Длина волны характеристических линий и потенциал возбуждения К-серии ряда элементов. 5 страница

Таким образом, основной особенностью фокусировки в магнитном поле является следующее: а) неизбежный поворот изображения в плоскости перпендикулярной к оси z; и б) аксиальное поле магнитной линзы всегда собирает электронный пучок, т.е. рассеивающих магнитных линз в природе не существует.

Вывод уравнения траектории электрона и вычисление фокусного расстояния магнитной линзы базируется на совместном решении трех уравнений в цилиндрических координатах для параксиальной области и выходит за рамки настоящего курса. В связи с этим ограничимся только конечным результатом для выражения угла поворота траектории, т.е. изображения в плоскости z=z₀:

, (49.4)

и выражения для оптической силы магнитной линзы:

, f^* = −f. (50.4)

Уравнение (50.4) получено интегрированием по оси z от плоскости объекта (z=а) до плоскости изображения (z=b) в приближении тонкой линзы. Подынтегральное выражение в данной формуле всегда положительное, следовательно, всегда положительно и фокусное расстояние. Равенство (50.4), дает подтверждение высказанному ранее замечанию об отсутствии рассеивающих магнитных линз.

1.5.4. Конструкции магнитных линз.

Важнейшее практическое применение магнитные линзы находят в электронной микроскопии. Одна из существенных методических задач при их конструировании, также как и в обычной оптике, это разработка короткофокусных электронных линз. Согласно равенству (50.4) фокусное расстояние f≈1/B²l, где l –протяженность магнитного поля на оптической оси z. Из курса общей физики известно, что индукция магнитного поля на оси бесконечно тонкого кольцевого тока с силой NI (все витки соленоида собраны в точку, т.е. L/R 0) равна:

, (51.4)

где N-полное число витков соленоида; I-сила тока в витке; R-радиус витков.

Следовательно, фокусное расстояние тонкой магнитной линзы на основе короткого соленоида пропорционально его радиусу и обратно пропорционально квадрату числа ампер витков. Поскольку уменьшать длину соленоида с большим числом ампер витков (NI) сильно нельзя, то используют бронирование катушек (соленоидов) железным панцирем с узким кольцевым зазором с внутренней стороны соленоида.

На рис. 22.5,а показана схема устройства магнитной линзы стандартной конструкции. Она состоит из катушек намотанных медной проволокой симметрично относительно оптической оси (т.е. оси электронного пучка) и окруженных оболочкой (панцирем) из магнитно - мягкого железа с узким зазором внутри катушки, в котором создается фокусирующее поле. Цилиндрические части линзы из железа по обе стороны от зазора называют полюсными наконечниками. Через обмотку линзы течет постоянный ток, величина которого и определяет оптическую силу линзы.

а б

Рис. 23.4, а). Магнитная электронная линза стандартной конструкции; 1-электронный пучок; 2-железный панцирь (экран); 3-обмотка из медной проволоки. б). Полюсные наконечники магнитной линзы.

При изучении свойств таких линз установлено, что их фокусное расстояние можно выразить следующей эмпирической формулой:

f= , (52.4)

где D-диаметр отверстия полюсных наконечников; S-ширина зазора между ними (рис. 22.5,б). Параметр возбуждения линзы: К=(NI)²/U, где U-ускоряющая разность потенциалов. Коэффициент k-почти не зависит от величины S/D, но изменяется при изменении К. Например для К=100. k=36, а для K=10, k=24. Типичные параметры таких линз используемых в формирующей системе: N=1000, I=1A, K=33. Следовательно, если при 30 кВ необходимо иметь фокусное расстояние 20 мм, размеры полюсных наконечников должны соответствовать (S+D)=20 мм. Линзы стандартной конструкции с полюсными наконечниками одинакового диаметра (рис. 22.5) обычно используют в качестве конденсоров для формирования электронного пучка.

