Elektrónový lúč je riadený tok elektrónov. Je možné napríklad získať elektrónový lúč z vákuová trubica. Aby ste to dosiahli, musíte urobiť otvor v anóde. Časť elektrónov zrýchlených elektrickým poľom spadne do tohto otvoru a vytvorí elektrónový lúč za anódou. Navyše budeme dokonca schopní kontrolovať počet elektrónov v tomto lúči. K tomu budeme musieť medzi katódu a anódu umiestniť prídavnú elektródu, ktorej potenciál budeme meniť.

Základné vlastnosti elektrónového lúča

• Keď lúč elektrónov narazí na povrch telesa, spôsobí zahriatie tohto telesa. Táto vlastnosť elektrónových lúčov sa široko používa na elektronické tavenie ultračistých kovov.
• Získanie röntgenového žiarenia, ktoré vznikne pri spomalení rýchlych elektrónov. Táto vlastnosť je široko používaná v röntgenových trubiciach a zariadeniach vyrobených na ich základe.
• Keď lúč elektrónov zasiahne niektoré látky, napríklad sklo, začnú žiariť. Tieto materiály sa nazývajú fosfory.
• Elektrónové lúče budú vychýlené elektrickým poľom. Ak napríklad pošleme lúč elektrónov medzi dosky kondenzátora, elektróny sa odchýlia od záporne nabitej dosky.
• Elektrónový lúč je vychýlený o magnetické pole. Ak pošlete lúč elektrónov severný pól magnet, vychýli sa dovnútra ľavá strana, a ak je nad juhom - doprava. To je dôvod, prečo možno polárnu žiaru pozorovať iba na zemských póloch.

Posledné tri vlastnosti elektrónového lúča našli uplatnenie v katódovej trubici.

Katódová trubica

Celkový pohľad a štruktúra katódovej trubice sú znázornené na nasledujúcom obrázku:

obrázok

Elektrónové delo je umiestnené na úzkom okraji CRT. Skladá sa z katódy a anódy a je zdrojom elektrónového lúča. V elektrónovom dele sa zväzok elektrónov urýchľuje na požadovanú rýchlosť. Navyše v elektrónke je elektrónový lúč zaostrený tak, že jeho prierezová plocha je takmer bodovo veľká.

Keď lúč opustí elektrónové delo, postupne prechádza cez dva páry riadiacich dosiek. Pomáhajú meniť smer lúča. Ak medzi nimi nie je žiadny potenciálny rozdiel, lúč bude nasmerovaný do stredu obrazovky. Ak privedieme napätie na vertikálne umiestnené platne, lúč sa posunie horizontálne o určitý uhol. Ak privedieme napätie na horizontálne umiestnené platne, lúč sa posunie vo vertikálnom smere. Pomocou dvoch párov dosiek teda môžeme dosiahnuť posunutie lúča do akéhokoľvek bodu na obrazovke.

Ryža. 3,40
Ryža. 3.39
Možnosť kontroly elektrónový lúč V katódovej trubici sa používa elektrické alebo magnetické pole a žiara pod pôsobením lúča obrazovky potiahnutej fosforom.
Katódová trubica
Štruktúra katódovej trubice je znázornená na obrázku 3.41. Rúrka je vákuový valec vyrobený vo forme banky, expandovanej na jednej strane. Rozšírené dno banky je potiahnuté fosforom a tvorí rúrkové sito. Na úzkom konci trubice sa nachádza zdroj rýchlych elektrónov - elektrónové delo (obr. 3.42). Skladá sa zo žeraviacej oxidovej katódy K a troch koaxiálnych valcov: riadiacej elektródy (mriežky) M, prvej anódy Ax a druhej anódy A2.
Elektróny sú emitované zo zahriatej oxidovej vrstvy na konci valcovej katódy a prechádzajú cez otvor vo valcovej riadiacej elektróde. Riadiaca elektróda má voči katóde záporný potenciál (-20...-70 V) a svojim poľom stláča elektrónový lúč vychádzajúci z katódy. Zmenou tohto potenciálu môžete zmeniť počet elektrónov v lúči, teda jeho intenzitu.
Každá anóda pozostáva z kotúčov s malými otvormi vloženými do kovového valca. Potenciál prvej anódy je kladný vo vzťahu ku katóde a potenciál druhej anódy je kladný vo vzťahu k prvej anóde. Elektrické polia medzi elektródou M a anódou Ay, ako aj medzi anódami Ax a A2, urýchľujúce elektróny, sú znázornené na obrázku 3.42 pomocou ekvipotenciálnych plôch. Tvar, umiestnenie a potenciály anód sú zvolené tak, aby spolu so zrýchľovaním elektrónov dochádzalo k fokusácii elektrónového lúča, t.j. zmenšeniu jeho plochy.
Vertikálne vychyľovanie

