Оптическая схема электронного прожектора

Основное требование – получение наименьшего сечения электронного пучка в плоскости обработки. Принципиально возможно сфокусировать электроны, испускаемые катодом, при помощи одной линзы. При этом в плоскости обработки создается перевернутое изображение катода. По теореме Лагранжа-Гельмгольца (Рис 3.14а).

(3.35)

Заменяя и через и ( - электронный потенциал в прикатодной области, - электронный потенциал в области изображения) и , - через и , ограничиваясь параксиальными лучами, можем оценить величину изображения катода:

. (3.36)

Выражение (3.36) показывает, что уменьшение сечения луча в плоскости обработки можно обеспечить, уменьшая размер катода ( ), потенциал в прикатодной области ( ) и апертурный угол со стороны катода . Однако уменьшение числителя выражения (36) практически трудно выполнимо по следующим причинам:

- эмиссионная способность катода не может быть сколь угодно большой, и чтобы получить необходимый ток, приходится увеличивать эмитирующую поверхность катода (то есть );

- снижение потенциала в прикатодной области нецелесообразно по двум причинам:

1.Чем ниже потенциал, тем больше разброс начальных скоростей электронов, больше хроматические аберрации.

2.Чем медленнее электроны, тем значительнее действие пространственного заряда, которое приводит к расширению пучка за счет кулоновского расталкивания электронов.

3.Уменьшение апертурного угла со стороны катода приводит к уменьшению тока луча, так чем меньше угол , тем меньшая доля электронов, эмиттируемых катодом, пройдет в отверстие апертурной диафрагмы.

Рисунок 3.14 - Оптическая схема электронного прожектора с одной линзой.

Величину изображения катода можно уменьшить, увеличивая знаменатель выражения (3.36), однако и здесь есть свои ограничения:

- повышение потенциала ( ) в области изображения возможно лишь до определенной величины, лимитируемой электрической прочностью узла. Кроме того, увеличивается рентгеновское излучение и уменьшается чувствительность луча и отклоняющим элементом и магнитным полем;

- увеличение угла требует уменьшения расстояния от линзы до плоскости обработки (см. рис.3.14б), что опять практически нецелесообразно, так как, во-первых, между плоскостью обработки и линзой необходимо иметь пространство для размещения отклоняющей системы (ОС), а во-вторых, резко снижается чувствительность луча и действию ОС. Из сказанного следует:

- электронный прожектор с одной электронной линзой не может обеспечить получение пучка бесконечно малого сечения в плоскости обработки;

- первая линза кроме фокусировки должна ускорять электроны, то есть электрическое поле этой линзы должно доходить до поверхности катода и подхватывать электроны, испускаемые катодом. Поэтому первая линза принципиально должна быть электростатической. Таким образом, первая линза выполняет функции ускоряющего электрода. Последующие линзы могут быть как электростатическими, так и электромагнитными;

- в сечении, проходящем через фокальную плоскость первой линзы, изображение будет минимальным, то есть образуется кроссовер. Обычно кроссовер создается в области диафрагмы анода. Последнюю линзу подбирают так, чтобы она давала изображение кроссовера в плоскости анодной диафрагмы.