Основные физические характеристики электронного пучка. Параметры электронных пучков
Электронный пучок –это направленный поток электронов. Можно, например, получить электронный пучок из электронной лампы. Для этого необходимо сделать в аноде отверстие. Часть электронов ускоренных электрическим полем будут попадать в это отверстие и создавать за анодом электронный пучок. Причем мы сожжем даже управлять количеством электронов в этом пучке. Для этого надо будет поставить между катодом и анодом дополнительный электрод, потенциал которого мы будем изменять.
Основные свойства электронного пучка
- При попадании пучка электронов на поверхность какого-либо тела, он будет вызывать нагревание этого тела.Это свойство электронных пучков широко используется для электронной плавки сверхчистых металлов.
- Получение рентгеновского излучения, которое будет возникать приторможении быстрых электронов. Это свойство широко используется в рентгеновских трубах и аппаратах, сделанных на их основе.
- При попадании пучка электронов на некоторые вещества, например, стекло, они начинают светиться. Этиматериалы получили название люминофоров.
- Электронные пучки будут отклоняться электрическим полем. Если, например, мы пустим пучок электронов между пластинами конденсатора, электроны будут отклоняться от отрицательно заряженной пластины.
- Электронный пучок отклоняется под действием магнитного поля. Если пустить пучок электронов над северным полюсом магнита, то он отклонится в левую сторону, а если над южным – в правую сторону. Именно поэтому полярное сияние можно наблюдать толькоу полюсов Земли.
Последние три свойства электронного пучка нашли применение в электронно-лучевой трубке.
Электронно-лучевая трубка
Общий вид и устройство электронно-лучевой трубки представлены на следующем рисунке:
картинка
В узком краю ЭЛТ расположена электронная пушка. Она состоит из катода и анода и является источником пучка электронов. В электронной пушке пучок электронов разгоняется до нужной скорости. Помимо этого, в электронной трубке пучок электронов фокусируется таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения была почти точечных размеров.
После того, как пучок вылетает из электронной пушки он последовательно проходит через две пары управляющих пластин. Они способствуют изменению направления пучка. Если на них нет разности потенциалов, то пучок будет направлен в середину экрана. Если мы подадим напряжение на вертикально расположенные пластины, пучок сместится в горизонтальном направлении на некоторый угол. Если мы подадим напряжение на горизонтально расположенные пластины, соответственно, пучок сместится в вертикальном направлении. Таким образом, используя две пары пластин, мы можем добиться смещение луча в любую точку экрана.
Электронные пучки представляют собой поток быстро летящих электронов. Электронные пучки образуются в электронной лампе и различных газоразрядных устройствах.
Электронные пучки обладают следующими свойствами:
- вызывают свечение некоторых твердых и жидких тел (стекла, сульфидов цинка и кадмия). В настоящее время применяются люминофоры, у которых до 25 % энергии электронного пучка превращается в световую:
- при торможении быстрых электронных пучков в веществе возникает рентгеновское излучение. Это используется в рентгеновских трубках;
- электронные пучки отклоняются в электрических полях, например, в поле плоского конденсатора происходит смещение электронного пучка к положительно заряженной пластине;
- электронные пучки отклоняются в магнитных полях вследствие действия на электроны силы Лоренца. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются в одну сторону, а пролетая над южным полюсом - в противоположную сторону. Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что они огибают поверхность Земли и лишь в полярных областях небольшая часть этих частиц вторгается в верхние слои атмосферы и вызывает свечение газов атмосферы у полюсов (северное сияние);
- при попадании на вещество электронные пучки нагревают его и оказывают механическое действие. Нагревание, которое вызывает электронный пучок, попадая на какое-либо тело, используют для плавки сверхчистых металлов в вакууме;
- электронный пучок при попадании на фотопленку вызывает ее потемнение.
Благодаря возможности управлять электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечению покрытого люминофором экрана под действием пучка его применяют в электронно-лучевой трубке.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 298.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУЧОК
- поток
электронов, движущихся по близким траекториям в одном направлении, имеющий размеры,
значительно большие в направлении движения, чем в поперечной плоскости. Поскольку
Э. п. является совокупностью одноимённых заряж. частиц, внутри него имеется
пространственный заряд
электронов, создающий собств. электрич. поле.