Определенные преимущества имеют линзы с большой разницей в диаметре верхних и нижних полюсных наконечников (рис.23.5,а). Такие линзы создают слабое магнитное поле на поверхности образца, что облегчает сбор медленных вторичных электронов, которые можно использовать для растрового изображения поверхности. Большой диаметр верхнего полюсного наконечника выгоден также с точки зрения размещения отклоняющих катушек системы сканирования. Другим преимуществом линзы является то, что её эффективный центр лежит близко к передней поверхности линзы, в результате при данном фокусном расстоянии имеется больше пространства между образцом и линзой.

а б

Рис.24.4. а). Магнитная линза с малым отверстием в нижнем полюсном наконечнике.

б). Объективная магнитная линза с разделенными полюсами.

В отличие от линз стандартной конструкции объектные линзы являются сильными линзами (т.е. короткофокусными). Они являются наиболее важными в просвечивающих электронных микроскопах (ПЭМ). Наиболее распространенными являются линзы с разделенными полюсами (рис. 23.5,б), в которых верхний и нижний полюсный наконечники имеет свои собственные катушки управление током, в которых, происходит независимо. Пространство, занимаемое обмотками магнитных линз, можно уменьшить, пропуская большой ток через обмотку с относительно малым числом витков. Однако линзы такой конструкции требуют водяного охлаждения и не имеют железного экрана, который в обычной линзе способствует устранению неоднородностей магнитного поля. Вследствие этого необходима очень высокая точность при изготовлении катушек линзы. Наиболее перспективными в разработке компактных микроскопов с очень высоким разрешением, являются линзы с использованием сверхпроводящих обмоток.

2.5. 4. Дефекты электронно-оптических линз.

Среди многочисленных дефектов электростатических и электромагнитных линз (их насчитывают десяток) основными дефектами, ограничивающими разрешающую способность электронно - оптических приборов, являются три: сферическая аберрация, хроматическая аберрация и астигматизм.

Сферическая аберрация: - этот дефект связан с неидеальным действием электростатического и магнитного поля на лучи, проходящие вдали от оптической оси. Чем дальше от оси движется электрон, тем сильнее он отклоняется по направлению к оси (рис. 24.5,а). В результате точка изображается в виде диска конечного размера. При отсутствии сферической аберрации С_s=0 изображение должно быть точечным в плоскости, называемой гауссовой плоскостью изображения. В действительности, С_s≠0, точка превращается в некоторую область, имеющую гало. Наименьший диаметр изображения источника располагается несколько выше гауссовой плоскости, в плоскости наилучшей фокусировки (plane of least confusion). Как показывают оценки диаметр точки в гауссовой плоскости (в параксиальном приближении) составляет: , где b-телесный угол обзора линзы, а коэффициент С_s-называют коэффициентом сферической аберрации.

\ а б

Рис.25.4. Аберрации электронных линз. а) сферическая; б) хроматическая.

Хроматическая аберрация: - этот дефект связан с немонохроматичностью излучения электронов, и с разным отклонением в электромагнитном поле электронов, отличающихся энергией. На рис. 24.5,б показана схема, иллюстрирующая этого рода дефект. Электроны с более низкими энергиями отклоняются на больший угол. Вариации высокого напряжения очень малы, 10^-6, т.е. 0,1эВ при 100 кэВ. При таком энергетическом разбросе хроматическая аберрация не представляет проблему. Однако вследствие неупругих процессов спектр электронов «размазывается» после прохождения через образец. В результате изображение точки в плоскости наилучшей фокусировки будет диском (disc of least confusion) c радиусом:

r_chr=C_c(DE/E₀)b, (53.4)

где С_с – коэффициент хроматической аберрации линз, примерно равный, как и С_S, фокусному расстоянию, DE - потеря энергии, Е₀-начальная энергия электронов.

Астигматизм: - поле в межполюсном зазоре электромагнитных линз должно быть идеально аксиально-симметричным. Из-за неточностей в профиле сердечника из магнитомягкого железа и его полюсных наконечников аксиальная симметричность поля нарушается. Неоднородность химического состава магнитомягкого материала также приводит к возмущению магнитного поля. Апертура также может располагаться также неидеально в центре. Помимо этого, загрязнения нарушают идеальность отверстия. В результате идеальность геликоидальной траектории электронов нарушается, что приводит к астигматизму. Многочисленные причины астигматизма приводят к размытию точки в диск радиусом:

r_ast =bDf, (54.4)

где Df разброс в фокусном расстоянии из-за астигматизма.

