баллон L , в котором находится «электронная пушка», состоящая из накаленного катода К , эмитирующего электроны, и анода с диафрагмой (чаще нескольких анодов, расположенныхдруг за другом) D 1 , D 2 . Между катодом и анодом создают разность потенциалов U , позволяющую разогнать электроны до большой скорости и получить узкий пучок. В месте попадания электронного пучка на экран Е , покрытый флуоресцирующим составом, возникает яркая светящаяся точка.

Управление пучком электронов производится двумя парами пластин С 1 и С 2 расположенных перпендикулярно друг другу. Поле пластин С 1 смещает луч в горизонтальном направлении, поле пластин С 2 - в вертикальном. На пластины С 1 и С 2 можно подавать либо постоянное, либо переменное напря­жение. В зависимости от этого светящееся пятно на экране будет либо оставаться на месте, либо перемещаться, образуя прямую, синусоиду и т. д. На этом свойстве основано устройство осциллографа. В более сложных случаях на экране можно получить чередование темных и светлых пятен, которые дают изображение предметов. Такое явление мы наблюдаем в электронно-лучевой трубке телевизора.

Вопросы для повторения:

1. В чем состоит ионизация газа и рекомбинация ионов в газе?

2. Что такое газовый разряд?

3. В чем заключается разница между самостоятельным и несамостоя-тельным газовыми разрядами?

4. Что представляют собой дуговой и тлеющий разряды?

5. Что такое плазма? Какими свойствами она обладает?

6. Что такое диод, как он устроен и почему может работать выпрямителем переменного тока?

7. Что такое электронные пучки, какими свойствами обладают, где применяются?

8. Приведите примеры применения тлеющего разряда в технике.

9. Приведите примеры практического применения плазмы.

10. Опишите механизм образования электронно-ионных лавин.

Резюме:

В процессе изучения темы мы ознакомились со свойствами газовых разрядов и протеканием электрического тока в газах и вакууме.

Приложение

Приложение N 1.

Распределение электронов и дырок описывается функцией Ферми–Дирака.

,

где f Ф-Д (Е ) – вероятность того, что энергетическое состояние занято и может колебаться от 0 до 1 ,

E F – уровень Ферми, часто называемый энергией Ферми или электрохи-мическим потенциалом.

Согласно принципу Паули каждое квантовое состояние может быть заня-то только одним электро-ном. При большем их числе, при абсолютном нуле температур все состояния ниже E F заполнены:

f Ф-Д (Е ) = 1 , а выше E F – свободны от электронов и f Ф-Д (Е ) = 0 . Так как при Т = 0ºК электроны проводимости обладают ненулевой энергией, но распределены по всем разрешенным состояниям от 0 до E F (эВ) то

.

Уровень Ферми в собственном полупроводнике определяется уравнением:

Плотность состояний g(E)

Число состояний на единичный энергетический интервал в единице объема полупроводника как функция энергии.

В двух прилегающих друг к другу фазах электронное равновесие до-стигается при равенстве уровней Ферми. -

Приложение N 2.

Для определения вида функции φ(х) мы воспользовались известным из электростатики уравнением Пуассона, связывающим потенциал поля U(x) с объемной плотностью ρ(х) неподвижных зарядов, создающих это поле.

Это уравнение имеет вид:

