Электронный проектор

Проектор является одним из простейших электронных при­боров. В центре стеклянной или кварцевой колбы, покрытой внутри тонким слоем флюоресцирующего вещества, нанесенного на проводящую подкладку, помещается вольфрамовое острие. Это острие получается травлением кусочка очень тонкой проволоки, приваренной к центру проволочной петли, закрепленной на более массивных траверзах (рис. 6.1). Путем подбора подходящего режима травления радиус закругления острия может быть доведен до нескольких сотен ангстрем. Между острием и флюоресцирующим экраном прикладывается разность потенциалов в 2 - 3 кв. Описанная конструкция приближается к сферическому конденсатору, и напряженность электрического поля вблизи поверхности ост­рия достигает в указанных условиях сотен миллионов вольт на сантиметр (в самом деле, , что при = 2•10³ В и r = 500 А дает Е = 4•10⁸ B/см).

Электроны удержива­ются внутри металла элект­рическими силами и сами по себе не могут выйти за его пределы. Электронная эмиссия наблюдается, если ме­талл освещен (фотоэффект), нагрет (термоэлектронная эмиссия), бомбардируется быстрыми электронами или ионами (вторичная эмиссия). Во всех этих случаях необходимая энергия сообщается электронам металла от внешнего источника, и если она оказывается достаточ­ной для преодоления потенциального барьера у поверхности, то наблюдается эмиссия электронов.

Рис. 6.1, Электронный проектор.

Помимо упомянутых типов эмиссий существует еще один особый случай испускания электронов из твердых тел, так называемая автоэлектронная эмиссия. Протяженность потенци­ального барьера, существующего на границе металла и препят­ствующего выходу электронов, безгранична, если электрическое поле в вакууме у поверхности металла отсутствует или явля­ется тормозящим; протяженность барьера уменьшается при на­личии ускоряющего поля. Чем больше напряженность поля Е, тем уже барьер. Как видно из рис. 6.2. ширина барьера и напряженность поля связаны соотношением

(6.1)

где высота барьера, отсчитанная от уровня полной энергии электрона внутри металла. С точки зрения классической ме­ханики, независимо от толщины барьера, электрон, полная энер­гия которого внутри металла меньше высоты барьера, ни при каких условиях не сможет покинуть металл и выйти в вакуум. Иная ситуация складывается в квантовой механике: в силу существования волнового процесса, ассоциированного с движу­щимся электроном, проникновение электрона через запрещенную область в волновой механике оказывается возможным. Совер­шенно так же в волновой оптике оказывается возмож­ным проникновение лучистой энергии в среду с меньшим коэффициентом преломления в условиях полного внутрен­него отражения. В рамках геометрической оптики этот процесс полностью исклю­чен. Аналогия идет дальше, и подобно тому, как в вол­новой оптике интенсивность потока лучистой энергии, проникающего внутрь менее преломляющей среды, убы­вает с расстоянием по пока­зательному закону, так и в случае автоэлектронной эмиссии вероятность проник­новения электронов сквозь барьер убывает с его тол­щиной по такому же зако­ну. Расчет дает следующую формулу для плотности тока в случае автоэлектронной эмиссии:

(6.2.)

где С₁ и С₂ - константы, зависящие от свойств ме­талла (в частности, величи­на С₂ пропорциональна работе выхода металла в степени 3/2). Для большинства металлов вероятность проникновения элек­тронов сквозь барьер, а вместе с ней и ток автоэлектронной эмиссии достигают значений, доступных измерению, при на­пряженности поля порядка 10⁷ B/см.

Приведенные цифры показывают, что в электронном про­екторе с поверхности острия должна происходить интенсивная автоэлектронная эмиссия. Электроны, испускаемые острием, приобретают под действием сильного электрического поля радиальное ускорение и, устремляясь к флюоресцирующему экрану, бомбардируют его. Свечение экрана пропорционально плотности электронного тока. Плотность тока на данном участке экрана, в свою очередь, определяется плотностью первичного автоэлектронного тока с соответствующего элемента эмиттера. В результате на экране возникает распределение свечения, которое будет воспроизводить в увеличенном масштабе локаль­ное распределение автоэлектронной эмиссии. Очевидно, что масштаб увеличения т определяется просто отношением радиуса колбы, на которую нанесен экран, к радиусу закругления острия, т. е.

