Электронные пучки большого сечения - Бугаев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
28
насосом и 3 — 5 ч — магниторазрядным. В источнике электронов, генерирующем ПБС [14], распределительный катод при температуре 1000 — 1250°С и сроке службы 1000 ч обеспечивал плотность тока эмиссии 2 А/см2, которая зависела от давления в камере источника. Чувствительность распределительных катодов к вакуумным условиям является основным их недостатком. Однако высокая их эффективность стимулирует как исследования по разработке активаторов, так и применение катодов в различных устройствах.
При исследовании ионного источника [15] было показано, что распределительный катод позволяет в непрерывном режиме получать плотность тока 5 А/см2 в течение 2000 ч при работе в среде аргона. Катод восстанавливал эмиссионные свойства после длительного пребывания на воздухе. Небольшая потребляемая мощность и высокая эффективность делают распределительные катоды перспективными в источниках электронов для получения ПБС.
2.2. ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ИСТОЧНИКАХ С ОДНОЭЛЕМЕНТНЫМИ КАТОДАМИ
В источниках с одноэлементными катодами используются две схемы формирования ПБС. По первой схеме электронно-оптическая система формирует узкий пучок, эмиттируемый протяженным катодом с малой эмиссионной поверхностью. Расширение электронного пучка в поперечном направлении до требуемого размера осуществляется в ускоряющем промежутке и в пространстве дрейфа. Получение широкого пучка требует увеличения габаритов источника из-за увеличения протяженности дрейфа или отклонения падения электронов на фольгу выводного окна от перпендикулярного направления, поэтому обычно поперечный размер пучка, генерируемого в источниках с одноэлементными катодами, не превышает 10 см. По второй схеме в пространстве формирования, отделенном от ускоряющего поля экранной сеткой, поток формируется до требуемых размеров* и с необходимым распределением плотности тока, а затем ускоряется параллельным потоком перпендикулярно фольге.
На рис. 2.1 представлена типичная конфигурация электродной системы цилиндрической формы, в которой первоначальное формирование пучка осуществляется пушкой Пирса, образованной катодом 1, прикатодным электродом 2 и анодом 3. В таких системах наблюдается зависимость распределения плотности тока в сечении пучка от мощности накала катода. Эта зависимость связана с изменением электронно-оптических свойств электродной системы при изменении режима работы катода. Если катод работает в режиме ограничения тока пространственным зарядом, то пушка Пирса в пространстве катод—анод формирует параллельный ленточный пучок. Входной край щели можно рассматривать как дефокусирующую линзу с фокусным расстоянием
f= 2Ф о/(E1 -E2), (2.1)
где Ф0 — потенциал анода; E2, Ei — напряженности электрического поля в пространствах предмета и изображения. Если глубина щели достаточно большая и проникновение поля из пространств ускорения и предметного
невелико, то E2 =0. В пространстве предмета в области, занятой пучком,
Ei = - (4/3) Ф0ld, (2.2)
29
Рис. 2.2. К расчету пушки Пирса, работающей в режиме ограничения тока пространственным зарядом (а) и в режиме насыщения {б)
поэтому фокусное расстояние f = — (3/2) d. Тогда можно считать (рис. 2.2,а), что электроны эмиттируются из мнимого нитевидного катода, расположенного на расстоянии (3/2) d от анода. Если общую ось эяектродной системы совместить с этим катодом, то электроны в ускоряющем промежутке между электродом и корпусом камеры будут двигаться по радиальным линиям, и распределение плотности тока по сечению пучка будет определяться только равномерностью эмиссии катода. В случае работы катода в режиме насыщения, когда влиянием пространственного заряда на движение электронов в пространстве между катодом и анодом можно пренебречь, фокусное расстояние щелевой диафрагмы f = — Ad. С учетом тепловых скоростей электронов, эмиттируемых термокатодом, положение мнимого катода определяется из выражения
Mv +MU=Mf (2.3)
и равно — (4/3) d при расстоянии до действительного катода, равном d. Таким образом, изменение режима работы катода приводит к изменению угловой расходимости пучка, поступающего в ускоряющий зазор, и к изменению распределения плотности тока вдоль малой оси сечения пучка. Кроме того, при работе катода в режиме насыщения локальные неоднородности эмиссии оказывают влияние на распределение плотности тока в большей степени, чем в режиме пространственного заряда. Для предотвращения проникновения поля в область предварительного формирования пучка со стороны ускоряющего зазора устанавливается экранирующая сетка или решетка [16].
По аналогичной схеме (рис. 2.3) разработана серия электронных источников с одноэлементным катодом для промышленного применения [17]. Предварительное формирование пучка в них осуществляется в пушке Пирса, а затем пучок расширяется в радиальном электрическом поле между цилиндрическим высоковольтным электродом и корпусом вакуумной камеры. При необходимости дальнейшее расши рение пучка осуществляется в эквипотенциальном дрейфовом пространстве.
Распределительный ленточный катод шириной 1 см обеспечивает в непрерывном режиме плотность тока эмиссии 2 А/см2 при рабочей температуре 1250°С и давлении 10”4 Па. Измеренная в вакуумной камере неравномерность распределения плот-