dosky Obr. 3.41

prierez. Na obrazovke, v mieste, kde dopadá elektrónový lúč (úzko zaostrený elektrónový lúč sa niekedy nazýva elektrónový lúč), objaví sa žiara.
Za elektrónovou pištoľou prechádza zaostrený elektrónový lúč na svojej ceste k obrazovke v sérii medzi dvoma pármi riadiacich dosiek, podobne ako dosky kondenzátora s paralelnými doskami. Ak medzi doskami nie je elektrické pole, lúč nie je vychýlený a svetelný bod je umiestnený v strede obrazovky. Keď sa rozdiel potenciálov udelí vertikálne umiestneným doskám, lúč sa posunie v horizontálnom smere a keď sa rozdiel potenciálov prenesie na horizontálne dosky, posunie sa vo vertikálnom smere. Súčasné použitie dvoch párov doštičiek umožňuje pohybovať svetelným bodom po obrazovke v ľubovoľnom smere.
Nízka hmotnosť elektrónov v elektrónovom lúči zaisťuje nízku zotrvačnosť katódovej trubice: elektrónový lúč takmer okamžite reaguje na zmeny napätia na ovládacích doskách. Táto vlastnosť elektrónových lúčov je základom pre použitie katódovej trubice v elektrónovom osciloskope, zariadení, ktoré sa používa na štúdium rýchlo premenlivých procesov v elektrických obvodoch.
V katódovej trubici používanej v TV (tzv. kineskop) je elektrónový lúč riadený pomocou magnetického poľa. Toto pole vytvárajú cievky umiestnené okolo hrdla trubice.
Displej
Katódové trubice sú široko používané v zobrazovacích zariadeniach pripojených k elektronickým počítačom (počítačom). Obrazovka, podobná televíznej obrazovke, prijíma informácie zaznamenané a spracované počítačom. Môžete priamo vidieť text v akomkoľvek jazyku, grafy rôznych procesov, obrázky skutočných objektov, ako aj imaginárne objekty, ktoré sa riadia zákonmi napísanými v počítačovom programe.
V katódových trubiciach sa vytvárajú úzke elektrónové lúče riadené elektrickými a magnetickými poľami. Tieto lúče sa používajú v osciloskopoch, televíznych obrazovkách a počítačových displejoch.

>>Fyzika: Elektrónové lúče. Katódová trubica

Ak sa v anóde elektrónovej trubice vytvorí otvor, potom časť elektrónov zrýchlených elektrickým poľom vletí do tohto otvoru a vytvorí elektrónový lúč za anódou. Počet elektrónov v lúči je možné regulovať umiestnením prídavnej elektródy medzi katódu a anódu a zmenou jej potenciálu.
Vlastnosti elektrónových lúčov a ich aplikácie. Elektrónový lúč dopadajúci na telesá spôsobuje ich zahrievanie. V modernej technológii sa táto vlastnosť využíva na elektronické tavenie ultračistých kovov vo vákuu.
Keď sú rýchle elektróny narážajúce na látku spomalené, a röntgenové žiarenie. Tento jav sa využíva v röntgenových trubiciach.
Niektoré látky (sklo, sulfidy zinku a kadmia) pri bombardovaní elektrónmi žiaria. V súčasnosti sú materiály tohto typu (luminofóry) také, v ktorých sa až 25 % energie elektrónového lúča premieňa na svetelnú energiu.
Elektrónové lúče sú vychyľované elektrickým poľom. Napríklad pri prechode medzi doskami kondenzátora sa elektróny odklonia od záporne nabitej dosky na kladne nabitú ( Obr. 16.20).
Elektrónový lúč je tiež vychyľovaný v magnetickom poli. Pri prelete nad severným pólom magnetu sa elektróny odklonia doľava a pri prelete nad južným pólom sa odklonia doprava ( Obr. 16.21). Odchýlka tokov elektrónov prichádzajúcich od Slnka v magnetickom poli Zeme vedie k tomu, že žiara plynov v horných vrstvách atmosféry (polárna žiara) je pozorovaná len na póloch.

V katódovej trubici sa využíva schopnosť ovládať elektrónový lúč pomocou elektrického alebo magnetického poľa a žiaru fosforom potiahnutej obrazovky pri pôsobení lúča.
Katódová trubica je hlavným prvkom jedného z typov televízorov a osciloskopu - zariadenia na štúdium rýchlo sa meniacich procesov v elektrických obvodoch ( Obr. 16.22).

Štruktúra katódovej trubice je znázornená na obrázku 16.23. Táto trubica je vákuový valec, ktorého jedna zo stien slúži ako clona. Zdroj rýchlych elektrónov je umiestnený na úzkom konci trubice - elektrónová pištoľ (Obr. 16.24). Skladá sa z katódy, riadiacej elektródy a anódy (väčšinou je niekoľko anód umiestnených za sebou). Elektróny sú emitované zahriatou vrstvou oxidu z konca valcovej katódy S, obklopený tepelným štítom N. Potom prechádzajú cez otvor vo valcovej riadiacej elektróde IN(reguluje počet elektrónov v lúči). Každá anóda ( A 1 A A 2) pozostáva z diskov s malými otvormi. Tieto kotúče sú vložené do kovových valcov. Medzi prvou anódou a katódou vzniká potenciálny rozdiel stoviek a dokonca tisícok voltov. Silné elektrické pole urýchľuje elektróny a tie získavajú väčšiu rýchlosť. Tvar, umiestnenie a potenciály anód sú zvolené tak, aby sa spolu so zrýchlením elektrónov zaostril aj elektrónový lúč, t.j. plocha prierezu lúča na obrazovke sa zmenšila takmer na bodové veľkosti.

Na svojej ceste k tieneniu prechádza lúč postupne medzi dvoma pármi ovládacích dosiek, podobne ako dosky paralelného kondenzátora (pozri obr. 16.23). Ak medzi doskami nie je elektrické pole, lúč nie je vychýlený a svetelný bod je umiestnený v strede obrazovky. Keď sa rozdiel potenciálov udelí vertikálne umiestneným doskám, lúč sa posunie v horizontálnom smere a keď sa rozdiel potenciálov prenesie na horizontálne dosky, posunie sa vo vertikálnom smere.
Súčasné použitie dvoch párov doštičiek umožňuje pohybovať svetelným bodom po obrazovke v ľubovoľnom smere. Keďže hmotnosť elektrónov je veľmi malá, takmer okamžite, t.j. v rámci veľmi krátky čas, reagovať na zmeny rozdielu potenciálov riadiacich dosiek.
V katódovej trubici používanej v televízore (tzv. kineskop) je lúč vytvorený elektrónovým delom riadený pomocou magnetického poľa. Toto pole vytvárajú cievky umiestnené na hrdle trubice ( Obr. 16.25).