(6.3)

При значениях R = 5 см и r = 500 А увеличение достигает огромной величины - 10⁶ крат. На рис. 6.3а. и 6.3б. приведена в качестве иллюстрации серия фотографий распределения свечения на экране для острий из различных материалов.

Рис. 6.2. Автоэлектронная эмиссия. Из­менение ширины потенциального барье­ра при возрастании напряженности электрического поля. Р (х) - потенциаль­ная энергия электрона.

Рис, 6.3а. Электронно-микроскопичесхое изобра­жение острия из торированного вольфрама на различных стадиях акти­вации (при различных по­крытиях Тh на W).

1) Чистый вольфрам (пос­ле прогрева до 2800 К).

2) Ранняя стадия актива­ции (после прогрева ост­рия до 2600 К для вос­становления окиси тория в толще вольфрама и по­следующего кратковре­менного прогрева при 2000 К; часть восстанов­ленного тория диффунди­рует на поверхность воль­фрама).

3) Последующая стадия активации (про­грев при 2000 К в течение 13 мин - продолжение объемной диффузии Тh на поверхность W).

4) Оптимальное покрытие Тh на W, установившееся в ре­зультате поверхностной миграции Тh (прогрев при рабочей температуре 1800 К в течение двух часов).

Рис. 6.3б. Электронно-ми­кроскопическое изображе­ние острия из молибдена, на который наносится то­рий из внешнего источника.

1) Чистый молибден.

2) На часть острия на­несен массивный слой Тh.

3) Слой Тh начинаем ми­грировать по поверхности (прогрев при 1000 К).

4) Поверхностное покрытие Тh уменьшается в ре­зультате диффузии Тh внутрь Мо или образования сплава обоих металлов (прогрев при 1000-1300 К).

5) Покрытие уменьшается в сильной степени в результате испарения или внутренней диффузии (прогрев при 1700 К).

Возникает естественный вопрос, за счет каких причин авто­электронная эмиссия оказывается различной на разных участках эмиттирующей поверхности. Существуют несколько причин, приводящих к этому явлению. Прежде всего, острие благодаря температурной тренировке кристаллизуется, утрачивает сфери­ческую форму и приобретает форму многогранника, который отвечает кристаллической структуре металла острия. Вследствие изменения формы острия напряженность поля вдоль его по­верхности перестает быть постоянной: она возрастает на реб­рах и вершинах многогранника. Кроме того, следует учесть, что работа выхода электрона через различные грани металли­ческого кристалла различна. Действие обеих причин, как сле­дует из формулы (6.2), должно приводить, даже при небольших вариациях электрического поля и работы выхода, к заметному изменению в величине автоэлектронной эмиссии. Симметричная картина свечения, получающаяся на экране наглядно демонстрирует влияние кристаллической структуры на распределение эмиссии.

Электронный проектор позволяет, таким образом, рассмат­ривать и изучать микроструктуру металлической поверхности, применяя огромные увеличения. Получая ряд последовательных фотографий свечения на протяжении процесса термической обработки острия, можно следить за изменением кристалли­ческой структуры данного металла. Конденсируя на поверх­ности эмиттера чужеродные атомы, например атомы щелоч­ных металлов, которые при адсорбции заметно изменяют работу выхода основного металла, можно судить о процессах поверхностной миграции этих атомов, о зависимости адсорбции от кристаллографических направлений и т. д.

