5.3.1 Термоэлектронная пушка

• | Печать |

LaB₆ является единственным термоэлектронным источником, использующимся в современных ПЭМ. Кристалла LaB₆ используется в качестве катода в триодной электронной пушке как показано на рисунке 5.1.

В дополнение к катоду, в пушке находится сетка называемая цилиндром Венельта и анод с отверстием в центре, находящийся под потенциалом земли. Как эти три компонента выглядят на практике показано, на рисунке 5.2, где все они показаны разделено. Катод крепится к высоковольтному кабелю, который, в свою очередь, подключается к высоковольтному источнику питания. Кристалл LaB₆ присоединен к металлической проволоке из рения, которая нагревается током, вызывая термоэлектронную эмиссию.

Электроны, покидающие катод, имеют отрицательный потенциал независимо от выбранного ускоряющего напряжения (например, 100 кВ) по отношению к заземленному аноду. Таким образом, они ускоряются этой разностью потенциалов, приобретая энергию 100 кэВ и скорость больше половины скорости света. Теперь, чтобы получить контролируемый пучок электронов через отверстие в аноде идущий далее в микроскоп, мы прикладываем небольшое отрицательное напряжение смещение на цилиндр Венельта.

Электроны, эмитируемые из катода, под действием отрицательного поля Венельта сходятся в точку между Венельтом и анодом, называемую кроссовером, как показано на рисунке 5.1. Мы могли бы управлять нагревом катода и напряжением смещения на Венельте независимо, но электронная схема пушки разработана таким образом, что при увеличении тока эмиссии, увеличивается напряжение смещения на Венельте; эта схема называется самосмещающейся пушкой. Результат такой схемы показан на рисунке 5.3, на котором изображено график зависимости тока эмиссии (i_e) от тока используемого для нагрева катода (i_f). Как можно видеть, i_e достигает максимума, и дальнейшее увеличение тока i_f не приводит к увеличению тока эмиссии. Это условие называется условием насыщения и все термоэлектронные источники должны работать на уровне или чуть ниже насыщения. Нагрев выше насыщения снижает время жизни источника без какого-либо компенсирующего преимущества, работа значительно ниже насыщения уменьшает ток в образце, тем самым снижая интенсивность всех сигналов, поступающих из образца.

В дополнение к оптимизации времени жизни источника, работая на насыщении, вы также оптимизируете яркость источника. Если вы посмотрите на Рисунок 5.1, кроссовер является источником с размером d₀ (уравнение 5.3) и уголом расхождения от кроссовера α₀ (уравнение 5.3). Ток в кроссовере равен току эмиссии i_e. Теперь, как показано на рисунке 5.4 A, если напряжение смещения на Венельте будет слишком низким (диаграмма I), d₀ не будет очень маленьким, а если смещение слишком высокое (диаграмма III) ток эмиссии катода будет подавляться. В обоих случаях β будет маленьким. Оптимальное значение β находится при промежуточном значении напряжения смещении (диаграмма II), как показано на рисунке 5.4 В. Вы были бы правы, если бы подумали, что небольшое напряжение смещения на Венельте направленно против ускоряющего напряжения, так что истинное ускоряющее напряжение пучка должно быть меньше напряжения между катодом и анодом, на величину напряжения смещения на Венельте (которое может быть до 2 кВ), однако, конструкция пушки такова, что она компенсирует эту разницу.

Как достичь насыщения? Один из способов, посмотреть на детектор, который отображает i_e и смотреть когда он дойдет до максимума, при плавном увеличении i_f. Этот метод имеет ряд недостатков, поскольку соответствующие показания не могут быть доступны или, если они есть, они могут быть не очень чувствительными. Таким образом, стандартный способ найти условие насыщения это посмотреть на изображение кроссовера от температуры на экране ПЭМ. Это изображение показывает распределение электронов испускаемых источником. В начале термоэлектронной эмиссии, электроны могут испускаться как от тонкого кончика, так и от области вокруг кончика кристалла. Так как LaB₆ имеют четкую кристаллическую огранку (рис. 5.5 а) недосыщенное изображение будет иметь вид, как показано на рисунке 5.5 В. С увеличением эмиссии гало сжимается в на центральный яркий диск, хотя некоторую структуру все будет видно. Катод по-настоящему насыщен, когда на изображении не видно структуры (рис. 5.5 С).

Лучше всего работать с LaB₆ в условиях чуть ниже насыщения, поскольку это увеличивает время жизни катода без неоправданных потерь сигнала. Электроны в гало являются более когерентными, чем в центральной яркой области и уменьшают энергетический разброс. Кристалл LaB₆ подвержены тепловым ударам, которые могут привести к их поломке, и поэтому необходимо проявлять осторожность при нагревании и охлаждении LaB₆ катода.

Появление изображения катода, как показано на рисунке 5.5, также может быть использовано также для выравнивания наклона пучка, так, чтобы луч проходил вдоль оптической оси ПЭМ. Источники, как правило, предварительно выровнены производителем, так что процедура выравнивания должна быть простой, когда он помещен внутрь Венельта. Как правило, изображение, неровного, недонасыщенного катода асимметрично, как показано на рисунке 5.5B, и в этих условиях все, что вам нужно сделать, это настроить пушку - сделать его симметричным перед окончательным насыщением.

В ПЭМ, обычно работа происходит в режиме широкого пучка, и поэтому нет необходимости оптимизировать β, но мы можем увеличить плотность тока и сделать изображение ярче. Это можно сделать путем уменьшения напряжения смещения на Венельте. После уменьшения смещение, необходимо вернуться назад и изменить i_f, для обеспечения насыщения, так как условия насыщения меняются с изменением напряжения смещения. В этом случае плотность тока, падающего на экран, будет больше, но размер кроссовера будет увеличиваться, уменьшая тем самым β.