Działo elektronowe

Wyrzutnia elektronowa jest urządzenie do wytwarzania wiązki elektronów . Jest to jeden z podstawowych elementów lampy elektronopromieniowej lub instrumentu takiego jak mikroskop elektronowy .

Zasada ogólna

Zasada działania działa elektronowego polega na wydobyciu elektronów z materiału przewodzącego (który jest prawie niewyczerpalną rezerwą) do próżni, gdzie są one przyspieszane przez pole elektryczne. Uzyskana w ten sposób wiązka elektronów jest przetwarzana przez kolumnę elektronową, co sprawia, że jest to cienka sonda przesuwana po próbce.

Istnieją dwie rodziny dział elektronowych zgodnie z zasadą używaną do ekstrakcji elektronów:

termoelektronowe emisji , z włókien z wolframu i skoki lab 6 ;
emisji elektronów pola .

Istnieje również zasada pośrednia: coraz częściej stosowane źródło emisji pola Schottky'ego.

W zależności od tych różnic i sposobu działania działa elektronowe mają różne właściwości i charakterystykę. Aby je scharakteryzować, istnieją wielkości fizyczne. Najważniejszym z nich jest połysk , bardzo ważna jest również żywotność, a także stabilność. Można również wziąć pod uwagę maksymalny dostępny prąd, a także dyspersję energii.

Błyskotliwość źródła

Jasność B źródła można określić stosunkiem prądu emitowanego przez źródło do iloczynu powierzchni źródła i kąta bryłowego. W ogólnym przypadku wiemy tylko, jak zmierzyć powierzchnię „źródła wirtualnego”, czyli strefy, z której wydają się pochodzić elektrony. (Definicja do przejrzenia)

{\ Displaystyle B = {\ Frac {bieżący ~ wejście {\ ostre {e}} e} {(powierzchnia ~ ~ źródła) \ razy (kąt ~ bryła)}}}

Dla źródła elektronów, którego charakterystyka jest następująca:

Średnica źródła wirtualnego d
Prąd wejściowy $To znaczy}$
Kąt półotwarcia $\alfa$

wyraz blasku staje się:

{\ Displaystyle B = {\ Frac {I_ {e}} {(\ pi ({\ Frac {d} {2}}) ^ {2}) (\ pi \ alpha ^ {2})}}}

W układach optycznych jasność mierzona w (amperach na jednostkę powierzchni i na kąt bryłowy) ma właściwość utrzymywania się, gdy energia przyspieszenia jest stała. Jeśli energia się zmienia, jasność jest do niej proporcjonalna. Aby uzyskać obfity sygnał wykrywania, gdy plamka na próbce jest bardzo mała, jasność źródła musi być jak najwyższa. ${\ Displaystyle \ mathrm {Jestem ^ {- 2} .sr ^ {- 1}}}$

Emisja termiczna: włókno wolframowe i końcówki LaB 6

Materiały takie jak wolfram i heksaborek lantanu (LaB 6 ) są wykorzystywane ze względu na ich niską wydajność pracy , tj. Energię potrzebną do wydobycia elektronu z katody . W praktyce energia ta jest dostarczana w postaci energii cieplnej poprzez podgrzanie katody do dostatecznie wysokiej temperatury, aby pewna ilość elektronów uzyskała energię wystarczającą do przekroczenia bariery potencjału, która utrzymuje je w ciele stałym. Elektrony, które przekroczyły tę potencjalną barierę, znajdują się w próżni, gdzie są następnie przyspieszane przez pole elektryczne .

W praktyce można zastosować żarnik wolframowy w kształcie spinki do włosów, który jest podgrzewany efektem Joule'a , jak w żarówce elektrycznej. Włókno jest w ten sposób ogrzewa się do temperatury powyżej 2200 ° C , zazwyczaj 2700 ° C .

Katody w LaB 6 wymagają podgrzania do niższej temperatury, ale technologia produkcji katody jest nieco bardziej skomplikowana, ponieważ LaB 6 nie może być uformowany w włókno. W rzeczywistości zaczepiamy pojedynczą krystaliczną końcówkę LaB 6 do włókna węglowego. Lantanu heksaborek kryształ doprowadza się do około 1500 ° C , aby umożliwić emisję elektronów. Ta katoda wymaga wyższego podciśnienia niż w przypadku żarnika wolframowego (rzędu 10-6 do 10-7 Tor w porównaniu z 10-5 ). W katodach heksaborek ceru (CeB 6 ) ma bardzo podobne właściwości.