Остановимся вкратце на вопросе о разрешающей силе элек­тронного проектора. Четкость изображения на экране помимо технологических и «электротехнических» причин (зернистость экрана, колебания в эмиссии из-за недостаточности стабиль­ности высокого напряжения и др.) определяется хроматической аберрацией и дифракцией электронов. В приведенном схемати­ческом описании механизма действия проектора предполага­лось, что электрон, покинувший поверхность металла, лишен начальной скорости и движется строго прямолинейно по радиусу. В действительности эмиттируемые электроны обла­дают небольшим разбросом в начальной энергии, и пучок траекторий, выходящий из одной точки эмиттера, дает на экране не точку, а слегка размытое пятнышко. Диаметр кружка размытия определяется величиной разброса тангенциальной составляющей начальной скорости и может быть вычислен, если учесть, что электронные траектории в поле центральных сил в рассматриваемом случае представляют собой гиперболы (кеплеровские эллипсы получаются при наличии притягательных сил и отрицательной полной энергии; в проекторе электрон отталкивается от острия, которое заряжено отрицательно). Расчет дает следующую формулу для диаметра кружка раз­мытия на экране:

(6.4)

здесь U₀ - разность потенциалов, отвечающая разбросу в тан­генциальных значениях скорости, U — разность потенциалов, приложенная к проектору. Разрешение прибора будет опреде­ляться диаметром соответствующего кружка на эмиттере, т. е. Величиной

Механизм снижения разрешающей силы за счет электронной дифракции в принципе совершенно такой же, как и в обычных оптических инструментах. Обе причины вносят известные огра­ничения лишь при переходе к анализу деталей атомных размеров.

В заключение заметим, что недавно построены приборы, в которых и эти ограничения в значительной степени преодо­лены. Допустим, что в зону вблизи острия поступает тонкая струйка атомов гелия в режиме молекулярного истечения, и предположим, что острие заряжено положительно относительно экрана, так что условия для возникновения автоэлектронной эмиссии отсутствуют. Атомы гелия, попадающие в непосред­ственную близость с острием, оказываются в огромном элект­рическом поле, и если напряженность электрического поля такова, что на протяжении поперечника атома создастся паде­ние потенциала порядка ионизационного потенциала, то может произойти ионизация атома в электрическом поле. Возникший ион будет ускорен по направлению к экрану и, бомбардируя его, вызовет свечение. Образование контрастного изображения в этом случае связано с тем, что условия ионизации атомов гелия вблизи ребристой поверхности кристаллического острия оказываются разными в зависимости от микроскопического рельефа. При использовании данного метода удается обнару­жить детали рельефа, обладающие атомными размерами. Боль­шая, примерно в 8000 раз, масса ионов гелия, по сравнению с массой электрона, приводит к уменьшению длины волны де-Бройля, а следовательно, и к уменьшению дифракционного размытия, Охлаждение всего прибора в жидком водороде или гелии уменьшает начальные скорости и снижает аберрационное раз­мытие.

На рис. 6.4 приведена фотография структуры вольфрамового острия, полученная с ионным проектором описанного типа.

Усилитель света (электронно-оптический преобразователь)

Этот прибор, изобретенный около 72-75 лет тому назад, в настоящее время используется, с одной стороны, как состав­ная часть ряда телевизионных приборов, а, с другой стороны, как самостоятельный прибор, трансформирующий лучистую энергию из одной спектральной области в другую и позво­ляющий увеличить яркость наблюдаемой картины.

На рис. 6.5 изображена схема устройства простейшего пре­образователя. Вакуумный сосуд, имеющий форму двух встав­ленных друг в друга стаканов, откачивается до высокого вакуума. Полупрозрачный фотокатод и флюоресцирующий экран наносятся внутри сосуда на донья стаканов, как это показано на рисунке. Между катодом и экраном приклады­вается разность потенциалов в 10-15 кв. При освещении фотокатода он становится источником электронов. Фотоэлектроны под дей­ствием ускоряющего поля устремляются по направлению к экрану, бомбар­дируют его и вызывают свечение. Если на поверх­ность фотокатода спроек­тировано изображение ка­кого-либо предмета, то фотоэлектронная эмиссия из каждой точки катода будет пропорциональна ее освещенности. Возникшее электронное изображение будет находиться в строгом соответствии с распределением света и тени на фотока­тоде и после перенесения на экран вновь превратится в свето­вое изображение.

Рис. 6.5. Схематическое изображение прос­тейшего электронно-оптического преобразо­вателя.

