Получение свободных электронов

Свободный, не связанный с атомом, электрон образуется при сообщении атому вещества некоторого избыточного количества энергии, в процессе поглощения которой электрон переходит на более удаленную от ядра орбиту и может при этом потерять связь с атомным ядром. В настоящее время в ЭЛУ для получения свободных электронов могут применяться различные физические принципы.

Термоэлектронная хмиссия. В основном в технологических ЭЛУ для получения свободных электронов используется явление испускания электронов твердыми телами при их нагреве выше определенной температуры. Подогрев катодов осуществляется либо прямым протеканием гока (прямонакальные катоды), либо электронной бомбардировкой.

Прямонакальные катоды изготавливают из тугоплавких металлов вольфрама и тантала. Катоды косвенного подогрева имеют форму «таблетки» и производятся из гексаборида лантана LaB₆(pnc. 2.4).

Рабочая температура вольфрамовых катодов лежит в интервале от 2200 до 3000 К, у танталовых — от 2200 до 2800 К. К основным преимуществам термокатодов относится высокая стабильность эмиссионных характеристик и возможность регулирования тока эмиссии посредством изменения тока накала или тока бомбардировки. В качестве недостатка следует отметить тот факт, что катоды имеют ограниченный срок службы вследствие теплового, химического разрушения, а также вследствие действия ионной бомбардировки.

Рис. 2.4. Термокатоды электронных пушек:

а — ленточные катоды из вольфрамовой фольги; б — спиральный подогреватель из вольфрамовой проволоки; в — катодный узел с катодом из гексаборида

лантана

Подогрев катода электронной бомбардировкой осуществляется при помощи системы, напоминающей вакуумный диод (рис. 2.5). Между вспомогательным катодом прямого накала ВК (чаще всего спиральным) и основным катодом ОК прикладывается разность потенциалов, ускоряющая эмитированные электроны в направлении основного катода. Электроны бомбардируют катод, разогревая его до требуемой температуры. Ток бомбардировки стабилизируют.

Рис. 2.5. Схема подогрева катода электронной бомбардировкой:

В К — вспомогательный катод (вольфрамовая проволочная спираль);

ОК — основной катод (гексаборид лантана); 1_н — ток накала вспомогательного катода (10—20 А), 1₆ — ток бомбардировки (20—100 мА); напряжение бомбардировки от 0,5 до 3 кВ

Схема с электронной бомбардировкой применяется в тех случаях, когда требуется получение электронных пучков большой мощности (более 15 кВт). Применение этой схемы позволяет избежать необходимости передачи больших токов накала через кабели высокого напряжения. Рабочая температура у гексаборидлантановых катодов ниже, чем у вольфрамовых и танталовых, и составляет 1600—1900 К. К основным недостаткам схемы с электронной бомбардировкой можно отнести более сложную конструкцию катодного узла пушки и наличие дополнительного стабилизированного источника питания в цепи бомбардировки. Обеспечение неизменной температуры основного катода осложнено тем, что в процессе работы основной катод подогревает вспомогательный за счет излучения, а эмиссионные характеристики обоих катодов изменяются из-за термохимического разрушения спирали и «таблетки».

Температура катода определяет величину тока эмиссии, и величину максимального тока пучка. В режиме насыщения ток электронного пучка, как уже отмечалось, может определяться по закону РичардсонаДэшмана

где А — эмиссионная постоянная Ричардсона, зависящая от свойств материала и состояния его поверхности, А/(м² К²), е<�р — работа выхода электрона для данного материала, Дж, Т — температура, К, к — постоянная Больцмана, Дж/К. Закон Ричардсона-Дэшмана позволяет рассчитать плотность тока эмиссии при условии, что напряженность электрического поля у поверхности эмиссии достаточна для того, чтобы удалить от нее все эмитировавшие электроны.

Зависимость j_e(T) для вольфрама приведена на рисунке 2.6.

Температура катода определяет не только величину тока электронов в режиме насыщения, но и их начальную энергию. Обычно среднюю начальную энергию термоэлектронов определяют по выражению.

где А: — постоянная Больцмана, Дж/К, Т — температура катода, К. Из-за неоднородности структуры эмиттера возникает разброс по начальным энергиям и углам вылета электронов. Распределение начальных скоростей по поверхности приводит к увеличению поперечных размеров электронного пучка в плоскости кроссовера и соответственно, на изделии. Этот факт необходимо принимать во внимание при проектировании технологических электронных пушек. Методики расчета катодов.

Рис. 2.6. Зависимость плотности тока эмиссии от температуры в режиме насыщения для вольфрама.

Эмиссия электронов из плазмы. Электронная пушка с плазменным эмиттером содержит газоразрядное устройство, в котором генерируется плазма и создаются условия для выхода электронов в вакуум или газ низкого давления (рис. 2.7). Разрядная камера, в которой напряжение, приложенное к электродам, составляет 0,3—0,5 кВ, помещается в магнитное поле со средним значением индукции на оси системы 0,05—0,1 Тл. Под действием магнитного поля траектории электронов в плазме искривляются, а их путь удлиняется, что обеспечивает повышение эффективности ионизации рабочего газа. В дополнительном электроде (эмиттерном катоде) имеется эмиссионный канал, через который происходит отбор электронов. Эмиссионный канал располагается на оси разрядной камеры в области максимальной концентрации плазмы. Высокая концентрация плазмы позволяет получать необходимую величину тока электронной пушки при малых размерах эмиссионного канала.

Для осуществления эмиссии элеюронов между эмиттерным катодом и ускоряющим электродом прикладывается напряжение, создающее ускоряющее электрическое поле.

Основным преимуществом газоразрядных катодов является высокий срок службы электродных систем, имеющих значительно более низкую рабочую температуру. Главным недостатком является необходимость стабилизации давления рабочих газов в разрядной камере, что достигается установкой автоматических регуляторов газового потока — технически сложных устройств, обладающих высокой инерционностью.

Рис. 2.7. Схема электронной пушки с плазменным источником электронов:

1 — полый катод; 2 — анод; 3 — постоянный магнит; 4 — эмиттерный катод; 5 — эмиссионный канал; 6 —ускоряющий электрод (основной анод)

регулирования. Вторичные процессы в плазме приводят к появлению высокочастотного «шума», который накладывается на ток пучка. Это обстоятельство затрудняет контроль параметров процесса обработки.

Автоэлектронная эмиссия. Если повысить напряженность поля вблизи катода до 10⁸ В/м, то для большинства металлов электроны можно будет извлекать из «холодного» катода посредством автоэлектронной эмиссии. Плотность тока при этом может достигать значения 100 А/см². Если создать такую напряженность поля вблизи нагретой поверхности, то происходит «наложение» эффектов термоэмиссии и автоэмиссии. Автоэмиссионные катоды имеют форму иглы или конуса и широко применяются в исследовательских приборах и установках для микросварки с малыми токами пучка (до 1 мА), однако не находят применения в установках средней и высокой мощности.