Farebný kineskop obsahuje tri rozmiestnené elektrónové delá a obrazovku s mozaikovou štruktúrou, zloženou z troch typov luminoforov (červený, modrý a zelený). Každý elektrónový lúč excituje fosfory jedného typu, ktorých žiara spolu vytvára farebný obraz na obrazovke.
Katódové trubice sú široko používané v zobrazuje- zariadenia pripojené k elektronickým počítačom (počítačom). Obrazovka, podobná televíznej obrazovke, prijíma informácie zaznamenané a spracované počítačom. Môžete priamo vidieť text v akomkoľvek jazyku, grafy rôznych procesov, obrázky skutočných objektov, ako aj imaginárne objekty, ktoré sa riadia zákonmi napísanými v počítačovom programe.
Katódové trubice produkujú úzke elektrónové lúče riadené elektrickými a magnetickými poľami. Tieto lúče sa používajú v osciloskopoch, televíznych obrazovkách a počítačových displejoch.

???
1. Ako sa riadia elektrónové lúče?
2. Ako funguje katódová trubica?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fyzika 10. ročník

Ak máte opravy alebo návrhy k tejto lekcii,

Parametre elektrónových lúčov

Na obrázku je znázornená schéma zdroja elektrónov, pre-

inštalácie. Elektróny sú vyťahované z katódy, ak

Crossover(Angličtina) kríženie, skr. x-over, doslova prechodný alebo koordinácia zariadenie, hranica alebo prechodný jav, križovatka atď.) - súhrnný názov týkajúci sa rôznych pojmov a predmetov:

Prekríženie je bod minimálneho prierezu elektrónového lúča v elektrónovom dele alebo elektrónovom mikroskope.

katóda a polomer kríženia rc, ktorý môže byť

Na obrázku je znázornená schéma zdroja a trajektórie el

Na určenie polomeru prechodu rc lúča elektrónov emitovaných z katódy s počiatočnou rýchlosťou vo (zodpovedajúcou energii eVo) sa používa nasledujúci vzťah:

Dostaneme

Z tejto rovnosti je zrejmé, že pri prvej aproximácii polomer kríženia nezávisí od plochy emitujúcej plochy katódy a je určený iba pomerom počiatočnej energie elektrónu eVo k energii elektrónu v crossover region eV.

Tento výraz bol získaný za predpokladu, že všetky elektróny emitované katódou majú rovnakú počiatočnú energiu eVo, v dôsledku čoho má prechod jasne

Magnetické šošovky

v ktorom sa pomocou prstencového magnetu vytvára osovo symetrické magnetické pole. Existujú dva typy magnetických šošoviek – dlhé a krátke.

Príkladom dlhej magnetickej šošovky je dlhý solenoid. Na elektrón v magnetickom poli pôsobí Lorentzova sila, smer jej pôsobenia je kolmý na smer rýchlosti elektrónu aj na vektor intenzity magnetického poľa. Vďaka tomu sa elektrón pohybuje vo vnútri dlhého solenoidu v špirále a opisuje sínusoidu v rovine prechádzajúcej osou Z (obrázok).

Kde ω = 2π/T= eH/2m.

Ak sú rýchlosti elektrónov vstupujúcich do solenoidu blízko, potom pozdĺžne rovnomerné magnetické pole sústreďuje tok elektrónov v bodoch zodpovedajúcich rovnosti

Z = n Tv o /2 = n2πmv o /eH,

kde v o je rýchlosť elektrónov vstupujúcich do solenoidu; n je rad jednoduchých celých čísel.

Hlavné vlastnosti zaostrovania v dlhej magnetickej šošovke:

1. Zaostrovanie sa nevyskytuje v jednom, ale v niekoľkých bodoch rovnako vzdialených od seba.

2. Lúč elektrónov pohybujúcich sa rovnobežne s osou nie je zaostrený, t.j. priemer tohto lúča nemožno zmenšiť.

Na prenos obrázkov sa v praxi používajú dlhé magnetické šošovky (solenoid jednotného poľa).

Tenké magnetické šošovky našli oveľa širšie uplatnenie. Zaostrovací efekt tenkej magnetickej šošovky je zložitejší v dôsledku nehomogenity magnetického poľa, v ktorom možno rozlíšiť tangenciálnu a radiálnu zložku. Na zostrojenie trajektórie elektrónu je v tomto prípade potrebné poznať počiatočnú rýchlosť elektrónu a rozloženie intenzity magnetického poľa pozdĺž osi cievky.

Pri príjme obrazu pomocou tenkých (krátkych) magnetických šošoviek sa obraz príslušného objektu otočí. Účinok zaostrovania magnetickej šošovky je tým väčší, čím väčšia je intenzita magnetického poľa a čím užšia je oblasť, v ktorej je sústredená. Preto sú v praxi magnetické šošovky navrhnuté vo forme cievok s plášťom (obrázok).

Krátka magnetická šošovka umožňuje získať zväčšené alebo zmenšené obrázky. Tie. vhodné na použitie v elektrónovom mikroskope. Krátka šošovka sústreďuje tok elektrónov rovnobežne s osou.

