какие есть способы управления электронными пучками

§ 3.14. Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка

Электронные пучки представляют собой направленные потоки быстро движущихся электронов; поперечные размеры пучков обычно значительно меньше их длины. Электронные пучки впервые были обнаружены в газовом разряде, происходящем при пониженном давлении: наблюдались слабое голубое свечение вдоль оси газоразрядной трубки и флуоресценция стеклянных стенок трубки, которые объяснялись воздействием так называемых к а- тодных лучей (опыты английского физика У. Крукса). Дальнейшие исследования привели к открытию электрона (английский физик Дж. Томсон, 1897 г.), а сами лучи были отождествлены с потоками электронов.

В настоящее время электронные пучки образуются в электронно-вакуумных приборах, использующих явление термоэлектронной эмиссии. Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Количеством электронов в пучке можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал. Электронные пучки имеют ряд свойств, благодаря которым они находят широкое практическое применение.

Свойства электронных пучков и их применение

Электронные пучки обладают энергией. Попадая на тела, они вызывают их нагревание. В современной технике это свойство используют для электронной плавки сверхчистых металлов в вакууме.

При попадании на пластинку из металла большой плотности (вольфрама, платины) электронные пучки тормозятся, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Это свойство используют в рентгеновских трубках, о чем будет рассказано в дальнейшем.

Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. В настоящее время среди материалов этого типа (люминофоров) применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка.

Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами заряженного конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 3.39).

Электронные пучки отклоняются также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным полюсом —^вправо (рис. 3.40). Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния) наблюдается только у полюсов.

Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение под действием пучка покрытого люминофором экрана находит применение в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка

Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 3.41. Трубка представляет собой вакуумный баллон, изготовленный в виде колбы, расширенной с одной стороны. Расширенное дно колбы покрыто люминофором и образует экран трубки. В узком конце трубки помещен источник быстрых электронов — электронная пушка (рис. 3.42). Она состоит из накаливаемого оксидного катода К и трех коаксиальных цилиндров: управляющего электрода (сетки) М, первого анода А₁ и второго анода А₂.

Каждый анод состоит из дисков с небольшими отверстиями, вставленных в металлический цилиндр. Потенциал первого анода положителен относительно катода, а потенциал второго анода положителен относительно первого анода. Электрические поля между электродом М и анодом А₁, а также между анодами А₁ и А₂, ускоряющие электроны, показаны на рисунке 3.42 при помощи эквипотенциальных поверхностей. Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов происходила и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади его поперечного сечения. На экране, в том месте, куда попадает электронный пучок (узко сфокусированный электронный пучок иногда называют электронным лучом), возникает свечение.

После электронной пушки сфокусированный электронный пучок на пути к экрану проходит последовательно между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора. Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении. Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении.

Малая масса электронов в электронном пучке обеспечивает малую инерционность электронно-лучевой трубки: электронный пучок практически мгновенно реагирует на изменение напряжения на управляющих пластинах. На этом свойстве электронных пучков основано использование электронно-лучевой трубки в электронном осциллографе* — приборе, который применяется для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях.

* От лат. oscillo — качаюсь и греч. grápho‾ — пишу.

В электронно-лучевой трубке, применяемой в телевизоре (так называемом кинескопе), управление электронным пучком осуществляется с помощью магнитного поля. Это поле создают катушки, надетые на горловину трубки.

Дисплей

Широкое применение имеют электронно-лучевые трубки в присоединяемых к электронно-вычислительным машинам (ЭВМ) устройствах — дисплеях. На экран дисплея, подобный экрану телевизора, поступает информация, записанная и переработанная ЭВМ. Можно непосредственно видеть текст на любом языке, графики различных процессов, изображения реальных объектов, а также воображаемые объекты, подчиняющиеся законам, записанным в программе ЭВМ.

Источник

Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка

Урок 78. Физика 10 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка»

Напомним, что не так давно мы изучили электрический ток в вакууме и познакомились с таким прибором, как вакуумный диод. В вакуумном диоде есть два электрода: катод и анод. В результате нагревания катода, вокруг него образуется электронное облако, и мы наблюдаем явление термоэлектронной эмиссии. Как мы помним, если подключить анод к положительному полюсу источника, а катод — к отрицательному, то мы получим электрический ток. Как вы понимаете, если в аноде сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, будут пролетать в это отверстие.

Длина потока электронов, пролетающих в это отверстие, будет значительно больше, чем толщина этого потока. Именно такой поток электронов называется электронным пучком. Итак, электронный пучок — это поток электронов, длина которого гораздо больше, чем толщина.

Устройство, создающее электронные пучки называется электронной пушкой. То есть, электронная пушка — это устройство для получения электронных пучков с заданной кинетической энергией и заданной конфигурацией.

Количество электронов можно контролировать, поместив третий электрод между катодом и анодом, и изменяя его потенциал.