принимаем ρ(х) = qNd

Глоссарий

Аморфные вещества	С термодинамической точки зрения аморфное ТТ находится в метастабильном состоянии и со временем должно закристаллизоваться. Аморфные вещества ведут себя как жидкости с аномально высокой вязкостью. К ним относятся стекла, пластмассы и смолы, При повышении температуры они постепенно размягчаются и приобретают способность течь, как жидкости [§1.1].
Анизотропия	Неодинаковость свойств кристалла в разных направлениях, которая является результатом его симметрии и внутреннего строения[§1.1].
Акцепторные уровни	Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупровод-ника, называют акцепторными акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками p -типа;часто их называютакцепторными полупроводниками . [§ 3.6.1].
Адсорбционный слой	См. [§ 4.2.2].
Барьерная емкость	При обратном напряжении, приложенном к p -n переходу, носители заря-дов обоих знаков находятся по обе стороны перехода, а в области самого перехода их очень мало. Таким образом, в режиме обратного напряжения p -n переход представляет собой емкость. Эту емкость называют барьерной (С б) . [§ 8.5].
Ван-дер-ваальсовские связи	Силы взаимодействия в таких кристаллах определяются наличием у молекул естественных или индуцированных электрических моментов [§ 1.3].
Валентная зона	При сближении атомов на растояние примерно 10 –8 см.,будет происходить перекрытие волновых функций атомарных электронов. Благодаря этому энергетический уровень валентных электронов превращается в зону.Эта зона носит название валентной [§ 2.1].
Водородная связь	В кристаллах с водородными связями каждый атом водорода связан силами притяжения одновременно с двумя другими атомами. Водородная связь вместе с электростатическим притяжением дипольных моментов молекул воды определяет свойства воды и льда[§1.1].
Вольтамперная характеристика p-n перехода	См. [§8.4].
Время жизни носителей	Среднее время существования носителей заряда в полупроводнике обычно называют временем жизни носителей [ § 3.8].
Вырожденный газ	В вырожденном газе в формировании электропроводности могут участвовать не все свобод-ные электроны, а лишь те из них, которые располагаются непосредственно у уровня Ферми.[§ 5.2.2].
Генерация носителей заряда	Генерация носителей заряда (образование свободных электронов и дырок) происходит при воздействии теплового хаотического воздействия атомов кристаллической решетки (тепловая генерация), при воздействии поглощенных полупроводником квантов света (световая генерация) и других энергетических факторов [§ 3.4].
Гетеропереход	Гетеропереходом называют переход, образующийся на границе контакта двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. [§ 9.3].
Дефекты в кристалле	Нрушения периодичности решетки, которые не сводятся к тепловым движениям, называются дефектами [§ 1.7].
Дефекты по Шоттки	В реальных кристаллах некоторые узлы кри-сталлической решетки, в которых должны находиться атомы, оказываются незанятыми [§ 1.7].
Дефекты по Френкелю	Они возникают в том случае, когда атом покидает свое место в узле кристаллической решетки и размещается в междоузлии в окружении атомов, расположенных на своих законных местах [§ 1.7].
Дислокации	Этот вид дефектов возникает в случае, когда между атомными плоскостями вклинивается неполная дополнительная атомная плоскость [§ 1.7].
Дырка	Вакантное место в ковалентной связи получило название дырки. Незавершенная связь будет иметь избыточный положительный заряд равный по величине заряду электрона [§ 3.2].
Донорные уровни	Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называютсядонорами , а энергетические уровни этих примесей – донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками п -типа;часто их называют такжедонорными полупроводниками [§3.6.1].
Дрейфовый ток	Ток, обусловленный внешним электрическим полем, получил название дрейфового тока. [ § 3.8].
Диффузионный ток	Ток, возникающий в результате диффузии носителей из области, где их концентрация повышена, в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузионным бездрейфовым током . [ § 3.8].
Диффузионная длина	Среднее расстояние, которое проходят за время жизни носители, называют диффузионной длиной носителей заряда. .
Двойной электрический слой	Совокупность положительных ионов у поверхности металла и электронов, появляющихся над поверхностью, называется двойным элект-рическим слоем. .
Запрещенная зона	Зоны дозволенных энергий отделены друг от друга интервалом, называемым запрещенной зоной или энергетической щелью [§ 2.1].
Зона проводимости	Если же в самой верхней занятой, но не полной зоне, имеются свободные энергетические уровни, на которые могут переходить электроны, то они образуют так называемую зону проводимости [§ 2.1].
Ионные кристаллы	Ионные кристаллы (NaСl, KC1 и др.) характерны тем, что силы притяжения, действующие между ионами - электростатические. [§1.1].
Индексы Миллеры	В ристаллографии принято пользоваться для обозначения плоскостей особыми индексами Миллера. [ § 1.6].
Инжекционный лазер	См.[§10.6].
Инверсия населенностей	Инверсия населенностей – соотношение между населенностями разных энергетических уровней атомов или молекул вещества, при котором число частиц на верхнем из данной пары уровней больше, чем на нижнем. [§10.5].
Кристалл	Кристалл, представляет собой совокупность атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых около положения равновесия силами взаимодействия. Структурными единицами ТТ служат атомы, молекулы или ионы. Термодинамически устойчивыми ТТ являются кристаллические, так как они обладают минимальной внутренней энергией, с повышением температуры, по достижении определенной температуры, называемой температурой плавления, они скачкомпереходят в жидкое состояние. Кристалл имеет прерывистую периодическую структуру. [§1.1].
Ковалентный кристалл	В ковалентных кристаллах (алмаз, Ge, Si и др.) валентные электроны соседних атомов обобществлены, поэтому ковалентный кристалл можно рассматривать как одну огромную молекулу [§1.1].