Intenzitu poľa na osi krátkej magnetickej šošovky možno zistiť z výrazu:

R – priemerný polomer cievky; J je sila pretekajúceho prúdu; Z – vzdialenosť pozdĺž osi cievky

Magnetické šošovky môžu byť iba zaostrovacie šošovky. Keďže magnetické pole pôsobí iba na pohybujúce sa elektróny, magnetická šošovka musí byť v elektrické pole V. Ohnisková vzdialenosť tenká magnetická šošovka je určená výrazom

Tu Rm je priemerný polomer magnetovej cievky, n je počet závitov cievky, i je prúd cez cievku.

V magnetickej šošovke sa obraz otáča o uhol ∆ f

∆f=[stupeň].

Tieto šošovky sa nazývajú pozdĺžne systémy. V týchto systémoch sú elektrónové lúče zaostrené malé v porovnaní so zložkami pozdĺžneho priečneho poľa. Účinnejšie sú priečne systémy, v ktorých sú siločiary smerované cez lúč. Priečne elektrónovo-optické systémy sa v poslednej dobe široko používajú, najmä na zaostrovanie častíc (silné zaostrovanie)

tronovo-optické systémy sa v poslednej dobe široko používajú, najmä na časticové zaostrovanie (silné zaostrovanie).

Priečne zaostrovacie polia sú zvyčajne vytvorené štyrmi alebo štyrmi elektródami magnetické cievky umiestnené okolo systémovej osi. V tomto prípade elektródy alebo magnety umiestnené diametrálne protiľahlo majú rovnakú polaritu a susedné prvky majú opačnú polaritu (pozri obrázok) Takéto štvorpólové systémy, z ktorých každý má dve roviny symetrie, sa nazývajú štvorpólové šošovky. Výrazná vlastnosť Výhodou štvorpólových šošoviek je, že v nich absentuje pozdĺžna zložka poľa. Vezmime si ako príklad štvorpólovú elektrostatickú šošovku. Vzdelaný človek

Rovnice 2.146 sa získajú z 2.145 diferenciáciou vzhľadom na X alebo Y, teda znamienka.

K vychýleniu lúča nabitých častíc dochádza v elektrických a magnetických poliach. Navyše v magnetickom poli sa nabitá častica musí nevyhnutne pohybovať konečnou rýchlosťou.

Vychýlenie kruhového zväzku častíc systémom dvoch elektród je znázornené na obrázku 2.41. Najjednoduchší systém vychyľovanie alebo skenovanie lúča je súbor elektrostatických vychyľovacích dosiek. Výchylka v elektrostatickom poli nezávisí od hodnoty pomeru e/m a preto sa dá použiť pre elektróny aj ióny.

V magnetických vychyľovacích systémoch, kde je vychýlenie úmerné rýchlosti častíc (a teda pomeru e/m), je na vychýlenie iónov potrebné veľmi silné magnetické pole.

Uhol vychýlenia je možné získať v nasledujúci formulár

tgθ=( l/Vo)*(Vd/2*d)

Toto je obvyklá rovnica pre elektrostatickú odchýlku nabitých častíc (v tomto prípade elektrónov) prechádzajúcich medzi ideálnymi doskami. Namiesto l treba z

Tu je Vo priemerný potenciál dodávaný do platní, Vd je potenciál signálu. Potenciál hornej dosky Vo + Vd/2, potenciál spodnej dosky - Vo - Vd/2

V prípade magnetickej výchylky sa využívajú rovnomerné vzájomne kolmé magnetické polia, ktoré vytvárajú dva páry vychyľovacích cievok obtekajúcich prúd.
Vodorovne umiestnené cievky sú zapojené do série a prechádza nimi prúd vytvárajúci magnetické pole s napätím V l, pod vplyvom ktorého sa lúč bude pohybovať vo vertikálnej rovine. Vertikálne umiestnené cievky sú tiež zapojené do série a ich magnetické pole spôsobí horizontálny pohyb lúča.
Pozrime sa podrobnejšie na vychýlenie lúča magnetickým poľom. Budeme predpokladať, že magnetické pole vytvorené dvojicou cievok je rovnomerné a má indukciu IN. Šírka poľa prechádzajúceho elektrónovým lúčom je rovná l.

Elektróny vstupujúce do priečneho magnetického poľa sa pohybujú po kruhovom oblúku. Po prechode pozdĺž oblúka opúšťa lúč pod uhlom zónu magnetického poľa a do osi Z a potom sa presunie priamo na obrazovku.

Centrálnou časťou každého spektrometra je analyzátor energie - zariadenie, ktoré umožňuje merať počet elektrónov s energiami ležiacimi v danom intervale. Analyzátory energie využívajú fyzikálne princípy súvisiace s vychyľovaním nabitých častíc v elektrostatickom alebo magnetickom poli.

Najpoužívanejším analyzátorom energie v elektronických spektrometroch je typ s valcovým zrkadlom. Analyzátor tohto typu pozostáva z dvoch koaxiálnych dutých kovových valcov (obr. 6.4.). Vo vnútornom valci A sú tam úzke štrbiny S 1 A S 2 na prechod prichádzajúcich a odchádzajúcich elektrónov. Do vonkajšieho valca B je aplikovaný potenciálny zápor vzhľadom na vnútorný valec Vab. V priestore medzi valcami sa elektrostatické pole mení nepriamo úmerne k polomeru r:

Tu r a A r b sú polomery vnútorného a vonkajšieho valca.