В таком виде описанная процедура, разумеется, лишена большого смысла, так как вторичное оптическое изображение будет просто ухудшенным по разрешению, контрастности и цвету изданием первичного изображения. Если, однако, первич­ное изображение было получено в лучах, невидимых глазом, например инфракрасных, то рассматриваемый прибор действи­тельно сыграет роль преобразователя и превратит невидимое глазом изображение в светящуюся картину на экране. Другая возможность состоит в том, что промежуточное электронное изображение можно с большим удобством, чем оптическое, подвергать быстрой развертке, что важно в телевизионной технике. Наконец, промежуточное электронное изображение может быть усилено, что открывает перспективы усиления яркости светового изображения, т. е. дает решение задачи, принципиально неразрешимой в рамках обычной оптики.

Остановимся на вопросе о качестве изображения в пре­образователе света.

Разрешающая сила картины, получаемой на экране, и в этом приборе оказывается ограниченной из-за действия хроматиче­ской аберрации. Разброс в начальных энергиях фотоэлектронов в соответствии с уравнением Эйнштейна для фотоэффекта достигает в видимой области спектра 0,5-1,0 эв; в результате точечный источник электронов на катоде изобразится в виде пятнышка на экране. Траектории электронов в однородном поле представляют собой параболы, и простой расчет приводит к формуле для диаметра кружка размытия на экране, вполне аналогичной формуле (6.4):

(6.5)

Здесь l - расстояние между катодом и экраном, U₀ и U имеют такие же значения, что и в формуле (6.4). При l = 1 см, U₀ = 1 B и U = 10⁴ B точка на катоде изобразится на экране в виде пятна диаметром 0,4 мм, т. е. разрешение картины получается низким. Значительно лучшие результаты получаются при исполь­зовании электронно-оптической фокусировки. Теперь диаметр кружка размытия, отнесенный к катоду, определяется по фор­муле

(6.6)

Здесь Е₀ - напряженность электрического поля вблизи катода. При реальных значениях U₀ и Е₀ (для простой системы с однородным полем Е₀ = U₀/l разрешающая сила прибора с фокусировкой оказывается во много раз более высокой. В частности, при U₀ = 1 B и Е₀ = 10⁴ B/см величина равна 1/1000 мм. В этом случае разрешающая сила оказывается ограниченной уже только зернистостью экрана и другими факторами, не связанными с электронно-оптическими эффек­тами.

Примером электронно-оптической системы, используемой для получения изображения в преобразователях, может служить система электродов, изображенная на рис. 6.6. Помимо резкого повышения разрешающей силы использование электронной оптики позволяет получить на экране уменьшенное изображе­ние картины, спроектированной на катод. В этом случае яркость изображения возрастает в соответствии с увеличением плотности электронного тока, которая пропорциональна квад­рату линейного уменьшения. Размеры картины на экране затем могут быть снова увеличены до исходных с помо­щью обычной оптики без существенной потери в яркости. Таким образом, даже такая сравнительно простая система приводит в конечном счете к выигрышу в яркости.

Несравненно большее усиление яркости может быть достиг­нуто в каскадных системах «контактного типа». На рис. 6.7 схематически изображено устройство подобного рода, содер­жащее два промежуточных каскада усиления. Здесь буквой К₁ изображен первичный полупрозрачный фотокатод, буквами К₂ и К₃ - промежуточные, также полупрозрачные фотокатоды,

Рис. 6.6. Электронно-оптический преобразователь с уменьшенным изобра­жением.

Рис. 6.7. Трехкаскадный усилитель света. К₁, К₂, К₃, - полупрозрачные фотокатоды; М₁, М₂, М₃ - полупрозрачные экраны.

нанесенные на одну сторону тонких прозрачных мембран. На другой стороне каждой мембраны нанесены флюоресци­рующие экраны М₁ и М₂; третий экран нанесен на торцевом стекле трубки. Электронное изображение переносится с каждого катода на экран с помощью подходящей электронной линзы. Оптическое изображение, возникающее на экране, создает электронное изображение на катоде, который находится в оп­тическом контакте с экраном.

