Электронная пушка для получения пучка медленных моноэнергетических электронов

 

Использование: изобретение относится к электронной оптике и может быть использовано для получения пучка медленных моноэнергетических электронов, в частности при измерении контактной разности потенциалов твердых тел по методу Андерсона Сущность изобретения: электронная пушка содержит катод 1, эмитирующий пучок медленных моноэнергетических электронов, электроды (Э) 10, 12, 13, 14, 15 и колле ор отраженных электронов (16-17). Э помещены в корпус 9 и соединены между собой посредством керамических трубок 11, вставленных в глухие отверстия, выполненные на обоих торцах каждого Э. Пушка снабжена фланцем (Ф) 22 для пристыковки к вакуумной системе, юстировочной площадкой 19, соединенней с Ф посредством сильфона 23 и снабженной винтами 25, упирающимися в плосчость Ф 22 2 ил. (Л

C0IO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 29/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

/1 j n92

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4782451/21 (22) 22,12.89 (46) 15.07.92, Бюл. ¹ 26 (71) Восточно-Сибирский технологический институт (72) Ю.И.Асалханов, И,И.Домбровский и

А.B.Æåëàåâ (53) 621,385 (088.8) (56) Патент США ¹ 4034256, кл. 313 — 440, 05,07.77.

Асалханов Ю.И.,Пронькинов И.Т. Приборы и техника эксперимента, 1984, № 1, с. 162, (54) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА МЕДЛЕННЫХ МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ (57) Использование: изобретение относится к электронной оптике и может быть исполь„„Sly „„1748202 А1 зовано для получения пучка медленных моноэнергетических электронов, в частности при измерении контактной разности потенциалов твердых тел по методу Андерсона.

Сущность изобретения; электронная пушка содержит катод 1, эмитирующий пучок медленных моноэнергетических электронов, электроды (Э) 10, 12, 13, 14, 15 и коллек тор отраженных электронов (16 — 17), Э помещены в корпус 9 и соединены между собой посредством керамических трубок 11, вставлснных в глухие отверстия, выполненные на обоих торцах каждого Э. Пушка снабжена фланцем (cD) 22 для пристыковки к вакуумной сис-,еме, юстировочной площадкой 19, соединенной,с Ф посредством силь- Я фона 23 и снабженной винтами 25, упирающимися в плоскость Ф 22, 2 ил.

/Б

1748202 ных электронов, собранная по схеме 10

35

Изобретение относится к электронной оптике и может быть использовано для получения пучка медленных. (Ер = 0-20 эВ) моноэнергетических электронов (ЛЕр = 0,45 эВ) использующегося, в частности для измерения контактной разности потенциалов твердых тел по методу Андерсона, Известна электронная пушка для получения моноэнергетического пучка медленМайерса, содержащая коллектор для сбора отраженных электронов, электроды, представляющие собой тела вращения, укрепленные на трех керамических стержнях посредством лепестков, фланец для пристыковки пушки к вакуумной системе, на котором укреплен переходник, Другой конец переходника закреплен на цилиндре Венельта, на оси которого находится острие катода, эмитирующего моноэнергетический пучок электронов. Напряжение к электродам подводится посредством проводов от электровводов, Недостатком известной конструкции электронной пушки является отсутствие возможности ее разборки для периодической чистки электродов, загрязняющихся в процессе ее эксплуатации, для удаления изолирующих полимерных пленок, образующихся при взаимодействии электронного пучка с адсорбированными на электродах молекулами остаточных газов вакуумной системы. Образующиеся вокруг отверстий диафрагм изолирующие пленки при их зарядке электронным пучком приводят к его расфокусировке, что увеличивает разброс электронов по энергиям в пучке, и, в конечном счете, приводит к снижению точности. определения контактной разности потенциалов материала катода и исследуемого образца, Кроме того, к недостаткам следует отнести также и отсутствие возможности юсти ровки пушки, что необходимо для обесйечения нормальности падения электронного луча на исследуемую поверхность, Нормальное падение обеспечивает получение вольтамперных характеристик тока медленных электронов, проходящих в образец, обладающих наибольшей крутизной в области быстрого изменения тока в зависимости от энергии электронов. Наибольшая крутизна обеспечивает, в свою очередь; максимальную чувствительность к изменению контактной разности потенциалов, имеющему место при различных поверхностных процессах.

Цель изобретения — повышение эксплуатационных характеристик (например, по4 вышение точности установки параметров пуч ка).

Поставленная цель достигается тем, что электронная пушка для получения пучка медленных моноэнергетических электронов, содержащая катод, за которым расположены электроды, представляющие собой тела вращения, механически закрепленные между собой, коллектор отраженных электронов, электровводы, подающие напряжение на катод, электроды и коллектор отраженных электронов, и фланец для при стыковки к вакуумной системе, дополнительно снабжена юстировочной площадкой, соединенной с фланцем посредством сильфона и снабженной тремя винтами, упирающимися в плоскость фланца, э соединение электродов осуществляется посредством керамических трубок, вставленных в глухие отверстия, выполенные на обоих торцах каждого электрода, при этом последние помещены в корпус.

