电子枪和离子源.PDF

电子枪和离子源 西安交通大学 康永锋 提纲 n 聚焦细束电子枪概述 Ø电子枪是所有电子光学仪器、装置和器件的必要部件，其作用是形成具有一定的 电子能量的聚焦电子束。 Ø这一电子束有时用作为电子图像仪器的 “照明”电子源，而有时用作为一个 “点源” 形成细聚焦电子束探针。 Ø聚焦细束电子 （离子）枪，主要涉及加速电位较高，并具有高分辨率的电子光学 系统的电子枪。 Ø通常其 （电子或离子）束电流不是很大，空间电荷不起主要作用。 一、 聚焦细束电子枪的电子光学功能 1.1 电子枪的构成： 通常由――阴极 （加热热子），聚焦电极，阳极三个电极组成一个浸没物镜 。 （场发射电子枪常常没有聚焦电极）。 有的电子枪再浸没物镜以后还有一个附加电子透镜，多数情况是使用电透镜 ，特殊情况也使用磁透镜。 1.2 电子枪的功能： （阴极）发射电子；加热热丝和阴极电子发射体。直热式，间热式。 （阳极）形成电子枪的电场，对电子加速；圆孔膜片。 （聚焦电极）电子聚焦成束 （形成虚源或交叉截面）；调节电子束电流强度。 圆孔膜片。 二、电子枪的聚焦作用分析： Ø发射的电子由于热运动具有散开的趋势。浸没物镜的聚焦作用使其聚焦成束。   (z)  0 聚焦作用主要在聚焦电极膜孔附近 （II区， ）。 Ø阴极前的较强电场使发射的电子围绕其 “中心轨迹”形成细束，在浸没物镜的 焦平面形成最小截面 （交叉截面、束腰）；其尺寸通常远远小于阴极的像。 Ø交叉截面通常视为后面电子光学系统的 “物”或 “电子源”。 Ø电子枪的主要聚焦性能 因而是交叉截面尺寸、 交叉截面向前面投射 电子束的 “束角”和 交叉截面的电子束电流密度。 三、电子束电流的调节 变化 （聚焦电极）电压可以调节电子束电流。其原理包括： (1)空间电荷限制电流调节支取电流密度；即支取电子电流动区域，电流密度 受空间电荷效应限制到低于发射电流的, 由3/2次方定律决定的值。 (2) （聚焦电极）电压变化可以调节发射电子区域半径和发射面积的变化 ； 调制特性：通过聚焦电极电位的变化，改变发射面积；通过阴极表面电场变 化和空间电荷限制电流效应，改变支取 （流通）电流的电流密度，即电子束电流 作为聚焦极电压函数的特性。调制特性相当的变化幂次――5/2至7/2次方。 由于电子枪阴极前面电位很低，电子运动速度比电子枪后面的电子透镜区域 低得多，所以，空间电荷对这一区域的电位分布会电子枪的各种性质均有重要的 影响。在电子枪的分析计算中，一般都必须考虑空间电荷的作用。下图显示了空 间电荷效应对电子枪中电场的影响，其中虚线是考虑空间电荷后的等位线。 电子枪的聚焦和电流调制电极地电压馈给一般不使用独立的电源，而是使 用 “自偏压”但方法馈给。如下图所示，电阻R跨接在阴极与聚焦极之间。包括 电子束电流在内的阴极电流流经这个电阻产生的电压降便生成了负值的 “偏压” 。调节这一电阻值可以调节偏压和阴极电流。自偏压方法还具有使阴极电流还电 子束电流稳定的优点。 调制特性和一定偏压电阻下的电子束电流 b) Field emission gun 四、电子光学参数 电子枪在电子光学仪器中的作用是形成交叉截面(crossover 束腰) ，用以作为 后面电子透镜的 “物”。因而，其主要电子光学参数便是交叉截面的几何参数及 电子参数 （空间分布、电流密度和电子能量分布）；亮度是空间分布和束电流密 度的综合体现，是电子枪性能的集中体现： (1)束腰尺寸 （面积）和束角。 (2)亮度；亮度 （Brightness ）- 单位立体角的电子束电流密度，包含了小的交 叉截面尺寸和小的立体束角的要求。 dI