Elektróny letiace do analyzátora energie zo zdroja O nejakou rýchlosťou v 0 pri uhle vstupu θ v dôsledku odchýlky od počiatočnej trajektórie pod vplyvom elektrického poľa sa bude pohybovať po zakrivenej dráhe a zameria sa na výstup v bode O 1, v ktorej je umiestnený elektrónový kolektor, napríklad elektrónový multiplikátor.

Najlepšie zaostrenie elektrónového lúča vo valcovom zrkadle sa dosiahne pri uhle príchodu elektrónu θ = 42° 18,5". V tomto prípade vzdialenosť medzi bodmi O A O 1, t.j. medzi vzorkou a detektorom elektrónov L 0 = 6,12r a. Maximálne odstránenie elektrónov z osi analyzátora rmax=0,3L 0.

V prípade nekonečne úzkych vstupných a výstupných štrbín prechádzajú cez energetický analyzátor iba elektróny s presne definovanou energiou. E 0. Pre konečnú šírku štrbiny S 1 A S 2 Cylindrický zrkadlový analyzátor bude prenášať elektróny s energetickým rozptylom δ E. Dve skupiny elektrónov rovnakej intenzity s nejakou priemernou energiou E sa považujú za povolené, ak pri superponovaní má výsledná krivka minimum.

Znížiť δ E min je možné zmenšením šírky štrbín, čo však znižuje citlivosť zariadenia, pretože sa znižuje podiel elektrónov, ktoré sa dostanú k detektoru elektrónov. Rozlíšenie analyzátora možno zlepšiť bez zhoršenia jeho parametrov znížením energie elektrónov E lietanie do analyzátora. Na tento účel sú pred vstupnou štrbinou analyzátora umiestnené spomaľovacie elektrónové mriežky alebo sústava elektrónových šošoviek.

Priemyselné analyzátory s dostatočne dobrým rozlíšením sú konštruované na báze dvojrozsahového ACZ, zladeného s guľovými mriežkami, ktoré vykonávajú predbežné spomalenie elektrónov (obr. 6.5). Dvojpriechodový analyzátor, ako je možné vidieť na obrázku, pozostáva z dvoch sekvenčných konvenčných ADC. Pre merania s uhlovým rozlíšením možno použiť rotačnú membránu umiestnenú na vstupe elektrónov do druhého stupňa analyzátora.

Najvyššie rozlíšenie, porovnateľné s ADS, má koncentrický hemisférický analyzátor(PSA). Tento typ analyzátora pozostáva z dvoch sférických sektorov s polomermi zakrivenia r a A r b(obr. 6.6). V tomto prípade sa elektróny pohybujú v poli guľového kondenzátora:

Kde Vab– potenciálny rozdiel medzi vonkajšou a vnútornou sférou.

V režime zaostrovania zdroj umiestnený v bode O a jeho obraz, ktorý sa nachádza v bode O 1, ležia na rovnakej priamke prechádzajúcej stredom gúľ.

Vyššie diskutované energetické analyzátory umožňujú registrovať elektróny s energiami ležiacimi v danom „okne“. V analyzátoroch energie tohto typu prechádzajú elektróny cez disperzné elektrostatické pole a ich odchýlka od počiatočnej trajektórie je funkciou elektrického poľa aplikovaného na elektródy analyzátora. Analyzátory pracujúce na tomto princípe sú tzv disperzný. Je tiež široko používaný v elektrónovej spektroskopii. analyzátor energie s poľom oneskorenia (AZP) Tento analyzátor energie využíva retardačné elektrostatické pole, ktoré do kolektora prejde len tie elektróny, ktorých kinetická energia prevyšuje energiu retardačného elektrického poľa.

Pružný rozptyl

Pri elastickom rozptyle sa mení smer vektora rýchlosti elektrónu, ale jeho veľkosť a následne aj veľkosť kinetickej energie zostáva v skutočnosti konštantná. Počas každého aktu elastického rozptylu sa do vzorky prenesie energia asi 1 eV, čo je zanedbateľne málo v porovnaní s počiatočnou energiou elektrónov v lúči (>1 keV). Charakteristická energia elektrónov v lúči je 1...50 keV. Uhol odchýlky od smeru dopadu môže nadobúdať hodnoty od 0° do 180°, ale jeho najpravdepodobnejšia hodnota je rádovo niekoľko stupňov. K elastickému rozptylu dochádza v dôsledku zrážok vysokoenergetických elektrónov s atómovými jadrami, ktoré sú čiastočne tienené viazanými elektrónmi. V dôsledku elastických interakcií môže elektrón opustiť vzorku. Takýto elektrón sa nazýva odrážal. Experimentálne sa zistilo, že podiel odrazených elektrónov môže dosiahnuť 30 % počiatočného počtu elektrónov v lúči. Elektróny lúča, ktoré vyletia z povrchu vzorky ako odrazené elektróny, majú menšiu energiu ako pred interakciou, pretože prechádzajú určitú vzdialenosť vo vnútri pevnej látky a strácajú energiu. Odrazivosť elektrónov je priamo úmerná atómovému číslu materiálu terča.

Uhlovú distribúciu elasticky rozptýlených elektrónov možno vypočítať pomocou modelu rozptylu Rutherford, pričom sa berie do úvahy skríning atómu elektrónovým oblakom. Potom je hustota pravdepodobnosti vo vzdialenosti z od povrchu určená vzťahom

Tu Н 0 =1 je pravdepodobnosť nájdenia elektrónu na povrchu vzorky, r 0 je polomer sondovacieho elektrónového lúča, r je vzdialenosť od osi lúča dopadajúcich elektrónov, z je hĺbka prieniku elektrónov. , merané pozdĺž osi lúča.