Астигматизм можно скорректировать, стигматоры, которые представляют собой небольшие октупольные линзы, поле которых компенсирует неоднородность поля основной линзы. Стигматоры обычно устанавливают в конденсорной и объектной линзах.

3.5.4. Отклонение заряженных частиц магнитным полем.

Рассмотрим частицу, с зарядом движущуюся параллельно оси х с начальной скоростью v₀ и входящую в область однородного магнитного поля, параллельного оси z рис. 25.5. со стороны х=0. Ее отклонение DУ_L на другой границе поля (х=L) определяется уравнением:

Рис. 26.4. Отклонение частиц магнитным полем.

DУ_L= (55.4)

В соответствии со знаком силы Лоренца DУ_L отрицательно для положительно заряженной частицы. Наклон траектории на выходе из локализации поля определяется первой производной у по х и определяется из равенства:

. (56.4)

Полное отклонение на экране, расположенном в области, за пределами поля, определяется равенством:

DУ= (57.4)

С учетом ускоряющего потенциала для скоростей много меньших чем скорость света:

. (58.4)

Из указанных равенств следует, что отклонение частицы зависит от отношения её заряда к массе (удельного заряда). В этом и заключается фундаментальное различие между магнитными и электростатическими отклоняющими системами.

а б

Рис.27.4. Магнитные катушки (дефлекторы) для отклонения (сканирования) электронных пучков: а) - седловая, б) - тороидальная.

Разброс величины отношений q/m представляет собой серьезное препятствие только в том случае, когда требуется отклонить пучок различных ионов одной и той же системы. С другой стороны магнитное поле может быть использовано для разделения частиц по массе. В этом случае эффективность отклонения в магнитном поле определяется отношением DУ/B и может быть увеличена уменьшением ускоряющего напряжения. Основное применение магнитных отклоняющих систем нашло при создании растровых разверток позволяющих создавать сканирующие электронные пучки. Обычно для сканирования используют два типа дефлекторов магнитных катушек (рис. 26.5,а,б), приближённые выражения для компонент вектора индукции магнитного поля даются следующими равенствами:

B_x≈−m₀W₁(z), (59.4)

B_y≈−m₀w₁(z), (60.4)

B_z≈−m₀[ (z)x+ (y), (61.4)]

где m_о=4 *10^-7Гн/м магнитная постоянная; W(z) и w(z) функции для магнитного скалярного потенциала. Данные выражения справедливы в окрестности оптической оси. Для больших отклонений потребуется включить большее количество членов. Поскольку пучок распространяется в основном вдоль оптической оси z, то компонента В_х отвечает за отклонение в направлении оси у, а компонента В_у обеспечивает отклонение в направлении оси х.

Рис. 28.4. Схема устройства простейшей электронно-лучевой трубки с магнитным управлением лучом.

На рис. 28.4 показана схема устройства электронного прожектора с фокусировкой электронного пучка с помощью короткой магнитной линзы (ФК) и отклоняющими магнитными катушками (ОК). В данном прожекторе роль модулятора и анода выполняет внутреннее графитовое покрытие. Короткофокусная электронно оптическая система создается неоднородным электрическим полем между катодом, модулятором и анодом. При этом анодное напряжение U_а подается непосредственно на графитовое покрытие. Магнитная фокусирующая катушка, надетая на горловину трубки, играет роль длиннофокусной электронно оптической системы.

Чувствительность электронно лучевого прожектора с катушками магнитного отклонения (рис. 28.4) обратно пропорциональна корню квадратному из ускоряющего напряжения (см. формула 58.4), а не напряжению как при электростатическом отклонении. Это позволяет с помощью большого анодного напряжения получить очень яркое светящееся пятно при относительно небольшой потере чувствительности трубки. Отсутствие отклоняющих пластин в этих трубках позволяет получить больший угол отклонения электронного луча (2 =110^о).