Włókno wolframowe podgrzane do temperatury 2700 ° C ma typową jasność 10 6 A. cm- 2. Sr- 1 przez okres użytkowania od 40 do 100 godzin. Średnica źródła wirtualnego jest rzędu 40 µm

Katoda LaB 6 doprowadzona do temperatury 1500 ° C ma typową jasność 10 7 A. cm- 2. Sr- 1 przez okres użytkowania od 500 do 1000 godzin. Średnica źródła pozornego jest rzędu 15 μm.

Pistolety polowe

Zasada działania broni polowej polega na zastosowaniu metalowej katody w postaci bardzo cienkiego ostrza i przyłożeniu napięcia rzędu 2000 do 7000 woltów między punktem a anodą. Przez „efektem szczytu”, bardzo intensywne pole elektryczne, rzędu 10 7 V.cm -1 , jest wytwarzany w ten sposób koniec katody. Elektrony są następnie wydobywane z końcówki za pomocą efektu tunelu . Istnieją dwa rodzaje dział polowych (FEG w języku angielskim dla Field Emission Gun )

Emisja zimnego pola (CFE). Końcówka pozostaje w temperaturze pokojowej.
Emisja polowa wspomagana termicznie (TFE). Końcówka jest następnie podgrzewana do typowej temperatury 1800 K.

Dużą zaletą dział polowych jest teoretyczna jasność, która może być 100 razy większa niż katod LaB 6 . Coraz częściej używany jest drugi typ broni (wspomagany termicznie), ponieważ pozwala na bardzo skromne poświęcenie jasności, aby lepiej kontrolować stabilność emisji. Dostępny prąd jest również wyższy. W przypadku pistoletu do emisji zimnego pola prąd dostępny na próbce w rzeczywistości nigdy nie jest większy niż 1 nA, podczas gdy przy pomocy termicznej może osiągnąć 100 nA.

Inną dużą różnicą między działami emisji polowej a działami termionowymi jest to, że źródło wirtualne jest znacznie mniejsze. Dzieje się tak, ponieważ wszystkie trajektorie są normalne do powierzchni końcówki, która jest kulą o wielkości około 1 µm. Wydaje się, że trajektorie pochodzą z pewnego punktu. W ten sposób uzyskuje się bardzo wysoką jasność (10 9 (cm2 sr) dla katod zimnych i (10 8 (cm2 sr) dla katod z emisją polową).

Bardzo mała średnica wirtualnego źródła wymaga mniejszej liczby stopni redukcji, ale wadą jest to, że mniej zredukowane źródło jest bardziej wrażliwe na wibracje.

Porównanie różnych właściwości dział elektronowych

	Emisja termionowa		Emisja polowa
Materiały	Wolfram	LaB 6	S-FEG	C-FEG
Zredukowany połysk	10 5	10 6	10 7	10 8
Temperatura ( ° C )	1700-2400	1500	1500	otaczający
Średnica końcówki	50 000	10 000	100 - 200	20 - 30
Rozmiar źródła ( nanometr )	30 000 - 100 000	5000 - 50 000	15-30	<5
Prąd emisji ( µA )	100 - 200	50	50	10
Żywotność ( godzina )	40 - 100	200 - 1000	> 1000	> 1000
Minimalna próżnia ( Pa )	10 -2	10 -4	10 -6	10 -8
Stabilność	komórka 2	komórka 3	komórka 4	komórka 5

posługiwać się

W przypadku skaningowego mikroskopu elektronowego źródłem wiązki elektronów , która omiata powierzchnię próbki jest działo elektronowe . Jakość obrazów i precyzja analityczna, którą można uzyskać za pomocą SEM, wymagają, aby plamka elektronowa na próbce była jednocześnie delikatna, intensywna i stabilna. Wysoka intensywność w najmniejszym możliwym miejscu wymaga „jasnego” źródła. Intensywność będzie stabilna tylko wtedy, gdy emisja ze źródła będzie również stabilna.

Uwagi i odniesienia

JIGoldstein i in., Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis , Plenum press, 1992 str. 25-42
JIGoldstein i in., Str. 29
Michael T. Postek, Skaningowy mikroskop elektronowy w podręczniku Optyki cząstek naładowanych , CRC Press , University of Maryland , 1997
Zgodnie z broszurą New-Technology Scanning Electron Microscope DSM 982 Gemini firmy Karl Zeiss, 1998

Zobacz też

Bibliografia

Christian Colliex , mikroskopia elektronowa ,1998[ szczegóły wydania ] ( czytaj online )

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne

Elementy optyki elektronicznej , Centrum rozwoju materiałów i badań strukturalnych, CNRS .
Symulacja działa elektronowego , LMU Monachium
Przykład pistoletu elektronowego do spawania: Leptons-Technologies https://www.leptonstechnologies.com/single-post/2013/05/01/Voici-le-titre-de-votre-premier-post-image