Z vyššie uvedeného vzorca vyplýva, že ako sa elektrónový lúč šíri vo filme, rozširuje sa, ako je znázornené na obrázku.

Nepružný rozptyl

Počas nepružných interakcií sa dráha elektrónu mení len málo a energia sa prenáša na pevné teleso. Neelastické interakcie sa vyskytujú hlavne medzi elektrónmi lúča a elektrónmi vzorky. Vďaka neelastickým interakciám vznikajú:

§ sekundárne elektróny

§ kontinuálne röntgenové žiarenie

§ charakteristické röntgenové žiarenie

§ Augerove elektróny

§ vibrácie mriežky (fonóny)

§ elektronické vibrácie (plazmóny)

§ páry elektrón-diera

§ Katodoluminiscencia

Pozrime sa na tieto javy podrobnejšie:

Interakcia elektrónu lúča s pevnou látkou môže viesť k uvoľneniu slabo viazaných elektrónov, tzv. pomalé sekundárne elektróny. Elektróny s energiou do 50 eV sa zvyčajne nazývajú sekundárne. Táto prahová hodnota je stanovená podmienene, aby sa rozlíšili sekundárne a odrazené elektróny. Väčšina sekundárnych elektrónov má energiu 3...5 eV.

Na únik z pevnej látky musia sekundárne elektróny prekonať bariéru povrchového potenciálu. Vzorku preto môžu opustiť len sekundárne elektróny umiestnené v tenkej povrchovej vrstve (5...50 nm). V dôsledku toho hustota a smer sekundárnych elektrónov závisí od topografie povrchu.

Veľká trieda experimentálne metódy je založená na zaznamenávaní signálov vznikajúcich pri ožarovaní skúmaného objektu elektrónovým lúčom.

Pre správnu interpretáciu získaných údajov je potrebné pochopiť procesy interakcie elektrónov so skúmanými objektmi.

Vysokoenergetický elektrón podlieha spomaleniu v Coulombovom poli atómu. Strata elektrónovej energie pri takomto brzdení sa premení na kvantum röntgenového žiarenia, ktoré sa nazýva brzdné röntgenové žiarenie. Pretože strata energie elektrónu počas tohto procesu brzdenia môže nadobudnúť akúkoľvek hodnotu, brzdné röntgenové žiarenie tvorí spojité spektrum s energiou od nuly po energiu elektrónov lúča.

Elektrón s dostatočne vysokou energiou pri interakcii s atómom môže spôsobiť uvoľnenie silne viazaného elektrónu z vnútorných obalov, v dôsledku čoho sa atóm ionizuje vo vysokoenergetickom stave. Následná relaxácia tohto excitovaného stavu vedie k emisii charakteristického röntgenového žiarenia. Röntgenová difrakčná analýza je založená na tomto jave.

Výsledné kvantum žiarenia môže interagovať s elektrónom vo vonkajšom obale bez toho, aby opustilo atóm ( vnútorná premena). V tomto prípade opúšťa atóm ďalší elektrón z vonkajšieho obalu. Takéto elektróny sa nazývajú Augerove elektróny. Energia takýchto Augerových elektrónov je rádovo 100eV-1keV. Tieto elektróny sa používajú v Augerovej spektroskopii.

Pri bombardovaní dielektrika alebo polovodiča elektrónovým lúčom môže byť elektrón z valenčného pásma prenesený do vodivého pásma. Tak sa vytvorí pár elektrón-diera, ktorý sa môže rekombinovať. V tomto prípade bude energia vyžarovaná vo forme kvanta svetla. Tento jav sa nazýva katodoluminiscencia. Vygenerované svetelné kvantá budú ležať v ultrafialovom, viditeľnom alebo infračervenom rozsahu v závislosti od šírky bandgap.

Značná časť energie prinesenej do vzorky elektrónovým lúčom sa prenáša na pevné teleso vo forme vybudenia kmitov mriežky - fonónov - ohrevu vzorky (oblasť c na obrázku).

Ak je tepelná vodivosť vzorky dostatočne vysoká, potom sa vzorka mierne zahreje - nie viac ako 10 ° C. V materiáloch s nízkou tepelnou vodivosťou (alebo v tenkých vrstvách na dielektrických substrátoch) pri prúdoch vysokých lúčov (1 μA) môže dôjsť v dôsledku zahrievania k modifikácii mikroobjemu vzorky (žíhanie, zmena fázy, deštrukcia atď.). Ohrev v takýchto prípadoch môže dosahovať od jednotiek až po tisíce stupňov. Avšak za štandardných prevádzkových podmienok (prúdy sondy ~ 10 nA) nie je pozorovaná žiadna zmena alebo deštrukcia skúmanej vzorky.

Straty energie v tenkých a hrubých terčoch spôsobené nepružným rozptylom sú realizované ako diskrétne deje sprevádzané tvorbou sekundárnych nízkoenergetických elektrónov (do 50 eV).

V prípade nepružného rozptylu závisí uhol rozptylu od straty energie dopadajúceho elektrónu.

V tenkých filmoch s hrúbkou niekoľkých stoviek nanometrov prechádza dopadajúci elektrón mnohými zrážkami a výslednú odchýlku možno štatisticky zistiť pomocou Boltzmannovej rovnice.

Energetické spektrum sekundárnych elektrónov

Ak je energia elektrónov dostatočná na to, aby prekonali bariéru povrchového potenciálu, potom opúšťajú pevné teleso a sú registrované ako sekundárne elektróny. Sekundárne elektróny majú energie v rozsahu od nuly po energiu primárnych elektrónov.

