Оптическая схема электростатического генератора

Иммерсионная линза образуется двумя соосно расположенными цилиндрами или диафрагмами, к которым приложены потенциалы U_] и U₂. С обеих сторон к линзе примыкают области с постоянными потснциалами, причем значения этих потенциалов различны и также равны U_] и U_r Таким образом, ноле вне линзы отсутствует.

Если U_x < U₂y то при прохождении линзы скорость электронов будет увеличиваться (ускоряющая линза), а если ?/, > U_v то скорость электронов будет, наоборот, уменьшаться (тормозящая линза). Иммерсионная линза имеет области положительной и отрицательной второй производной потенциала, т. е. имеет собирающую и рассеивающую части поля. Однако, так как рассеивающую область электрон проходит быстрее, то количество движения, переданное ему в радиальном направлении, к оси оказывается больше, чем от оси. Поэтому иммерсионная линза всегда является собирающей.

Рис. 2.11. Иммерсионная линза.

В технологических электронных пушках катод помещен непосредственно в поле иммерсионной линзы ускоряющего типа, и эта система, как уже отмечалось, называется оптической схемой генератора (см. рис. 2.12). Первой, собирающей диафрагмой линзы, является управляющий электрод (венельт), а второй, рассеивающей и ускоряющей — анод.

Рис. 2.12. Оптическая схема генератора или трехэлектролная электронная пушка:

1 — катод; 2 —управляющий (фокусирующий) электрод; 3 — анод

Используя теорему Лагранжа-Гельмгольца и ограничившись малыми углами (см. выражение 2.31), можно записать:

где г_к — радиус катода (объекта), г_н — радиус промежуточного изображения катода, а, и а₂ — апертурные углы со стороны катода и его изображения, U_xwU₂ — потенциал в прикатодной области и в области изображения (см. рис. 2.12).

Для уменьшения сечения луча в плоскости изображения (г_и) нужно либо уменьшать множители, входящие в числитель, либо наоборот, увеличивать множители, входящие в знаменатель выражения (2.35). Например, уменьшить размер изображения катода можно либо путем уменьшения размеров самого катода, либо путем увеличения разности потенциалов U₂-U_v либо путем изменения соотношения апертурных углов, величина которых связана с линейными размерами объектива.

Естественно, что в реальном случае все электроны покидают катод с различными начальными углами вылета, и так как их начальные скорости не равны нулю (см. соотношение (2.2)), они будут пересекать оптическую ось на различном расстоянии от катода. В результате будет формироваться некоторое минимальное сечение пучка радиусом г_с, совпадающее с плоскостью скрещения траекторий. Более того, прикатодную иммерсионную линзу, имеющую фокусирующий и ускоряющий промежутки, нельзя считать тонкой. В такой линзе потенциал меняется непрерывно на всем интервале ускоряющего промежутка, а траектории частиц будут искривлены, что и показано на рис. 2.12.

Рассматривая фокусировку электронных пучков, необходимо также учитывать собственные заряды электронов, которые создают силы, расталкивающие частицы в пучке. Действие пространственного заряда в пучках удобно характеризовать обобщенной характеристикой, получившей название первеанса:

Исследование электронных пучков показало, что влияние собственного электрического поля пучка начинает заметно сказываться на движении электронов при 10″ ® А/В^3/2. По выражению (2.36) можно определить пороговые значения токов электронного пучка для различных ускоряющих напряжений (см. табл. 2.1).

Таблица 2.1

Максимальные «пороговые» значения тока пучка для различных ускоряющих напряжений, при которых можно не учитывать влияние пространственного заряда

Следует иметь в виду, что формула (2.36) позволяет оценивать действие объемного заряда только в пространстве дрейфа электронов, за пределами ускоряющего промежутка. Для точного моделирования формирования электронных пучков необходимо учитывать расталкивающее действие объемного заряда, особенно сильно влияющее на форму траекторий частиц в прикатодной области. Кроме того, из-за действия собственного заряда на оси пучка вблизи катода формируется область с низким потенциалом, и создаваемое в этой области «тормозящее поле» препятствует движению электронов с катода. Это приводит не только к уменьшению тока электронного пучка, но и к искажению формы распределения плотности тока по его сечению.

Механизм создания «запирающего поля» у поверхности катода используется в большинстве типов электронных пушек для регулирования тока пучка. Для этого необходимо изменять потенциал управляющего электрода (первой диафрагмы иммерсионной линзы) относительно катода, или напряжение смещения (см. U на рис. 2.3). Так как исючник напряжения смещения работает только в режиме холостого хода, то такой способ регулирования является наиболее энергетически эффективным.

На рисунке 2.13 проиллюстрирован принцип регулировки тока пучка полем, создаваемым управляющим электродом (первой диафрагмой иммерсионной линзы).

В случае если потенциал управляющего электрода равен потенциалу катода (С/ = 0 на рис. 2.13), пушка работает в диодном режиме, и ток пучка имеет максимальное значение. Весь катод охвачен ускоряющим полем, и возможное ограничение тока может быть вызвано либо насыщением, либо расталкивающим действием собственного поля электронов (обычно в центре пучка).

Рис. 2.13. Принцип регулировки тока электронного пучка потенциалом управляющею электрода.

Если потенциал управляющего электрода регулировать в сторону уменьшения относительно потенциала катода, то периферийная часть катода становится охваченной запирающим нолем, препятствующим ускорению электронов с поверхности катода, и ток пучка уменьшается. В предельном случае запирающее поле охватывает весь катод, и ток пучка становится равным нулю. Соответствующее этому режиму значение напряжения смещения ((/.=-1000 В на рис. 2.13) называется запирающим напряжением. А сама зависимость тока пучка от напряжения смещения /_п((7) носит название вольтамперной или модуляционной характеристикой электронной пушки для данного ускоряющего напряжения и температуры катода.

На рис. 2.14 приведено семейство вольтамперных характеристик электронной пушки ЭЛА-50/5М, полученных экспериментально с источником электропитания ИВЭП-60/4.

Рис. 2.14. Семейство вольтамперных характеристик пушки ЭЛА-50/5М с источником питания ИВЭП-60/4.

При изменении потенциала управляющего электрода изменяется конфигурация поля в прикатодной области, что влияет одновременно на размеры «пятна эмиссии» катода и на положение кроссовера. На рис. 2.15 показаны зависимости положения кроссовера Z и его диаметра от напряжения смещения для установки ЭЛА-50/5М, полученные при ускоряющем напряжении 50 кВ с помощью соответствующей математической модели. При увеличении напряжения смещения ток пучка падает, кроссовер смещается в сторону катода, а его диаметр изменяется нелинейно: сначала уменьшается (на интервале 100—700 В), а затем незначительно возрастает.

Плотность тока электронного пучка в кроссовере также нелинейно зависит от напряжения смещения и обычно имеет максимум. Поэтому очевидно, что положение плоскости фокусировки и размеры пятна в фокальной плоскости нагрева при регулировании тока будут изменяться.

По этой причине для обеспечения независимой регулировки тока пучка и поперечных размеров электронного пучка необходима установка второй линзы. Причем, выгодно настраивать эту линзу так, чтобы она проецировала на обрабатываемое изделие не изображение катода, а фокус первой линзы в пространстве изображения — кроссовер, имеющий радиус г. на рис. 2.12. В этом случае в плоскости изделия достигается максимальная плотность тока электронного пучка.

Рис. 2.15. Влияние напряжения смещения на характеристики электронного пучка:

кривая 1 — ток пучка А; кривая 2 — положение кроссовера * 10, см; кривая 3 — диаметр кроссовера, мм