Разъясним, каким образом может быть получено усиление света в такой системе. Рассмотрим с этой целью один элемент каскадного усилителя света (рис. 6.8). Пусть фоточувствитель­ность катода составляет ампер на люмен, светоотдача экрана - люменов на ватт и разность потенциалов, прило­женная между катодом и экраном U вольт. Если приходящий на элемент электронный ток равен i₁ а уходящий – i₂, то усиле­ние имеет место при

(6.7)

Но, как легко понять,

(6.8)

Следовательно, для уси­ления должно быть вы­полнено условие:

(6.9)

Рис. 6.8. Элемент каскадного усилителя света.

Возьмем численный пример: для хорошего полупрозрачного сурьмяно-цезиевого фотокатода величина достигает 4x10^-5 а/лм, для полупрозрачного экрана численные значения составляют около 20 лм/вт. Тогда увеличение интенсивности будет достигнуто при U > 2500 B, а, например, при U = 20 кB на каждом каскаде общее усиление в приборе, изображенном на рис. 6.7, должно быть порядка 8³, т. е. 500 (фактиче­ски в приборе имеются три каскада усиления: два проме­жуточных и один, образуемый первичным катодом К₁ и ко­нечным экраном М₃).

В настоящее время каскадные усилители света строятся с общим усилением до 10⁵ при рабочем напряжении 10 кB на каскаде. Наличие нескольких каскадов, разумеется, снижает разрешающую силу прибора, но использование достаточно тонких мембран и мелкозернистых экранов позволяет получать в четырехкаскадной системе разрешение 20 - 30 штрихов на миллиметр. Заметим, что для ликвидации «оптической обрат­ной связи», т. е. обратной засветки излучением экрана преды­дущего фотокатода, применяется покрытие поверхности экрана тонким слоем металла, прозрачным для быстрых электронов и непрозрачным для света.

Усиление света в 10⁴-10⁵ раз позволяет наблюдать на выходном экране прибора вспышки света, вызванные отдельными фотонами. Дальнейший рост коэффициента усиления не сопровождается получением какой-либо дополнительной информации об изучаемом объекте, хотя и может оказаться полезным в некоторых случаях.

За последние годы в качестве усилительного каскада в преобразователях света все чаше применяются так называе­мые «микроканальные пластины». Они изготавливаются из стекла и имеют множество сквозных каналов диаметром в десятки микрон. Электронное изображение с первичного фото­катода переносится на поверхность пластины, обращенную к фотокатоду. Электронный поток элемента изображения, попадая на входное отверстие данного канала и проникая внутрь, нарастает в интенсивности за счет процесса вто­ричной электронной эмиссии со стенок канала. При раз­ности потенциалов в несколько киловольт, приложенных к пластине (точнее - между ее проводящими наружными поверхностями), легко получается тысячекратное усиление первичного фототока. Разрешение микроканального каскада определяется, разумеется, числом каналов на единицу площади.

Усилители света находят применение в астрономии, ядерной физике и физике плазмы. В первом случае применение таких систем открывает широкие возможности при фотографирова­нии слабо светящихся объектов, например далеких внегалакти­ческих туманностей. Во втором случае сочетание усилителя света с люминесцирующим кристаллом позволяет наблю­дать следы отдельных заряженных микрочастиц внутри кристалла.

Использование усилителей света в физике плазмы оказы­вается особенно полезным в тех случаях, когда идет речь об исследовании процессов, быстро меняющихся во времени. Применение электронного затвора позволяет выделить из стре­мительно чередующейся последовательности картин излучаю­щей плазмы те, которые представляют наибольший интерес. Техника усиления света развита еще в недостаточной сте­пени, но в принципиальном отношении рассматриваемая проблема принадлежит к числу немногих основных задач оптики. Если микроскоп, расширяя возможности человеческого глаза, позволяет наблюдать очень малые объекты, телескоп - весьма удаленные, то усилитель света предназначен для изуче­ния самосветящихся объектов, которые невидимы просто потому, что они посылают в глаз слишком мало света. Решение первых двух задач было найдено в рамках обычной геомет­рической оптики, решение третьей задачи лежит за пределами возможностей световой оптики и было осуществлено только в результате использования электронной оптики.