Следует отметить, что отклоняющие магнитные катушки потребляют мощность. Это существенный недостаток электронно-лучевых трубок с магнитным управлением электронного пучка. Они малопригодны для исследования периодических процессов и получения осциллограмм, так как необходимо создавать ток, протекающий по индуктивному сопротивлению Y – катушек, прямо пропорциональной анализируемой физической величине. Это же предопределяет и худшие частотные свойства электронных прожекторов с магнитным управлением пучка. Они обычно используются в устройствах, имеющих строго постоянный закон движения светящегося пятна по экрану.

Глава 5

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ.

Электронно-лучевыми приборами называются электровакуумные приборы, действие которых основано на формировании и управлении по интенсивности и положению одним или более электронными пучками. Несмотря на большое разнообразие электронно-лучевых приборов, как по устройству, так и по назначению, между ними есть много общего. Любой электронно лучевой прибор всегда содержит три основных элемента: электронный прожектор, формирующий электронный пучок или луч, отклоняющую систему и приемник электронов – экран или систему электродов электронного коммутатора. Если в основу классификации электронно лучевых приборов положить наиболее существенный преобразовательный признак, то все эти приборы можно разделить на четыре группы:

1. Приборы, преобразующие электрический сигнал в изображение - приемные электронно лучевые трубки; индикаторные и осциллографические трубки; кинескопы и др.

2. Приборы, преобразующие изображение в электрический сигнал - передающие электронно-лучевые трубки.

3. Приборы, преобразующие электрический сигнал в электрический -потенциалоскопы, электронно лучевые коммутаторы.

4. Приборы, преобразующие невидимое изображение в видимое – электронно оптические преобразователи (приборы ночного видения) и электронные микроскопы с высокой разрешающей способностью.

5. В последние годы получили значительное развитие и применение электронно-лучевая техника и технология - комплекс средств, обеспечивающих получение и эффективное использование электронных пучков для проведения различных технологических операций. Электронно-лучевая технология в основном базируется на преобразовании энергии электронных пучков в тепловую энергию обрабатываемого объекта. Достоинства электронно-лучевого метода нагрева и соответствующей аппаратуры состоят в высоком КПД преобразования электрической энергии в энергию пучка ускоренных электронов, в большой эффективности преобразования этой энергии в тепловую, в возможности достижения высокой плотности мощности на объекте, в гибкости управления электронным пучком электромагнитными полями. Благодаря этому обеспечиваются высокое качество обработки и широкие возможности автоматизации электронно-лучевых технологических процессов.

В настоящей главе рассматриваются только приборы принцип действия, которых построен на использовании низкоточных электронных пушках. Устройство и работа приборов с высокоточными пушками для обеспечения различных технологических процессов выходит за рамки настоящего пособия.

1.5. Кинескопы.

Кинескопыприменяются в телевизорах для воспроизведения подвижных изображений. Современные кинескопы имеют электростатическую фокусировку и магнитное отклонение луча. Через отклоняющие катушки пропускают токи пилообразной формы (рис. 1.5,а ), вследствие чего на экране высвечивается телевизионный растр (рис. 1.5,б). Один законченный цикл высвечивания называется кадром. Отклонение луча по горизонтали называется строчной разверткой. По принятому в нашей стране стандарту кадр содержит 625 строк. Отклонение луча по вертикали называется кадровой разверткой (25 кадров в секунду). Кратковременность воздействия электронного луча на отдельные точки экрана должна быть скомпенсирована повышенной яркостью светящегося пятна. Это достигается в кинескопе высоким анодным напряжением (U_а=10-15 кВ). Для уменьшения мерцания светящегося растра высвечивание осуществляется через строчку полукадрами в соответствии с временными диаграммами (рис. 1.5,а ).

а б в

Рис.1.5. а). Временные диаграммы токов в отклоняющих магнитных катушках. б). Телевизионный растр (кадр) с изображением. в). Модуляционная характеристика кинескопа.

Основной характеристикой кинескопа является - модуляционная характеристика(рис; 1.5,в). Изменение яркости свечения пятна, вызываемое действием модулятора, на который подается телевизионный сигнал, позволяет получить на экране в процессе развертки луча черно-белое изображение (рис. 1.5,б).