Класс симметрии	В кристаллографии показано, что существуют всего 32 возможные комбинации элементов симметрии. Каждая из таких возможных комбинаций называется классом симметрии. В природе существуют только кристаллы, относящиеся к одному из 32 классов симметрии [§ 1.3].
Коэффициент Холла	См.[§ 6.1.1].
Контактная разность потенциалов	См. [§ 7.1.1].
Когерентность	Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Т.е. если разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени, или же два идеальных монохроматических колебания имеют одну и ту же частоту, то такие колебания называются когерентными. [§10.5].
Лазеры	Вынужденное когерентное излучение называют стимулированным или индуцированным, а излучатели таких волн получили название лазеров (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света за счет индуцированного излучения). [§10.4].
Металлическая связь	В металлических кристаллах связь (металлическая связь) обуслов-лена коллективным взаимодействием подвижных электронов с остовом кристаллической решетки. Для переходных металлов характерна также ковалентная связь, осуществляемая электронами незаполненных внутренних оболочек [§1.1].
Молекулярные кристаллы	В молекулярных кристаллах молекулы связаны между собой относительно слабыми электростатическими силами (ван-дер-ваальсовы силы) обусловленными динамической поляризацией молекул [§1.1].
Неравновесная концентрация	Если с помощью какого либо внешнего воздействия динамическое равновесие концентраций электронов и дырок в полупроводнике нарушено, то появляется дополнительная неравновесная концентрация носителей заряда. [§3.8].
Невырожденный газ	В случае невырожденного газа плотность заполнения зоны проводи-мости электронами на столько небольшая, что они практически никогда не встречаются так близко, что бы их поведение могло ограничиваться принци-пом Паули.[§ 5.2.1, § 5.2.2].
Несамостоятельный газовый разряд	Процесс протекания тока через газ называют газовым разрядом. Ток в газе, возникающий при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.
Ось симметрии	Если кристалл обладает осью симметрии (поворотной осью), то он может быть совмещен сам с собой, т.е. приведен в положение неотличимое от исходного, путем поворота на некоторый угол вокруг этой оси. В зависимости от симметрии кристалла величина угла поворота, необходимого для совмещения кристалла с самим собой, может составлять 360, 180, 120, 90, 60 градусов. (2п / п, где n = 1, 2, 3, 4 или 6) [§ 1.3].
Основные носители	Электроны, составляющие подавляющее большинство носителей заряда в полупроводниках п -типа, называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными.. И на оборот, дырки составляющие подавляющее большинство носителей заряда в полупроводниках p -типа, называют основными носителями заряда, а электроны– неосновными. [§ 3.6.2, § 3.6.3].
Омический переход	Контакт, электрическое сопротивление которого мало и не зависит от направления тока в заданном рабочем диапазоне токов. [§9.3.3].
Период трансляции	Трансляция а представлена вектором, имеющим определенное направление и численное значение, равное а, называемое периодом трансляции [§1.3].
Плоскость симметрии	Если одна половина кристалла совмещается с другой при отражении в некоторой плоскости, как в зеркале, то такая плоскость называется плоскостью симметрии [§ 1.3].
Поворотно-зеркальная ось	К этому элементу симметрии приводит одновременное применение двух операций: поворота вокруг оси и зеркального отражения в плоскости, перпендикулярной оси [§ 1.3].
Полупроводники	Полупроводники, широкий класс веществ с электронным механизмом электропроводности, по её удельному значению sзанимающих про-межуточное положение между металлами (s ~ 10 4 -10 6 Ом -1 см -1) и хорошими диэлектриками (s ~ 10 -12 -10 -11 Ом -1 см -1) (интервалы значений sуказаны при комнатной температуре) [§ 3.1].
Примесный полупроводник	Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а его электропроводность обусловленную наличием в кристалле примесей-примесной [§ 3.6.1].
Полупроводник n-типа	См. Донорные уровни. [§ 3.6.1].
Полупроводник p-типа	См. Акцепторные уровни [§ 3.6.1].[ § 3.6.3].
Примесная проводимость	Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью, называется примесной [§ 3.6.2].
Переход Шоттки	Выпрямляющий контакт металл – полупро-водник п -типа называют переходом Шоттки. Важнейшей особенностью перехода Шоттки по сравнению с р-п переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда . [§9.1].
Поверхностные явления в полупроводниках	Физические явления, возникающие у поверхности полупроводникового кристалла вызванные нарушением распределения потенциала кристаллической решетки полупроводника вследствие его обрыва у поверхности; наличием нескомпенсированных валентных связей у поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за возможных поверхностных дефектов структуры кристалла. [§9.2].
Поверхностный потенциал	Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля из-за наличия зарядов между объемом и поверхностью. Разность потен-циалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом [§9.2].
Пробой	Туннельный -основан на изученном нами туннельном эффекте – когда электроны проходят через потенциальный барьер р-п- перехода, не изменяя своей энергии.
Лавинный -Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера в р-п- переходе. Двигаясь с большой скоростью в области р-п- перехода они сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их.
Тепловой -Электрический и тепловой пробой во многих случаях происходят одновременно. Во время электрического пробоя полупроводник разогревается и затем происходит тепловой пробой. Тепловая генерация пар электрон –дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока, а увеличение тока, приводит в свою очередь к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно. При чрезмерном разогреве кристалла, р-п- переход необратимовыходит из строя.
