Działo elektronowe

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Działo elektronowe kineskopu achromatycznego

Działo elektronowe – element urządzeń wytwarzający odpowiednio skierowany strumień elektronów o odpowiedniej energii. Działo elektronowe jest elementem kineskopów, mikroskopów elektronowych, źródłem elektronów w akceleratorach cząstek[1].

Ogólne informacje[edytuj | edytuj kod]

Rys. 1. Schemat działa elektronowego

Działo elektronowe składa się z następujących elementów:

  • katoda – elektroda emitująca elektrony,
  • elektroda ogniskująca – umożliwia uzyskanie na ekranie plamki o bardzo małej powierzchni (zwykle jest to cylinder Wehnelta, czyli niewielki cylinder z otworkiem, otaczający katodę). Cylinder ma potencjał ujemny względem katody, zmiana potencjału zmienia natężenie wiązki elektronów, a przez to jasność świecącej plamki w kineskopie,
  • anoda – składająca się z jednej lub kilku cylindrycznych elektrod o różnych średnicach, stanowią układ przyspieszający i ogniskujący[1].

Istnieją dwa główne typy dział elektronowych wykorzystujących zjawisko termoemisji lub emisję polową. Najprostsze działo elektronowe to wolframowe włókno (katoda). Jest ono nagrzewane w próżni do temperatury około 2800K. Elektrony uzyskują energię, która pozwala, aby opuściły katodę. Emitowane elektrony są kolimowane i ogniskowane przy pomocy cylindra Wehnelta (pole elektrostatyczne). Wiązkę pierwotna ma wtedy średnicę około 50μm. Potencjał przyłożony do anody wynosi od 1 do 20kV. Przyspieszenie elektronów następuje w wyniku dużej różnicy potencjałów pomiędzy katodą, a anodą[2] (rys. 1.).

Głównym parametrem charakteryzującym działo elektronowe jest jasność źródła wiązki β. Definiuje się ją jako gęstość prądu odniesiona do jednostkowego kąta bryłowego:

\beta ={4I\over{\pi^{2}\cdot d^{2}_{p}\cdot \alpha^{2}}}


gdzie:

I - natężenie prądu elektrycznego [A]
dp – średnica wiązki padającej na próbkę [m]
α - połowa kąta apertury obiektywu [0][3].

Zwiększona jasność β pozwala wykorzystać większy prąd I, dzięki czemu uzyskuje się lepszą rozdzielczość. W przypadku wykorzystania katody LaB6 uzyskuje się lepszą jasność związaną z niższą pracą wyjścia elektronów oraz mniejszym rozmiarem źródła (ok. 10μm). Działa FEG charakteryzują się najmniejszym rozmiarem źródła (maks. 30nm). Zarówno katoda heksaborku lantanu i działa z emisją polową dodatkowo wyróżniają się dłuższym czasem eksploatacji, niż standardowe włókna wolframowe. Emitują elektrony o mniejszym odchyleniu energetycznym, co umożliwia poprawę rozdzielczości poprzez zmniejszanie wpływu aberracji chromatycznej[4].

Napięcie przyspieszające Up jest to napięcie przyłożone pomiędzy katodą, a anodą. Można rozpatrzyć dwa przypadki dla przyspieszającego elektronu. Gdy jego prędkość jest mała (dużo niższa od prędkości światła) można wyznaczyć długość fali λ w zależności od zastosowanego napięcia przyspieszającego:

\lambda = {12,25 \over \sqrt{{U_{p}}}}


gdzie:

Up - napięcie przyspieszające elektrony [V]

Gdy napięcie przyspieszające jest większe od 6kV elektrony osiągają tak dużą prędkość, że należy uwzględnić efekty relatywistyczne. Masa elektrony wzrasta ze zwiększaniem się prędkości. Długość fali λ można wyznaczyć z relacji:

\lambda = {12,25 \over{\sqrt{U_{p}\cdot (1-{U_{p}\over{1,02 \cdot 10^{6}}})}}}


gdzie:

Up - napięcie przyspieszające elektrony [V]

W skaningowej mikroskopii elektronowej stosuje się najczęściej napięcie przyspieszające z zakresu 10-20kV, a transmisyjna mikroskopia elektronowa wykorzystuje napięcia 100-400kV. Stosowanie większych napięć przyspieszających pozwala otrzymywać informację z większych głębokości próbki. Dodatkowo można uzyskać widmo charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego cięższych pierwiastków, których energia wzbudzenia jest duża. Niskie napięcie przyspieszające ułatwia detekcję lekkich pierwiastków o niskiej zawartości w próbce. Przy wzroście wielkości napięcia przyspieszającego ponad 400-500kV nie pojawia się znaczące skrócenie długości fali, niż by to wynikało ze strat energetycznych i opłacalności danych obserwacji. Duże wartości napięcia przyspieszające powodują mocniejszą eksploatację katody, silnie skracającej jej żywotność[5].

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,0 1,1 Antoniewicz J.: Poradnik Radio- i Teleelektryka. B – Elementy i podzespoły. Warszawa: PWT, 1959.
  2. Goldstein J, Newbury D, Joy D, Lyman C, Echlin P, Lifshin E, Sawyer L, Michael J.: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Berlin: Springer-Verlag, 2003, s. 29-34. ISBN 0-306-47292-9.
  3. Goldstein J, Newbury D, Joy D, Lyman C, Echlin P, Lifshin E, Sawyer L, Michael J.: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Berlin: Springer-Verlag, 2003. ISBN 0-306-47292-9.
  4. Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 75-76. ISBN 978-83-01-15537-7.
  5. Wcisło M.: Mikroskop elektronowy. [dostęp 2012-08-08].