С др. стороны, движущиеся по близким траекториям электроны можно рассматривать
как линейные токи, создающие собств. магн. поле. Электрич. поле пространств.
создаёт силу, стремящуюся расширить пучок ("кулоновское расталкивание"),
магн. поле линейных токов создаёт силу Лоренца, стремящуюся сжать пучок. Расчёт
показывает, что действие пространств. заряда начинает заметно сказываться (при
энергиях электронов в неск. кэВ) при токах в неск. десятых мА, тогда как "стягивающее"
действие собств. магн. поля заметно проявляется только при скоростях электронов,
близких к скорости света-энергии электронов порядка МэВ. Поэтому при рассмотрении
Э. п., используемых в разл. электронных приборах, техн. установках, в первую
очередь необходимо принимать во внимание действие собств. пространств. заряда,
а действие собств. магн. поля учитывать только для релятивистских пучков.
Интенсивность Э. п
. Осн. критерием условного разделения Э. п. на неинтенсивные и интенсивные
является необходимость учёта действия поля собств. пространств. заряда электронов
пучка. Очевидно, чем больше ток пучка, тем больше пространств. заряда,
сильнее расталкивание. С др. стороны, чем больше скорость электронов, тем меньше
скажется на характере движения электронов собств. электрич. поле пучка - чем
выше энергия электронов, тем "жёстче" пучок. Количественно действие
поля пространств. заряда характеризуется коэф. пространственного заряда - п
е р в е а н с о м, определяемым как
где I
-ток пучка;
U
-ускоряющее напряжение, определяющее энергию электронов пучка
.
Заметное влияние пространств.
заряда на движение электронов в пучке начинает проявляться при P>=P* =
= 10 -8 А/В 3/2 = 10 -2 мкА/В 3/2 .
Поэтому к интенсивным пучкам принято относить Э. п. с Р>P*
.
Неинтенсивные пучки (с
Р<Р*
)малого сечения, часто называемые электронными лучами, рассчитываемые
по законам геом. электронной оптики без учёта действия поля собств. пространств.
заряда, формируются с помощью электронных прожекторов и используются в основном
в разл. электронно-лучевых приборах
.
В интенсивных пучках действие
собств. пространств. заряда существенно влияет на характеристики Э. п. Во-первых,
интенсивный Э. п. в пространстве, свободном от внеш. электрич. и магн. полей,
за счёт кулоновского расталкивания неограниченно расширяется; во-вторых, за
счёт отрицат. электрич. заряда электронов пучка происходит падение потенциала
в пучке. Если с помощью внеш. электрич. или магн. полей ограничить расширение
интенсивного пучка, то при достаточно большом токе потенциал внутри пучка может
понизиться до нуля, пучок "оборвётся". Поэтому для интенсивных пучков
существует понятие предельного (максимального) первеанса. Практически при ограничении
расширения пучка внеш. полями удаётся сформировать протяжённые устойчивые интенсивные
пучки с P
5 . 10
мкА/В 3/2 .
Полное матем. описание
интенсивных Э. п. затруднительно, поскольку реальный электронный поток состоит
из множества движущихся электронов, учесть взаимодействие между к-рыми практически
невозможно. При введении нек-рых упрощающих предположений, в частности, заменяя
сумму сил, действующих на выбранный электрон со стороны соседних электронов,
силой действия на этот электрон
нек-рой электрически заряженной среды с непрерывно распределённой плотностью
пространств. заряда и разбивая весь пучок на совокупность "трубок тока",
удаётся с помощью ЭВМ рассчитать с достаточной для практич. целей точностью
осн. параметры интенсивного пучка: форму пучка (огибающую), распределение плотности
тока и потенциала по сечению пучка.