Работа выхода	Работой выхода называется работа по перемещению электрона из проводника в окружающее пространство равна произведению заряда электрона е на пройденную разность потенциалов φ 0 .[§ 4.2.1].
Рекомбинация носителей заряда	Процесс превращения свободного электрона в связанный электрон и исчезновение пары носителей заряда (электрон-дырка) носит название рекомбинации.
Силы взаимодействия	Природа сил взаимодействия между атомами в кристаллах хорошо известна. Это – электрические силы отталкивания и притяжения по-ложительно и отрицательно заряженных частиц, имеющихся в каждом атоме. [§1.1].
Сингония	В кристаллографии принято объединять 32 класса симметрии в 7 систем симметрии или 7 сингоний, которые носят следующие названия в порядке возрастания симметрии триклинная система, включающая два класса симметрии, тригональная система, объединяющая семь классов, моноклинная система, куда входят три класса, гексагональная система - пять классов, ромбическая, также с тремя классами, тетрагональная система с семью классами, кубическая система [§ 1.3]. [§ 1.3].
Собственный полупроводник	Полупроводник будет являться собственным, если влияние примесей на его свойства пренебрежимо мало. В нем свободные носители заряда возникают только за счет разрыва валентных связей [§ 3.2].
Стимулированное излучение	Может воз-никнуть процесс, при котором все возбужденные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязано и так, что генерируемые фотоны абсолютно неотличимы от тех, которые эту генерацию вызвали. Такое вынужденное когерентное излучение называют стимулированным или индуцированным [§10.4.].
Термопара	См.[§11.2.1].
Термоэлемент	См. [§ 11.2.2].
Термоэлектрические явления	См. [§10.1.1].
Трансляция	Кристалл имеет прерывистую периодическую структуру. С геомет-рической точки зрения такую структуру можно создать с помощью операции параллельного смещения, которая называется трансляцией [§1.3].
Твердое тело	Твердым телом (ТТ) называют такое агрегатное состояние вещества, которое характеризуется постоянством формы рассматриваемой макро-системы и особым характером теплового движения атомов, составляющих макросистему. Различают кристаллические и аморфные ТТ. Термодинами-чески устойчивыми ТТ являются кристаллические, так как они обладают минимальной внутренней энергией[§1.1].
Трансляционная группа	Положение любой точки в пространственной решетке определяться комбинацией перемещений ma+nb+pc. Комбинация трех векторов а,b,с называется трансляционной группой [§1.3].
Тепловой пробой p-n перехода	Тепловой пробойp-nперехода происходит вследствие вырывания ва-лентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристалли-ческой решетки. Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увели-чению концентрации не-основных носителей заряда и к росту обратного тока. [§8.4].
Туннельный эффект	Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер p-n перехода, не изменяя своей энергии. [§8.6].
Фотопроводимость полупроводников	Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. [§ 10.1].
Фоторезистивный эффект	Сущность этого явления состоит в том, что при поглощении квантов света с энергией достаточной для ионизации собственных атомов полупроводника или ионизации примесей, происходит увеличение концентрации носителей заряда. [§10.2].
Центр симметрии	Если в кристалле существует точка, обладающая тем свойством, что при замене радиуса-вектора r , любой из частиц, составляющих кристалл на обратный ему вектор -r , кристалл переходит в состояние, неотличимое от исходного, то эта точка называется центром симметрии или центром инверсии [§ 1.3].
Экстракция носителей заряда	Для неосновных носителей (дырок в n - области и электронов в р - области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе отсутствует, и они будут втягиваться полем в области p-n перехода. Это явление называется экстракцией. [§ 8.2].
Элементарная ячейка	Параллелепипед, построенный на трех элементарных трансляциях а, в, с, называется элементарным параллелепипедом или элементарной ячейкой.[ §1.3].
Элементы симметрии	плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии, зеркально-поворотная ось симметрии[ §1.3].
Электрохимический потенциал	Энергия электрохимического потенциала – работа, которую необходимо затратить для изменения числа частиц в системе на единицу при условии постоянства объема и температуры [§ 3.3].
Электрический пробой p-n перехода	Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии (зинеровский пробой) и под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой). [§ 8.4].
Электронная эмиссия	См. [§ 4.2.2].
Электронно –дырочный переход (p-n переход).	Переход между материалами с электропроводностью n- и p- типа носит название p-n перехода. [§ 7.2].
Электростатический домен	См. Эффект Ганна [§ 5.6].
Энергия Ферми	При температуре равной абсолютному нулю Т = 0 К энергия всей атомной системы, в том числе и электронного газа минимальна. Однако при этом наблюдается характерная ситуация, когда электроны, находящиеся на верхних энергетических уровнях, обладают еще достаточно большой энергией, которую они не могут сбросить и перейти на нижние уровни из-за запрета Паули. Энергия электронов, занимающих самый верхний из занятых уровней, обозначается ε макс и называется энергией Ферми [§ 2.1, § 3.3].
Эффективная масса	Влияние на движение электрона в поле периодического кристаллического потенциала ионов и остальных электронов приводит к тому, что свойства носителей тока в кристалле (электронов проводимости и дырок) во многом отличается от свойств электронов в свободном пространстве. А их масса (эффективная масса) может сильно отличаться от массы свободного электрона и зависеть от направления движения [§ 3.5].
Эффект Ганна	См.[§ 5.6].
Эффект Зиннера	См.[§ 5.6].
Эффект Зеебека	См. [§ 10.1.1].
Эффект Пельтье	См. [§ 10.1.2].
Эффект Томсона	См. [§ 10.1.3].
Эффект Холла	Явление возникновения в полупроводнике с текущим по нему током поперечного электрического поля под действием магнитного поля называют эффектом Холла. [§ 6.1.1].
Эффект Штарка	См.[§ 5.6].