Рассмотрим свойства электронных пучков. Конечно же, электронный пучок обладает определенной энергией, поэтому, попадание электронного пучка на то или иное вещество вызывает нагревание. Это свойство широко используется для сварки чистых материалов (например, полупроводников). В определенных случаях, попадание примесей в данное вещество недопустимо, поэтому сварка осуществляется с помощью электронных пучков.

Еще одно свойство электронных пучков — это то, что при их торможении на металлах образуется рентгеновское излучение. Данное явление впервые было открыто Вильгельмом Рентгеном в 1895 году. Работая в лаборатории, Рентген по некоторым наблюдениям обнаружил, что из катодной трубки исходит неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные материалы. Сегодня почти все слышали о рентгеновском излучении, и, как вы знаете, это излучение широко используется в медицине.

Помимо перечисленных свойств, следует отметить, что некоторые вещества начинают светиться при попадании на них электронных пучков. Такие вещества называются люминофорами. Наконец, нельзя не отметить, что электронные пучки, конечно же, отклоняются под действием электрических и магнитных полей. Проходя между двумя разноименно заряженными пластинами, электроны начинают отталкиваться от отрицательно заряженной пластины и притягиваться к положительно заряженной пластине.

Это приводит к отклонению всего электронного пучка. Аналогично, пролетая над южным магнитным полюсом, электроны отклоняются вправо, а пролетая над северным — отклоняются влево. Наиболее ярким примером этого свойства, являются полярные сияния. Солнце постоянно испускает потоки различных частиц (в том числе и электронные пучки) которые отклоняются магнитным полем Земли. Это приводит к тому, что все эти частицы скапливаются у полюсов, вызывая свечение газов в верхних слоях атмосферы.

Большинство из свойств электронных пучков используется для создания электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевая трубка используется в кинескопных телевизорах, а также в работе осциллографа — прибора для регистрации тех или иных сигналов в электрических цепях.

Электронно-лучевая трубка представляет собой вакуумный баллон. Широкая стенка этого баллона служит экраном. В узком конце трубки располагается электронная пушка.

Нагретый катод испускает электроны, число которых регулируется управляющим электродом. В целях безопасности, катод окружен теплозащитным слоем. Также, в электронной пушке присутствуют два анода.

Между первым анодом и катодом создается высокое напряжение, в результате чего электроны достигают довольно большой скорости под действием сильного электрического поля. Второй анод служит для фокусировки электронного пучка, то есть для уменьшения площади поперечного сечения этого пучка. Далее располагаются две пары пластин, с помощью которых можно задавать направление электронных пучков. Пара пластин, расположенных вертикально позволяет отклонить пучок вправо или влево (в зависимости от того, на какой пластине будет располагаться положительный потенциал). Аналогично, с помощью пары пластин, расположенных горизонтально, можно отклонять пучок вверх или вниз (опять же, в зависимости от того, на какой пластине будет положительный потенциал). Подобным способом можно направлять электронные пучки, используя магнитные поля. На экран наносятся люминофоры, которые реагируют на попадание электронных пучков. В электронно-лучевой трубке для цветных телевизоров содержится три электронных пушки, а экран представляет собой мозаичную структуру трех типов люминофоров, каждый из которых светится либо красным, либо зеленым, либо синим цветом.

То есть, направляя электронные пучки определенным образом, можно возбуждать люминофоры в тех или иных точках экрана, заставляя их светится. Конечно, для человеческого глаза изображение возникает мгновенно, поскольку электроны двигаются с огромной скоростью.

Источник

Какие есть способы управления электронными пучками. Электронные пучки

Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конден­сатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 177).

Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, элект­роны отклоняются влево, а проле­тая над южным, отклоняются впра­во (рис. 178). Отклонение электрон­ных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния) наблюдается только у полюсов.

Возможность управления элект­ронным пучком с помощью электри­ческого или магнитного полей и све­чение покрытого люминофором эк­рана под действием пучка применя­ют в электронно-лучевой трубке.

На пути к экрану пучок после­довательно проходит между двумя парами управляющих пластин, по­добных пластинам плоского конден­сатора (см. рис. 180). Если электри­ческого поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящая­ся точка располагается в центре эк­рана. При сообщении разности по­тенциалов вертикально расположен­ным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов го­ризонтальным пластинам он смеща­ется в вертикальном направлении.

Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса элект­ронов очень мала, то они почти мгно­венно реагируют на изменение раз­ности потенциалов управляющих пластин.