Геометрия Э. п
. Практически
применяются пучки трёх конфигураций: ленточные (плоские), имеющие в поперечном
сечении вид прямоугольника с "толщиной", значительно меньшей "ширины",
осесимметричные, имеющие в поперечном сечении форму круга, и трубчатые, имеющие
в поперечном сечении форму кольца. Для формирования Э. п. таких типов разработаны
соответствующие электронные пушки
и системы ограничения.
Влияние пространств. заряда
неодинаково в пучках разл. конфигурации. Наиб. влияние на характер движения
электронов на границе Э. п. имеет составляющая напряжённости электрич. поля,
создаваемого пространств. зарядом, направленная перпендикулярно оси осесимметричных
пучков и широкой стороне ленточных.
Радиальная составляющая
напряжённости электрич. поля на границе осесимметричного пучка прямо пропорциональна
току пучка и обратно пропорциональна радиусу его сечения и скорости электронов
пучка. Это создаёт силу, направленную от оси, стремящуюся расширить пучок. Расталкивающая
сила тем больше, чем больше ток, меньше скорость и радиус пучка. Теоретически
в осесимметричных пучках траектории электронов не могут пересечь ось, а сечение
пучка нельзя свести в точку, т. к. при уменьшении сечения расталкивающая сила
неограниченно возрастает.
Огибающие осесимметричных электронных пучков: g 0 -угол входа пучка в свободное от полей прост ранство; r 0 - начальный радиус; 1 - расходящийся пучок (g 0 >0); 2-цилиндрический пучок (g 0 =0); 3 , 4, 5-сходящиеся пучки (g 0 <0). Пучок 4 - опти мальный, так как кроссовер (наименьшее сечение ) пучка находится на самом удалённом расстоянии (z/l =0,5) от исходной плоскости .
Огибающая интенсивного
осесимметричного пучка в пространстве, свободном от электрич. и магн. полей,
описывается зависимостью, близкой к экспоненциальной. На рис. показаны огибающие
осесимметричных пучков,
имеющих до входа в
свободное пространство цилиндрическую (кривая 2, g 0 = 0), расходящуюся
(кривая 1, g 0 >0) и сходящуюся (кривые 3-4, g 0 <0)
формы (g 0 - угол наклона касательной к огибающей пучка, угол
входа). Как видно на рис., пучки, первоначально сформированные как цилиндрические
(g 0 = 0) и расходящиеся (g 0 >0), в свободном от
полей пространстве неограниченно расширяются; пучки, сформированные как сходящиеся,
вначале сжимаются (r
/r
0 <1), проходят плоскость наименьшего
сечения (плоскость кроссовера), затем также начинают расширяться. Радиус мин.
сечения пучка - радиус кроссовера-определяется выражением
где r
0
- радиус Э. п. до входа в свободное пространство.
Радиус кроссовера тем меньше,
чем меньше первеанс и больше | g 0 |. С ростом (по абс. величине)
угла входа пучка в свободное от полей пространство (g 0) плоскость
кроссовера сначала удаляется от исходной плоскости, за-
тем начинает приближаться
к ней (последовательно кривые 3, 4, 5). Для каждого значения первеанса существует
оптимальный "угол влёта" g 0 , при к-ром кроссовер
наиб. удалён от исходной плоскости, то есть Э. п. с данным первеансом может
быть проведён на наибольшее расстояние с радиусом, не превышающим исходный.
Ленточные интенсивные пучки
в свободном от электрич. и магн. полей пространстве также неограниченно расширяются
(становятся "толще"), контур огибающей пучка описывается параболич.
законом. В отличие от осесимметричного пучка, ленточный пучок при оптимальном
входном угле теоретически может быть сведён в линию, т. е. может быть получен
линейный фокус. Пучки др. конфигураций в свободном пространстве также неограниченно
расширяются; трубчатый Э. п. расширяется несколько меньше, чем сплошной осесимметричный.
Эксперим. проверка полученных
расчётных соотношений затруднена, поскольку само понятие границы (огибающей)
интенсивного пучка условно, т. к. в реальных пучках плотность тока при удалении
от оси осесимметричного или от ср. плоскости ленточного пучков спадает постепенно,
и границей пучка условно считается окружность или прямая, вдоль к-рой плотность
тока составляет нек-рую малую долю (~0,1) её макс. величины на оси.