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУЧОК - поток электронов, движущихся по близким траекториям в одном направлении, имеющий размеры, значительно большие в направлении движения, чем в поперечной плоскости. Поскольку Э. п. является совокупностью одноимённых заряж. частиц, внутри него имеется пространственный заряд электронов, создающий собств. электрич. поле. С др. стороны, движущиеся по близким траекториям электроны можно рассматривать как линейные токи, создающие собств. магн. поле. Электрич. поле пространств. создаёт силу, стремящуюся расширить пучок ("кулоновское расталкивание"), магн. поле линейных токов создаёт силу Лоренца, стремящуюся сжать пучок. Расчёт показывает, что действие пространств. заряда начинает заметно сказываться (при энергиях электронов в неск. кэВ) при токах в неск. десятых мА, тогда как "стягивающее" действие собств. магн. поля заметно проявляется только при скоростях электронов, близких к скорости света-энергии электронов порядка МэВ. Поэтому при рассмотрении Э. п., используемых в разл. электронных приборах, техн. установках, в первую очередь необходимо принимать во внимание действие собств. пространств. заряда, а действие собств. магн. поля учитывать только для релятивистских пучков.

Интенсивность Э. п . Осн. критерием условного разделения Э. п. на неинтенсивные и интенсивные является необходимость учёта действия поля собств. пространств. заряда электронов пучка. Очевидно, чем больше ток пучка, тем больше пространств. заряда, сильнее расталкивание. С др. стороны, чем больше скорость электронов, тем меньше скажется на характере движения электронов собств. электрич. поле пучка - чем выше энергия электронов, тем "жёстче" пучок. Количественно действие поля пространств. заряда характеризуется коэф. пространственного заряда - п е р в е а н с о м, определяемым как

где I -ток пучка; U -ускоряющее напряжение, определяющее энергию электронов пучка .

Заметное влияние пространств. заряда на движение электронов в пучке начинает проявляться при P>=P* = = 10 -8 А/В 3/2 = 10 -2 мкА/В 3/2 . Поэтому к интенсивным пучкам принято относить Э. п. с Р>P* .

Неинтенсивные пучки (с Р<Р* )малого сечения, часто называемые электронными лучами, рассчитываемые по законам геом. электронной оптики без учёта действия поля собств. пространств. заряда, формируются с помощью электронных прожекторов и используются в основном в разл. электронно-лучевых приборах .