U к. Электроны, эмитированные катодом, в начале своего пути направляют через протяженную область с низким градиентом потенциала и только затем ускоряют до энергии E=eU к и производят ими ионизацию газа. Поскольку вставку с диэлектрическими каналами заряжают до потенциала примерно соответствующего потенциалу катода, то ускоряющее поле существенно только в диэлектрических каналах. Поэтому образование ионов и вторичных электронов происходит преимущественно в этих каналах и в дрейфовом пространстве за анодом. Вследствие эффективного протекания процессов амбиполярной диффузии они рекомбинируют на стенках каналов и на катоде, не вызывая переноса тока между катодом и анодом. Быстрые ионы, рожденные в области высокого градиента потенциала, расположенной за эквипотенциальной поверхностью АВ, рассеивают свою энергию в упругих соударениях с атомами рабочего газа и также теряют свою способность векторно переносить ток на катод. В итоге подавляющую часть тока в камере переносят электроны пучка. Для оптимального выбора интервала напряжения были построены зависимости изменения эффективности формирования электронного пучка от подаваемого напряжения (как при подаче напряжения в непрерывном режиме, так и в импульсном), например, при вариации его от 450 В до 4 кВ (фиг.2, кривые 10 и 11, непрерывный режим подачи напряжения). Оптимальный интервал значений подаваемого напряжения как в непрерывном, так и в импульсном режиме составил 1,510 кВ. При изменении напряжения горения от зажигания U

1200 В значения эффективности формирования электронного пучка постепенно повышаются до

5 кВ значения напряжения настолько велики, что электроны переходят в режим ускорения во всем разрядном промежутке между катодом и анодом, а не только в области вблизи эквипотенциальной поверхности АВ. Поэтому в основном они производят ионизацию внутри диэлектрических каналов кварцевой вставки и в области дрейфового пространства. Вследствие развитости боковой структуры диэлектрических каналов вставки, ионы и вторичные электроны, рожденные там, гибнут на стенках в результате процессов амбиполярной диффузии, что уменьшает приток ионов в прикатодную область и вызывает ослабление ионного тока на катод, а также компенсирующего его электронного тока на анод. Все это приводит к увеличению эффективности формирования электронного пучка до величины

99,5% при значении тока электронов I е

1520 мА. В этом интервале варьирования значения напряжения реализуются оптимальные условия формирования электронного пучка по заявляемому способу. Превышение электронного тока над ионным достигает фактора I е /I i =200, что значительно выше, чем в известном способе. В таком же соотношении уменьшается и скорость распыления катода. При миллисекундных импульсах возбуждения, когда разогрев газа и его вытеснение из камеры меньше, значение еще выше и достигает значения равного 99,8% или более, значение фактора I e /I i =500. При более высоких напряжениях, чем значения рассмотренного интервала, ионы, ускоренные в зоне за эквипотенциальной поверхностью АВ, приобретают настолько большую энергию, что уже могут «пробить» протяженную область с низким градиентом потенциала и достигнуть катода, что приводит в данном случае к постепенному снижению эффективности формирования электронного пучка при I е

20 мА и более и в зависимости от давления газа в разрядной камере при подаваемом напряжении U от 4 до 5 кВ. При давлении газа в разрядной камере, равном Р=4 Торр, падение эффективности формирования электронного пучка имеет место при подаваемом напряжении 10 кВ. «Пробой» происходит из-за быстрого снижения сечения столкновения иона с атомами газа при увеличении энергии иона. В результате происходит перенос потенциала вглубь протяженной области с низким градиентом потенциала, что уменьшает ее толщину, и, наконец, при U более 5 кВ (I e

100 мА и более) имеет место зажигание аномального разряда и резкое (до

50 эВ, то, в соответствии с соотношением (4), в этом режиме вн = 86,5%. Если геометрическая прозрачность анодной сетки = 85%, то в итоге эффективность формирования электронного пучка в известном способе (А. Р. Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201) составляет всего

Электронный пучок –это направленный поток электронов. Можно, например, получить электронный пучок из электронной лампы. Для этого необходимо сделать в аноде отверстие. Часть электронов ускоренных электрическим полем будут попадать в это отверстие и создавать за анодом электронный пучок. Причем мы сожжем даже управлять количеством электронов в этом пучке. Для этого надо будет поставить между катодом и анодом дополнительный электрод, потенциал которого мы будем изменять.

Основные свойства электронного пучка

Последние три свойства электронного пучка нашли применение в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка

Общий вид и устройство электронно-лучевой трубки представлены на следующем рисунке:

В узком краю ЭЛТ расположена электронная пушка. Она состоит из катода и анода и является источником пучка электронов. В электронной пушке пучок электронов разгоняется до нужной скорости. Помимо этого, в электронной трубке пучок электронов фокусируется таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения была почти точечных размеров.

После того, как пучок вылетает из электронной пушки он последовательно проходит через две пары управляющих пластин. Они способствуют изменению направления пучка. Если на них нет разности потенциалов, то пучок будет направлен в середину экрана. Если мы подадим напряжение на вертикально расположенные пластины, пучок сместится в горизонтальном направлении на некоторый угол. Если мы подадим напряжение на горизонтально расположенные пластины, соответственно, пучок сместится в вертикальном направлении. Таким образом, используя две пары пластин, мы можем добиться смещение луча в любую точку экрана.

Параметры электронных пучков

На рисунке изображена схема источника электронов, пред-

установках. Электроны вытягиваются из катода, если на

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:

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

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).

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

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

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

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.

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

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.

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.

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:

§ непрерывное рентгеновское излучение

§ характеристическое рентгеновское излучение

§ колебания решётки (фононы)

§ электронные колебания (плазмоны)

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.

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.

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

Источник