Потенциал Э. п
. Падение
потенциала внутри интенсивного пучка ограничивает возможность формирования протяжённого
интенсивного пучка с высоким первеансом. Тео-ретич. исследования показывают,
что в интенсивном неограниченном потоке, заполняющем пространство между двумя
плоскими параллельными проводящими поверхностями с одинаковым потенциалом, определяющим
энергию электронов потока, с увеличением тока в ср. плоскости образуется минимум
потенциала. При достижении P=
18,64 мкА/В 3/2 потенциал спадает
до нуля, образуется виртуальный катод
,часть электронов проходит через
плоскость минимума, часть отражается к исходной плоскости, нормальное токопрохождение
нарушается. Эксперим. проверка подтверждает это, именно при приближении P
к 18,64 мкА/В 3/2 в потоке возникают неустрйчивости,
электронных слоев, прохождение тока нарушается.
В реальных Э. п., ограниченных
внеш. электрич. и магн. полями, также происходит падение потенциала, но т. к.
в большинстве приборов, где используются интенсивные Э. п., протяжённый пучок
пропускается через трубу с положит. потенциалом, на поверхности пучка удаётся
поддерживать потенциал, близкий к потенциалу трубы. Но и при наличии проводящей
трубы потенциал на оси осесимметричного или в ср. плоскости ленточного пучков
заметно понижается, и по достижении достаточно большого первеанса (большего,
чем в случае неограниченного потока) возникает неустойчивость, пучок обрывается.
Формирование Э. п
. Поскольку
Э. п. в свободном пространстве неограниченно расширяется, при практич. использовании
интенсивных пучков кроме системы, формирующей пучок,- электронной пушки-необходима
система, ограничивающая расхождение пучка. Расширение Э. п. ограничивается с
помощью внеш. электрич. и магн. полей. Классич. пример протяжённого интенсивного
Э. п.- т. н. п о т о к Б р и л л ю э н а - цилиндрич. пучок, ограниченный продольным
однородным магн. полем. При определ. соотношении четырёх величин - нач. радиуса
r
0 , тока пучка I
, U
0 , определяющего энергию электронов до входа в магн. поле, и магн. индукции
продольного однородного магн. поля B
0 - теоретически возможно
получить устойчивый цилиндрич. Э. п. При оптимальном соотношении r
0 ,
I
, U
0 и B
0 макс. первеанс
бриллюэновского потока достигает 25,4 мкА/В 3/2 . При макс. первеансе
потенциал на оси пучка составляет всего 1/3 значения на границе. При ограничении
магн. полем трубчатых пучков можно получить ещё большие значения первеанса.
Практически сформировать
протяжённые Э. п. с первеансом, близким к теоретически максимально возможному,
не удаётся из-за ряда причин: разброса нач. скоростей электронов, эмитированных
катодом, трудности создания ограничивающих
полей строго заданной конфигурации, практич. невозможностью строго выполнить
нач. условия ввода пучка в систему ограничения и др. Реальные Э. п. имеют волнистую
и пульсирующую границы, форма пучка не остаётся неизменной. Поэтому для предупреждения
оседания электронов пучка на поверхности пролётного канала радиус проводящей
трубки, сквозь к-рую пропускается интенсивный пучок, выбирается на 20-30% больше
радиуса пучка.
Лит.:
Алямовский
И. В., Электронные пучки и электронные пушки, M., 1966; Молоковский С. И., Сушков
А. Д., Интенсивные электронные и ионные пучки, 2 изд., M., 1991.
А. А. Жигарев .
Электронные пучки представляют собой направленные потоки быстро движущихся электронов; поперечные размеры пучков обычно значительно меньше их длины. Электронные пучки впервые были обнаружены в газовом разряде, происходящем при пониженном давлении: наблюдались слабое голубое свечение вдоль оси газоразрядной трубки и флуоресценция стеклянных стенок трубки, которые объяснялись воздействием так называемых к а- тодных лучей (опыты английского физика У. Крук- са). Дальнейшие исследования привели к открытию электрона (английский физик Дж. Томсон, 1897 г.), а сами лучи были отождествлены с потоками электронов.