В интенсивных пучках действие собств. пространств. заряда существенно влияет на характеристики Э. п. Во-первых, интенсивный Э. п. в пространстве, свободном от внеш. электрич. и магн. полей, за счёт кулоновского расталкивания неограниченно расширяется; во-вторых, за счёт отрицат. электрич. заряда электронов пучка происходит падение потенциала в пучке. Если с помощью внеш. электрич. или магн. полей ограничить расширение интенсивного пучка, то при достаточно большом токе потенциал внутри пучка может понизиться до нуля, пучок "оборвётся". Поэтому для интенсивных пучков существует понятие предельного (максимального) первеанса. Практически при ограничении расширения пучка внеш. полями удаётся сформировать протяжённые устойчивые интенсивные пучки с P 5 . 10 мкА/В 3/2 .

Полное матем. описание интенсивных Э. п. затруднительно, поскольку реальный электронный поток состоит из множества движущихся электронов, учесть взаимодействие между к-рыми практически невозможно. При введении нек-рых упрощающих предположений, в частности, заменяя сумму сил, действующих на выбранный электрон со стороны соседних электронов, силой действия на этот электрон нек-рой электрически заряженной среды с непрерывно распределённой плотностью пространств. заряда и разбивая весь пучок на совокупность "трубок тока", удаётся с помощью ЭВМ рассчитать с достаточной для практич. целей точностью осн. параметры интенсивного пучка: форму пучка (огибающую), распределение плотности тока и потенциала по сечению пучка.

Геометрия Э. п . Практически применяются пучки трёх конфигураций: ленточные (плоские), имеющие в поперечном сечении вид прямоугольника с "толщиной", значительно меньшей "ширины", осесимметричные, имеющие в поперечном сечении форму круга, и трубчатые, имеющие в поперечном сечении форму кольца. Для формирования Э. п. таких типов разработаны соответствующие электронные пушки и системы ограничения.

Влияние пространств. заряда неодинаково в пучках разл. конфигурации. Наиб. влияние на характер движения электронов на границе Э. п. имеет составляющая напряжённости электрич. поля, создаваемого пространств. зарядом, направленная перпендикулярно оси осесимметричных пучков и широкой стороне ленточных.

Радиальная составляющая напряжённости электрич. поля на границе осесимметричного пучка прямо пропорциональна току пучка и обратно пропорциональна радиусу его сечения и скорости электронов пучка. Это создаёт силу, направленную от оси, стремящуюся расширить пучок. Расталкивающая сила тем больше, чем больше ток, меньше скорость и радиус пучка. Теоретически в осесимметричных пучках траектории электронов не могут пересечь ось, а сечение пучка нельзя свести в точку, т. к. при уменьшении сечения расталкивающая сила неограниченно возрастает.

Огибающие осесимметричных электронных пучков: g 0 -угол входа пучка в свободное от полей прост ранство; r 0 - начальный радиус; 1 - расходящийся пучок (g 0 >0); 2-цилиндрический пучок (g 0 =0); 3 , 4, 5-сходящиеся пучки (g 0 <0). Пучок 4 - опти мальный, так как кроссовер (наименьшее сечение ) пучка находится на самом удалённом расстоянии (z/l =0,5) от исходной плоскости .

Огибающая интенсивного осесимметричного пучка в пространстве, свободном от электрич. и магн. полей, описывается зависимостью, близкой к экспоненциальной. На рис. показаны огибающие осесимметричных пучков, имеющих до входа в свободное пространство цилиндрическую (кривая 2, g 0 = 0), расходящуюся (кривая 1, g 0 >0) и сходящуюся (кривые 3-4, g 0 <0) формы (g 0 - угол наклона касательной к огибающей пучка, угол входа). Как видно на рис., пучки, первоначально сформированные как цилиндрические (g 0 = 0) и расходящиеся (g 0 >0), в свободном от полей пространстве неограниченно расширяются; пучки, сформированные как сходящиеся, вначале сжимаются (r /r 0 <1), проходят плоскость наименьшего сечения (плоскость кроссовера), затем также начинают расширяться. Радиус мин. сечения пучка - радиус кроссовера-определяется выражением

где r 0 - радиус Э. п. до входа в свободное пространство.

Радиус кроссовера тем меньше, чем меньше первеанс и больше | g 0 |. С ростом (по абс. величине) угла входа пучка в свободное от полей пространство (g 0) плоскость кроссовера сначала удаляется от исходной плоскости, за-

тем начинает приближаться к ней (последовательно кривые 3, 4, 5). Для каждого значения первеанса существует оптимальный "угол влёта" g 0 , при к-ром кроссовер наиб. удалён от исходной плоскости, то есть Э. п. с данным первеансом может быть проведён на наибольшее расстояние с радиусом, не превышающим исходный.