Rozloženie energie sekundárnych elektrónov je zložité a odráža rôzne, zložité a často vzájomne prepojené procesy interakcie primárnych elektrónov s pevnou látkou.

Energetické spektrá a uhlové rozloženie sekundárnych elektrónov obsahujú celkom úplné informácie o základných mikroskopických charakteristikách hlavne povrchovej a podpovrchovej vrstvy pevného telesa - zloženie, štruktúra, elektrónová štruktúra.

Skutočné energetické spektrum získané experimentálne závisí od experimentálnych podmienok a môže sa výrazne líšiť v tvare od toho, ktorý je znázornený na obrázku.

Schematický pohľad na krivku distribúcie energie sekundárnych elektrónov je znázornený na obrázku. Ako ukazujú experimentálne výsledky, vzhľad spektra sekundárnych elektrónov sa prakticky nemení so zmenami energie primárnych elektrónov. Keď je energia primárnych elektrónov v rozsahu 100 eV ... 1000 eV, významná časť spektra pripadá na pomalé elektróny (oblasť A na obrázku) – tieto elektróny sa nazývajú skutočné sekundárne elektróny , keďže túto skupinu tvoria hlavne elektróny vyrazené z pevnej látky lúčom primárnych elektrónov. Predpokladá sa, že vznikajú ako výsledok kaskádových procesov straty energie primárnymi elektrónmi.

Maximálne spektrum skutočné sekundárne elektróny leží v oblasti 1 ... 10 eV a pozoruje sa periodická závislosť polohy tohto maxima od atómového čísla látky tuhého telesa. Pri dostatočne veľkých hodnotách energie primárnych elektrónov nezávisí poloha maxima od Ep, avšak pri Ep<20 эВ он сдвигается в сторону меньших энергий. Если энергия первичных электронов не превышает работу выхода электронов, то спектр вторичных электронов состоит в основном из упруго отраженных электронов.

región b na obrázku označuje neelasticky odrazené elektróny, ktorých počet sa výrazne nemení v závislosti od energie.

V kovoch a polovodičoch sa väčšina energie stratenej v pásme b (v dôsledku excitácie elektrónov a straty ionizácie) prenáša na vodivé elektróny alebo valenčné elektróny prostredníctvom individuálnej alebo kolektívnej excitácie.

Pri energii blízkej energii primárnych elektrónov Ep (oblasť c) sa pozoruje úzky vrchol zodpovedajúci elasticky odrazeným elektrónom. Kreslenie. Tento vrchol je spojený s elektrónmi odrazenými od povrchu pevnej látky so žiadnou alebo veľmi malou stratou energie.

Okrem dvoch dosť intenzívnych píkov skutočne sekundárnych a elasticky odrazených elektrónov (oblasti a a c) sú pozorované slabo výrazné maximá v spektre sekundárnych elektrónov v oblasti b na bezštruktúrnom pozadí. Polohy niektorých z nich (na obrázku maximálne 1) nezávisia od energie primárnych elektrónov

Tieto vrcholy zodpovedajú množstvu energie potrebnej na ionizáciu atómov, a preto zodpovedajúca strata energie závisí od atómového čísla. Pri týchto procesoch vzniká primárnym alebo sekundárnym elektrónom na vnútornom obale diera, ktorá je potom vyplnená buď elektrónom zo susedného obalu atómu alebo valenčným elektrónom - takzvaný Augerov mechanizmus sa vyznačuje vyplnením diery jedným elektrónom a emisiou druhého elektrónu (Augerov elektrón)

Podstatou Augerovho procesu je, že elektrón z vonkajšieho obalu prechádza na atómovú úroveň vyplnenú elektrónmi a všetka uvoľnená energia sa prenáša na elektrón nachádzajúci sa na inej obežnej dráhe vonkajšieho obalu. Tento elektrón opúšťa vzorku s charakteristickou energiou a nazýva sa Augerov elektrón. V tomto prípade energia emitovaného Augerovho elektrónu nijako nezávisí od energie dopadajúceho elektrónu a je úplne určená spektrom energetických hladín v pevnej látke.

Vrcholy 1 sú spôsobené uvoľnením Augerových elektrónov z povrchu. Energia Augerových elektrónov leží v rozsahu ≈ 50... 500 eV. Štúdium tejto skupiny sekundárnych elektrónov je základom metódy Augerovej elektrónovej spektroskopie (EOS). Minimálna plocha analýzy je obmedzená priemerom elektrónovej škvrny a je do 10 nm. V prípade röntgenového žiarenia (röntgenová fluorescencia) je namiesto druhého elektrónu emitovaný fotón.

Maximá 2 sa posúvajú synchrónne so zmenou energie primárnych elektrónov.

Skupina maxím 2, ktorá sa nachádza v blízkosti vrcholu elasticky odrazených elektrónov, zodpovedá primárnym elektrónom, ktoré zaznamenali diskrétne straty energie pri interakcii s povrchom.

Straty energie v dôsledku budenia fonónov v dosahu s možno rozlíšiť iba pomocou najmodernejších spektrálnych analyzátorov

Úzky tok elektrónov sa nazýva elektrónový lúč. Elektrónový lúč, ktorý je možné ovládať, sa získa v katódovej trubici (obr. 93). Jednou z jeho súčastí je vákuový sklenený valec (vákuum na objednávku 0,000001 mmHg čl.). Na jednom konci je valcovitá, na druhom kužeľovitá a ukončená vypuklým dnom. Na vnútornú stranu dna valca je nanesená vrstva fosforu a na základni trubice je umiestnená katóda, ktorá pri zahrievaní emituje elektróny. Katóda je umiestnená v riadiacom valci, na konci ktorého je otvor. Cez ňu vychádza elektrónový lúč. Činnosť riadiaceho valca je podobná pôsobeniu mriežky v trióde: zmenou záporného potenciálu riadiaceho valca regulujú počet elektrónov v lúči a tým menia jas tých miest na obrazovke, kde zasiahne elektrónový lúč. Za riadiacim valcom sa nachádzajú zaostrovacie a urýchľovacie anódy.

