Działo elektronowe

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do 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 2800 K. Elektrony uzyskują energię, która pozwala, aby opuściły katodę. Emitowane elektrony są kolimowane i ogniskowane przy pomocy cylindra Wehnelta (pole elektrostatyczne). Wiązka pierwotna ma wtedy średnicę około 50 μm. Potencjał przyłożony do anody wynosi od 1 do 20 kV. Przyspieszenie elektronów następuje w wyniku dużej różnicy potencjałów pomiędzy katodą a anodą[2] (rys. 1).

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

gdzie:

natężenie prądu elektrycznego [A],
– średnica wiązki padającej na próbkę [m],
– połowa kąta apertury obiektywu [°][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. 10 μm). Działa FEG charakteryzują się najmniejszym rozmiarem źródła (maks. 30 nm). 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 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 w próżni) można wyznaczyć długość fali w zależności od zastosowanego napięcia przyspieszającego:

gdzie:

– napięcie przyspieszające elektrony [V].

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

gdzie:

– napięcie przyspieszające elektrony [V].

W skaningowej mikroskopii elektronowej stosuje się najczęściej napięcie przyspieszające z zakresu 10–20 kV, a transmisyjna mikroskopia elektronowa wykorzystuje napięcia 100–400 kV. 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 400–500 kV 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. a b 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].