Ленточные интенсивные пучки в свободном от электрич. и магн. полей пространстве также неограниченно расширяются (становятся "толще"), контур огибающей пучка описывается параболич. законом. В отличие от осесимметричного пучка, ленточный пучок при оптимальном входном угле теоретически может быть сведён в линию, т. е. может быть получен линейный фокус. Пучки др. конфигураций в свободном пространстве также неограниченно расширяются; трубчатый Э. п. расширяется несколько меньше, чем сплошной осесимметричный.

Эксперим. проверка полученных расчётных соотношений затруднена, поскольку само понятие границы (огибающей) интенсивного пучка условно, т. к. в реальных пучках плотность тока при удалении от оси осесимметричного или от ср. плоскости ленточного пучков спадает постепенно, и границей пучка условно считается окружность или прямая, вдоль к-рой плотность тока составляет нек-рую малую долю (~0,1) её макс. величины на оси.

Потенциал Э. п . Падение потенциала внутри интенсивного пучка ограничивает возможность формирования протяжённого интенсивного пучка с высоким первеансом. Тео-ретич. исследования показывают, что в интенсивном неограниченном потоке, заполняющем пространство между двумя плоскими параллельными проводящими поверхностями с одинаковым потенциалом, определяющим энергию электронов потока, с увеличением тока в ср. плоскости образуется минимум потенциала. При достижении P= 18,64 мкА/В 3/2 потенциал спадает до нуля, образуется виртуальный катод ,часть электронов проходит через плоскость минимума, часть отражается к исходной плоскости, нормальное токопрохождение нарушается. Эксперим. проверка подтверждает это, именно при приближении P к 18,64 мкА/В 3/2 в потоке возникают неустрйчивости, электронных слоев, прохождение тока нарушается.

В реальных Э. п., ограниченных внеш. электрич. и магн. полями, также происходит падение потенциала, но т. к. в большинстве приборов, где используются интенсивные Э. п., протяжённый пучок пропускается через трубу с положит. потенциалом, на поверхности пучка удаётся поддерживать потенциал, близкий к потенциалу трубы. Но и при наличии проводящей трубы потенциал на оси осесимметричного или в ср. плоскости ленточного пучков заметно понижается, и по достижении достаточно большого первеанса (большего, чем в случае неограниченного потока) возникает неустойчивость, пучок обрывается.

Формирование Э. п . Поскольку Э. п. в свободном пространстве неограниченно расширяется, при практич. использовании интенсивных пучков кроме системы, формирующей пучок,- электронной пушки-необходима система, ограничивающая расхождение пучка. Расширение Э. п. ограничивается с помощью внеш. электрич. и магн. полей. Классич. пример протяжённого интенсивного Э. п.- т. н. п о т о к Б р и л л ю э н а - цилиндрич. пучок, ограниченный продольным однородным магн. полем. При определ. соотношении четырёх величин - нач. радиуса r 0 , тока пучка I , U 0 , определяющего энергию электронов до входа в магн. поле, и магн. индукции продольного однородного магн. поля B 0 - теоретически возможно получить устойчивый цилиндрич. Э. п. При оптимальном соотношении r 0 , I , U 0 и B 0 макс. первеанс бриллюэновского потока достигает 25,4 мкА/В 3/2 . При макс. первеансе потенциал на оси пучка составляет всего 1/3 значения на границе. При ограничении магн. полем трубчатых пучков можно получить ещё большие значения первеанса.

Практически сформировать протяжённые Э. п. с первеансом, близким к теоретически максимально возможному, не удаётся из-за ряда причин: разброса нач. скоростей электронов, эмитированных катодом, трудности создания ограничивающих полей строго заданной конфигурации, практич. невозможностью строго выполнить нач. условия ввода пучка в систему ограничения и др. Реальные Э. п. имеют волнистую и пульсирующую границы, форма пучка не остаётся неизменной. Поэтому для предупреждения оседания электронов пучка на поверхности пролётного канала радиус проводящей трубки, сквозь к-рую пропускается интенсивный пучок, выбирается на 20-30% больше радиуса пучка.

Лит.: Алямовский И. В., Электронные пучки и электронные пушки, M., 1966; Молоковский С. И., Сушков А. Д., Интенсивные электронные и ионные пучки, 2 изд., M., 1991.

А. А. Жигарев .