Для того чтобы светлые элементы телевизионного изображения не засвечивали темные, лучами, отраженными от внутренних стенок колбы, и тем самым не ухудшали контрастность, люминофор с внутренней стороны обычно покрывают тонкой пленкой алюминия(рис. 2.5,а). Алюминиевая пленка является прозрачной для электронов луча и не прозрачной для световых лучей, благодаря чему и устраняется засветка экрана светом, рассеянным от стенок баллона и светом, идущим от одних участков полусферического экрана к другим. Кроме того, отражая свет пятна наружу (в сторону зрителя), алюминиевая пленка увеличивает яркость.

Стекло экрана делают дымчатым для поглощения лучей, появляющихся при полном внутреннем отражении от внешней границы стекла, что ослабляет засветку темных участков изображения, расположенных рядом со светлыми.

а б

Рис. 2.5. а). Экран с дымчатым стеклом и алюминиевой защитной пленкой. б). Ионная ловушка.

Для трубок с магнитным отклонением луча большую опасность представляют отрицательные ионы кислорода О^2-, источником которых является оксидный катод. Обладая большой массой и малой скоростью, они отклоняются магнитным полем Хи У катушек значительно слабее электронов и поэтому достаточно быстро разрушают люминофор в центре экрана, образуя так называемое ионное пятно. Для ликвидации этого явления все современные кинескопы снабжаются ионными ловушками. Простейшая конструкция ионной ловушки показана на рис. 2.5,б, где обозначены: К — катод, М— модулятор, Э— ускоряющий электрод, А₁— первый анод. Электронный луч, идущий от катода, направляется под углом 10—15° к оси трубки. Поперечное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, отклоняет пучок электронов и направляет его по оси трубки. При этом ионы, отклоняясь значительно слабее, попадают на стенку и диафрагму первого анода или ускоряющего электрода и не доходят до экрана трубки.

В настоящее время находят широкое применение цветные кинескопы Принцип действия данных кинескопов, основан на особенностях человеческого зрения приспособленного ощущать независимо три цвета: синий, зеленый и красный. Все остальные цвета получаются как результат смешения тех или иных основных трех цветов. Например, желтый цвет получается как результат смешения зеленого и красного цветов в соответствующей пропорции.

Экран цветного кинескопа содержит 117000 групп точек; каждая группа состоит из трех точек (три состава люминофора, светящихся красным, синим и зеленым светом, основные цвета, в совокупности, дающие белый свет). Перед экраном стоит диафрагма (теневая маска) с таким же числом отверстий – по одному отверстию перед каждой группой. В цветном кинескопе три электронных прожектора, но отклонение всех трех лучей производится одной отклоняющей

Рис.3.5. Фрагмент экрана цветного кинескопа с теневой маской.

системой. При этом в пространстве лучи ориентируются так, чтобы их пересечение происходило в плоскости теневой маски, и каждый из них попадал на точку люминофора своего цвета (рис. 3.5). Цветной телевизионный сигнал в приемнике разделяется на три сигнала, поступающих на модулятор прожекторов соответствующих электронных лучей, воспроизводящих на экране свои цвета, которые смешиваясь, дают цветное изображение, по качеству не уступающего цветному кино.

2.5 Электронно-оптический преобразователь.

(Усилитель света).

Схема устройства данного электровакуумного прибора была предложена в начале тридцатых годов прошлого столетия. Полупрозрачный фотокатод и флюоресцирующий экран нанесены на донья стаканов (рис.4.5) образующих замкнутый объем в котором создан вакуум. Между фотокатодом и экраном (анодом) прикладывается разность потенциалов в 10-15 кВ. При освещении фотокатода он становится источником фотоэлектронов, которые под действием ускоряющего поля устремляются по направлению к экрану, бомбардируют его и вызывают свечение. Если на поверхность фотокатода спроецировано изображение, какого либо предмета, то фотоэлектронная эмиссия из каждой точки катода будет пропорциональна его освещённости. Возникшее электронное изображение будет находиться в строгом соответствии с распределением света и тени на фотокатоде и после перенесения на экран вновь превратится в световое изображение. Однако качество изображения на экране по контрастности, и разрешению будет существенно хуже первичного изображения на фотокатоде по следующей причине.

