Ускорение электронов и формирование протяженного пучка

Для ускорения эмитируемых катодом пушки электронов и формирования протяженных узких электронных пучков, часто называемых в литературе лучами, применяют электрические поля. Известно, что на электрон в электрическом поле с напряженностью Ё действует сила.

где Ё — вектор напряженности поля, определяемый в каждой точке пространства градиентом электрического потенциала,.

Сила Fy при действии поля на электрон будет направлена противоположно вектору напряженности, то есть электрон будет ускоряться в направлении увеличения потенциала. Представим, что поле существует на некотором расстоянии от катода — на отрезке между точками 1 и 2. Тогда и ускорение частиц будет происходить только на этом отрезке.

где т_з — масса электрона, dv — приращение скорости электрона, dl — приращение пути. Выполнив подстановку dl = vdt и проинтегрировав выражение (2.5), получим:

Ьсли допустить, что электрон стартует с катода с нулевой скоростью, и принять, что разность потенциалов U-U_] равна U, то можно записать:

Выражение (2.7) (также приведенное в главе 1, но без подробного вывода) показывает, что кинетическая энергия, приобретенная электроном в области пространства, где существует градиент электрического потенциала, пропорциональна приложенной разности потенциалов и не зависит от протяженности поля или локальных значений напряженности. Исключением здесь может являться только прикатодная область, если вблизи нее действует запирающее поле, или собственный заряд частиц, препятствующий ускорению электронов. В этом случае для формирования пучка в прикатодной области необходимо создать некоторую минимальную напряженность электрического поля.

Область пространства, в которой происходит ускорение частиц, называется ускоряющим промежутком, а напряжение U> приложенное между катодом и анодом, —ускоряющими напряжением. Область, в которой электроны движутся по инерции и где отсутствует градиент потенциала, называют пространством дрейфа.

В электронной оптике принято измерять энергию частиц в электронвольтах. Так как один электрон-вольт равен 1,6 -10~¹⁹ Дж, то получается, что энергия, приобретаемая электронами на ускоряющем промежутке, численно равна приложенному к промежутку ускоряющему напряжению в вольтах.

Система, состоящая из подо1реваемого катода и анода, представляющая собой вакуумный диод, показана на рис. 2.8, а. При увеличении анодного (ускоряющего) напряжения диода, анодный ток /_А возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения (рис. 2.8, б). Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению тока пучка. Максимально достижимый ток вакуумного диода ограничен током термоэлектронной эмиссии, плотность которого описывается законом Ричардсона-Дэшмана (см. формулу (2.1)). Превысить этот ток можно, повысив температуру катода (на рис. 2.8 показан случай увеличения анодного тока при изменении напряжения наката от U_m до U_m).

Рис. 2.8. Схема (а) и волы амперная характеристика (б) вакуумною диода В случае если напряженность поля недостаточна для удаления с катода всех эмитированных электронов, происходит ограничение анодного тока полем пространственного заряда электронов. Плотность тока эмиссии ограниченного пространственным зарядом, пропорциональна анодному напряжению в степени ³/₂ и определяется по закону Чай лда-Л енгм юра:

где G — коэффициент, зависящий от геометрии электродов, м~². Для простейшего случая плоскопараллельных электродов G = I//², где / — расстояние анод—катод.

Пример вакуумного диода показывает, что ток электронного пучка можно регулировать путем изменения как анодного напряжения, так и температуры катода.