Узкий поток электронов называется электронным пучком. Электронный пучок, которым можно управлять, получают в электронно-лучевой трубке (рис. 93). Одной из ее составных частей является вакуумный стеклянный баллон (разрежение порядка 0,000001 мм рт. ст. ). Он с одного конца цилиндрический, а с другого - конусообразный и заканчивается выпуклым дном. На внутреннюю сторону дна баллона нанесен слой люминофора, у цоколя трубки расположен катод, при нагревании испускающий электроны. Катод находится в управляющем цилиндре, в торце которого имеется отверствие. Через него выходит электронный пучок. Действие управляющего цилиндра подобно действию сетки в триоде: изменением отрицательного потенциала управляющего цилиндра регулируют количество электронов в луче и тем самым меняют яркость свечения тех мест экрана, в которые попадает пучок электронов. За управляющим цилиндром расположены фокусирующий и ускоряющий аноды.

Между управляющим цилиндром и фокусирующим анодом находится неоднородное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого имеют форму линзы А, называемую электростатической линзой (рис. 94). Эта линза фокусирует электронный пучок и сообщает электронам ускорение, после чего электронный пучок попадает в электростатическую линзу В между фокусирующим и ускоряющим анодами.

Возьмем электроны в точках 1 и 2. В них, как и в любых других точках, напряженность электрического поля перпендикулярна к эквипотенциальным поверхностям, а на заряд действуют силы F 1 и F 2 , противоположно направленные напряженности поля в данных точках. Составляющие этих сил F 1 " и F 2 " сообщают электронам ускорения вдоль оси цилиндров. Составляющая F" 1 отклоняет пучок вниз, а составляющая F" 2 - вверх.

Линза В сообщает дополнительное ускорение электронам и, кроме того, вызывает дополнительную фокусировку электронного пучка. Первую половину линзы электроны в пучке пролетают с меньшей средней скоростью, чем вторую (где она доходит до 10 4 км / сек ), поэтому отклонение пучка вниз больше, чем вверх. При отклонении к оси в верхней половине линзы пучок сужается. То же происходит и в ее нижней половине. Изменяя потенциал фокусирующего анода, меняют сходимость пучка и добиваются его фокусировки на экране. На пути к экрану электронный пучок проходит поочередно между двумя парами пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих выводы наружу.

Катод, управляющий цилиндр, фокусирующий анод, ускоряющий анод образуют устройство, называемое электронной пушкой. Выясним, какие свойства электронного пучка использованы в электронно-лучевой трубке. Включив ее (рис. 95, а) и сфокусировав пучок на экран, увидим на нем светящуюся точку. Электронный пучок, падая на люминофор, вызывает его свечение. Это свойство и использовано для изготовления экранов в электронно-лучевых трубках, применяющихся в осциллографе, телевизоре, радиолокаторе.

Подключим выводы вертикальных пластин к источнику постоянного тока. По перемещению луча (светлой точки) по экрану видим, что луч отклонился в сторону пластинки с положительным потенциалом. При изменении полярности пластин изменяется и направление смещения луча в горизонтальной плоскости. При подключении к источнику тока горизонтальных пластин и при изменении полярности луч будет перемещаться в вертикальной плоскости. Если к вертикально расположенным пластинам приложить переменное напряжение, то пучок (а на экране светлая точка) под действием образовавшегося электрического поля начнет колебаться между пластинами в горизонтальном направлении (по оси X или оси времени t), а при подаче переменного напряжения на горизонтальные пластины будет колебаться в вертикальном направлении (по оси Y). Вследствие быстрого колебания светлой точки на экране получается светлая прямая линия.

Поднесем сбоку трубки дугообразный магнит. Видим, что точка электронного пучка сместилась к краю экрана. Поменяем местами полюсы магнита, светлая точка отклонилась по экрану в противоположную сторону. (Учитывая, что пучок - поток электронов, определите правилом левой руки направление отклонения пятна на экране.) Электронный пучок отклоняется электрическим и магнитным полями. Вследствие малой массы электрона электронный пучок практически безынерциален. Это дает возможность мгновенно его смещать.

В осциллографе на горизонтально расположенные пластины подается исследуемое напряжение (см. рис. 93), а на вертикальные - пилообразное напряжение развертки U paз от специального устройства (см. рис. 95, б). Увеличиваясь прямо пропорционально времени, пилообразное напряжение вызывает равномерное движение светлой точки на экране в горизонтальном направлении в течение времени t 1 , например слева направо. Затем оно за время t 2 очень быстро спадает до нуля. За время t 2 электронный луч возвращается в исходное положение, и процесс повторяется. На время обратного хода луча на управляющий цилиндр подается отрицательное запирающее напряжение, преграждающее доступ электронов к экрану осциллографа. Это дает возможность наблюдать на нем графическое изображение быстро протекающих периодических электрических процессов.

Имеются электронно-лучевые трубки с магнитными фокусировкой и отклоняющим устройством. Они применяются в качестве приемных телевизионных трубок (кинескопов). Их устройство проще электростатических.