Разрешающая сила картины, получаемой на экране, оказывается ограниченной из-за действия хроматической аберрации. Разброс в начальных скоростях электронов в соответствии с уравнением Эйнштейна для фотоэффекта достигает в видимой области спектра 0,5-1,0 эВ; в результате точечный источник элек-

Рис.4.5. Схематическое изображение простейшего

электронно-оптического преобразователя.

тронов на фотокатоде изобразится в виде пятнышка на экране. Траектории электронов в однородном поле представляют собой параболы, и простой расчет приводит к формуле для диаметра кружка:

, (1.5)

где l – расстояние между фотокатодом и экраном; U₀ – разность потенциалов, отвечающая разбросу в тангенциальных значениях скорости, U – ускоряющая

разность потенциалов. При l=1cм, U₀=1В и U=10⁴В точка фотокатода на экране изобразится в виде пятна диаметром 0,4мм, т. е. изображение, проецируемое на фотокатод, будет размытым. Следовательно, использование такого прибора для практических целей нецелесообразно.

Однако, если в данном приборе провести электронно-оптическую фокусировку даже однородным полем, то диаметр кружка размытия определится из равенства:

, (2.5)

где Е₀-напряженность электрического поля вблизи катода. При реально возможных значениях U₀=1B и E₀=10⁴ В/см величина d=0,001мм. В этом случае разрешающая сила прибора оказывается ограниченной только зернистостью экрана и другими факторами, не связанными с электронно-оптическими эффектами.

Принципиальная схема электронно оптического преобразователя с системой электродов (электростатических линз) позволяющих уменьшить изображение, приведена на рис. 5.5. Наибольшая ценность данного прибора проявляется в возможности получения изображения проецируемого на фотокатод в инфракрасном свете – невидимое глазом изображение будет наблюдаться на экране в виде светящейся картины. Яркость изображения возрастает с увеличением плотности электронного тока, которая пропорциональна квадрату линейного уменьшения. Кажущиеся размеры картины на экране можно снова увеличить до исходных размеров с помощью обычной оптики без существенной потери в яркости. Другая возможность состоит в том, что промежуточное электронное изображение можно с большим удобством, чем оптическое подвергать быстрой развертке, что очень важно в телевизионной технике.

Рис. 5.5. Электронно-оптический преобразователь с уменьшением изображения.

Наконец промежуточное электронное изображение может быть усилено, что открывает перспективы усиления яркости светового изображения, т.е. дает решение задачи, принципиально не разрешимой в рамках обычной оптики.

Несравненно большее усиление яркости может быть получено в каскадных системах «контактного типа» рис. 6.5. В данном приборе изображение проецируемое на фотокатод К₁переносится на экран М₁ с помощью первой электронной линзы. Оптическое изображение, возникающее на экране М₁, создает электронное изображение на катоде К₂, который находится с ним в оптическом контакте.

a б

Рис. 6.5. а). Элемент каскадного усилителя света. б). Трехкаскадный усилитель света. К₁,К₂,К₃-полупрозрачные фотокатоды; М₁,М₂,М₃-полупрозрачные экраны.

Предположим, что чувствительность фотокатода составляет a ампер на люмен, светоотдача экрана - b люменов на ватт и ускоряющая разность потенциалов, приложенная между фотокатодом и экраном U вольт. Если приходящий на элемент (рис.6.5,а) электронный ток равен i₁, а уходящий – i₂, то усиление имеет место при условии i₁/i₂>1. Но поскольку i₂=abi₁U, то усиление на элементе будет только в случае abU>1. Для количественной оценки усиления света на одном каскаде примем: для хорошего сурьмяно-цезиевого фотокатода величину a=4´10^-5А/лм, для полупрозрачного экрана величину b=20 лм/вт. Тогда увеличение интенсивности будет достигнуто при ускоряющем напряжении U³2,5кВ, а например при 20кВ на каждом каскаде, общее усиление, в приборе, изображенном на рис. 6.5,б должно быть порядка 8³≈500 (в приборе три каскада усиления: два промежуточных и один образуемый первичным катодом К₁ и конечным экраном М₂).

Дата добавления: 2017-01-14