Medzi riadiacim valcom a zaostrovacou anódou je nerovnomerné elektrické pole, ktorého ekvipotenciálne plochy majú tvar šošovky A, tzv. elektrostatická šošovka(Obr. 94). Táto šošovka zaostrí elektrónový lúč a udelí elektrónom zrýchlenie, po ktorom elektrónový lúč vstúpi do elektrostatickej šošovky B medzi zaostrovaciu a urýchľovaciu anódu.

Zoberme si elektróny v bodoch 1 a 2. V nich, rovnako ako v iných bodoch, je intenzita elektrického poľa kolmá na ekvipotenciálne plochy a na náboj pôsobia sily F 1 a F 2, ktoré sú opačne smerované k sile poľa v tieto body. Zložky týchto síl F1" a F2" udeľujú zrýchlenie elektrónom pozdĺž osi valcov. Komponent F" 1 vychyľuje lúč smerom nadol a komponent F" 2 - nahor.

Šošovka B dodáva elektrónom dodatočné zrýchlenie a navyše spôsobuje dodatočné zaostrenie elektrónového lúča. Elektróny v lúči preletia prvou polovicou šošovky nižšou priemernou rýchlosťou ako druhou (tam, kde dosiahne 10 4 km/s), takže vychýlenie lúča nadol je väčšie ako nahor. Pri vychýlení smerom k osi v hornej polovici šošovky sa lúč zužuje. To isté sa deje v jeho spodnej polovici. Zmenou potenciálu zaostrovacej anódy sa zmení konvergencia lúča a ten sa zaostrí na matnicu. Na ceste k tienidlu prechádza elektrónový lúč striedavo medzi dvoma pármi dosiek umiestnených vo vzájomne kolmých rovinách s vývodmi smerom von.

Katódu, riadiaci valec, zaostrovaciu anódu, urýchľovaciu anódu tvoria zariadenie tzv elektrónová pištoľ. Poďme zistiť, aké vlastnosti elektrónového lúča sa používajú v katódovej trubici. Keď ho zapneme (obr. 95, a) a zaostríme lúč na obrazovku, uvidíme na ňom svietiaci bod. Elektrónový lúč dopadajúci na fosfor spôsobí jeho žiaru. Táto vlastnosť sa používa na výrobu obrazoviek v katódových trubiciach používaných v osciloskopoch, televízoroch a radaroch.

Pripojme svorky zvislých dosiek k zdroju jednosmerného prúdu. Pohybom lúča (svetelného bodu) po obrazovke vidíme, že lúč sa odchýlil smerom k doske s kladným potenciálom. Keď sa zmení polarita dosiek, zmení sa aj smer posunu lúča v horizontálnej rovine. Keď sú horizontálne dosky pripojené k zdroju prúdu a keď sa zmení polarita, lúč sa bude pohybovať vo vertikálnej rovine. Ak sa na vertikálne umiestnené dosky privedie striedavé napätie, lúč (a svetelná bodka na obrazovke) pod vplyvom výsledného elektrického poľa začne medzi doskami oscilovať v horizontálnom smere (pozdĺž osi X alebo časovej osi t), a keď sa na vodorovné dosky privedie striedavé napätie, bude oscilovať vo vertikálnom smere (pozdĺž osi Y). Vďaka rýchlej vibrácii svetelného bodu na obrazovke sa získa ľahká priamka.

Na bočnú stranu trubice položíme magnet v tvare oblúka. Vidíme, že bod elektrónového lúča sa posunul k okraju obrazovky. Prehodíme póly magnetu, svetelný bod sa odchyľuje cez obrazovku v opačnom smere. (Vzhľadom na to, že lúč je prúd elektrónov, použite pravidlo ľavej ruky na určenie smeru vychýlenia bodu na obrazovke.) Elektrónový lúč je vychyľovaný elektrickými a magnetickými poľami. Vzhľadom na malú hmotnosť elektrónu je elektrónový lúč prakticky inerciálny. Vďaka tomu je možné ho okamžite presunúť.

V osciloskope sa testované napätie privádza na vodorovné dosky (pozri obr. 93) a na zvislé dosky sa zo špeciálneho zariadenia privádza pílovité napätie U-krát (pozri obr. 95, b). Pílové napätie, ktoré sa zvyšuje priamo úmerne s časom, spôsobuje rovnomerný pohyb svetelného bodu na obrazovke v horizontálnom smere počas času t 1, napríklad zľava doprava. Potom veľmi rýchlo klesne na nulu počas času t 2. Počas t 2 sa elektrónový lúč vráti do pôvodnej polohy a proces sa opakuje. Počas spätného zdvihu lúča je na riadiaci valec privedené záporné blokovacie napätie, ktoré blokuje prístup elektrónov na obrazovku osciloskopu. To umožňuje na ňom pozorovať grafické znázornenie rýchlo sa vyskytujúcich periodických elektrických procesov.

Existujú katódové trubice s magnetickým zaostrovaním a vychyľovacími zariadeniami. Používajú sa ako televízne prijímače (obrazovky). Ich konštrukcia je jednoduchšia ako elektrostatická.