В настоящее время электронные пучки образуются в электронно-вакуумных приборах, использующих явление термоэлектронной эмиссии. Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Количеством электронов в пучке можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал. Электронные пучки имеют ряд свойств, благодаря которым они находят широкое практическое применение.
Свойства электронных пучков и их применение
Электронные пучки обладают энергией. Попадая на тела, они вызывают их нагревание. В современной технике это свойство используют для электронной плавки сверхчистых металлов в вакууме.
При попадании на пластинку из металла большой плотности (вольфрама, платины) электронные пучки тормозятся, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Это свойство используют в рентгеновских трубках, о чем будет рассказано в дальнейшем.
Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. В настоящее время среди материалов этого типа (люминофоров) применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка.
Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами заряженного конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 3.39).
Электронные пучки отклоняются также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным полюсом -^вправо (рис. 3.40). Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния) наблюдается только у полюсов.
Рис. 3.40
Рис. 3.39
Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение под действием пучка покрытого люминофором экрана находит применение в электронно-лучевой трубке.
Электронно-лучевая трубка
Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 3.41. Трубка представляет собой вакуумный баллон, изго-товленный в виде колбы, расширенной с одной стороны. Расширенное дно колбы покрыто люминофором и образует экран трубки. В узком конце трубки помещен источник быстрых электронов - электронная пушка (рис. 3.42). Она состоит из накаливаемого оксидного катода К и трех коаксиальных цилиндров: управляющего электрода (сетки) М, первого анода Ах и второго анода А2.
Электроны испускаются нагретым оксидным слоем торца цилиндрического катода и проходят через отверстие в ци-линдрическом управляющем электроде. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода (-20...-70 В) и сжимает своим полем выходящий из катода электронный пучок. Изменяя этот потенциал, можно изменять количество электронов в пучке, т. е. его интенсивность.
Каждый анод состоит из дисков с небольшими отверстиями, вставленных в металлический цилиндр. Потенциал первого анода положителен относительно катода, а потенциал второго анода положителен относительно первого анода. Электрические поля между электродом М и анодом Ау, а также между анодами Ах и А2, ускоряющие электроны, показаны на рисунке 3.42 при помощи эквипотенциальных поверхностей. Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов происходила и фо-кусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади его
Вертикально отклоняющие
пластины Рис. 3.41
поперечного сечения. На экране, в том месте, куда попадает электронный пучок (узко сфокусированный электронный пучок иногда называют электронным лучом), возникает свечение.
После электронной пушки сфокусированный электронный пучок на пути к экрану проходит последовательно между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора. Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка распо-лагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении. Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении.
Малая масса электронов в электронном пучке обеспечивает малую инерционность электронно-лучевой трубки: электронный пучок практически мгновенно реагирует на изменение напряжения на управляющих пластинах. На этом свойстве электронных пучков основано использование электронно-лучевой трубки в электронном осциллографе - приборе, который применяется для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях.
В электронно-лучевой трубке, применяемой в телевизоре (так называемом кинескопе), управление электронным пучком осуществляется с помощью магнитного поля. Это поле создают катушки, надетые на горловину трубки.
Дисплей
Широкое применение имеют электронно-лучевые трубки в присоединяемых к электронно-вычислительным машинам (ЭВМ) устройствах - дисплеях. На экран дисплея, подобный экрану телевизора, поступает информация, записанная и пе-реработанная ЭВМ. Можно непосредственно видеть текст на любом языке, графики различных процессов, изображения реальных объектов, а также воображаемые объекты, подчиняющиеся законам, записанным в программе ЭВМ.
В электронно-лучевых трубках формируются узкие элек-тронные пучки, управляемые электрическими и магнит-ными полями. Эти пучки используются в осциллографах, кинескопах телевизоров, дисплеях ЭВМ.