На j иг, 1 представлена конструкция электронной пушки; на фиг, 2 — вольтампер-. ная характеристика медленных электронов, снятая с помощью предлагаемой пушки.

Электронная пушка для получения пучка медленных моноэнергетических электронов содержит прямоканальный катод 1, представляющий собой отрезок вольфрамовой проволоки диаметром 0,15 мм, концы которого плотно намотаны на стержне 2 из нержавеющей стали 1Х18Н9Т диаметром

1 мм, находящиеся в каналах двухканальной фарфоровой трубки 3 длиной 20 мм и диаметром 6 мм. Вторые концы стержней 2 на выходе из трубки 3 приварены к проводам

4, противоположные концы которых присоединяются к вводам 5. С целью электроиэо0 ляции провода 4 заключены в отрезки керамических трубок диаметром 1 мм различной длины, Фарфоровая трубка 3 вставлена в держатель 6 катода, в котором фиксируется винтом 7,. Катод 1; изогнутый

5 под острым углом, выдвинут из трубки 3 так, что расстояние от места его изгиба до торца трубки составляет не менее 5-6 мм. Держагель 6 катода представляет собой тело вращения, профиль которого представлен на

0 чертеже, На боковой поверхности держател 6 как большего, так и меньшего диаметра сделаны резьбы,.с помощью которых он присоединяется с одной стороны к держателю 8 пушк, а с другой стороны — к корпусу

9 пушки, Корпус 9 пушки представляет собой двухступенчатый пустотелый цилиндр обьцей высотой 73 мм. На внутренней стороне первой ступени цилиндра выс той 10 мм с наружным диаметром 24 мм на глубину

8 мм сделан- резьба M 22х1. Вторая ступень

1748202

15

25

50 корпуса 9, в которую переходит первая ступень, представляет цилиндр высотой 63 мм с наружным диаметром 22 мм и толщиной стенки 1 мм, На дне этого цилиндра толщиной 1 мм сделано отверстие диаметрЬм

10 мм. На боковой поверхности корпуса 9 с целью уменьшения веса пушки и возможности подсоединения проводов к электродам пушки сделаны три равностоящих продольных паза шириной 10 мм. Острие катода 1 находится на половине длины цилиндра Венельта 10, высотой 10 мм и внутренним диаметром 7 мм. Наружная поверхность цилиндра Венельта до высоты 5 мм имеет диаметр 9 мм, а оставшаяся часть — 18 мм, На обоих торцах нижней части цилиндра

Венельта 10диаметром 18 мм выполнено по три глухих отверстия, диаметр и глубина которых составляют 2 мм. Цилиндры отверстий расположены по окружности диаметром 14 мм и разнесены один относительно другого на 120 угловых градусов, В эти отверстия вставлены керамические трубки 11, изолирующие цилиндр от вытягивающей диафрагмы 12, имеющей аналогичные отверстия, в которые вставлены противоположные концы трубок 11. Вытягивающэя диафрагма 12 представляет собой толстостенный цилиндр, наружный и внутренний дааметр которого равны соответственно 18 и 10.мм, а высота его равна 8 мм. Высота выбранной цилиндрической полости равна

7 мм, так что один из торцов цилиндра закрыт "дном" толщиной 1 мм, в котором имеется центральное отверстие диаметром 1,5 мм, Керамические трубки 11, установлен-. ные в отверстиях вытягивающей диафрагмы

12, вторыми концами входят в соответствующие отверстия аналогичного вытягивающей диафрагме цилиндра 13, отличающегося лишь высотой, равной 12 мм.

Дан.ный цилиндр выполняет роль входного электрода электростатической линзы, выходным электродом которой является аналогичный цилиндр 14, а роль фокусирующего электрода, разделяющего указанные цилиндры, выполняет диафрагма 15, Диафрагма 15 представляет собой также цилиндр с наружным диаметром, равным 18 мм, и высотой 5 мм, С обоих торцов цилиндра выбраны цилиндрические поло сти диаметром 10 мм на глубину 2 мм так, что внутри цилиндра образована перегородка толщиной 1 мм, по центру которой сделано отверстие диаметром 1,5 мм для прохождения электронного луча, Выходной электрод 14 электростатической личзы пристыковывается к коллектору отраженных от образца электронов также с помошью керамических трубок 11 описанным выше способом. Коллектор отраженных электронов представляет собой диск 16 толщиной 1 мм, и диаметром около 30 мм, в центре переходящий в цилиндр высотой 7 мм с наружным диаметром 9 мм. На внутренней поверхности данного цилиндра нарезана сквозная резьба M 6x1. Вторая часть коллектора отражен н ых электронов состоит из выходного электрода 17 пушки, представляющего собой трубку длиной 15 мм и внутренним диэметром 3 MM. На наружную часть одного из концов трубки 17 привинчен диск 16. Противоположный конец трубки 17 переходит в цилиндр высотой 5 мм и диаметром 18 мм, имеющий с обоих торцов, как и все другие электроды, описанные выше, глухие отверстия для стыковки через керамические трубки 11 с одной стороны к выходному электроду 14 электростатической линзы, а с другой стороны — для упора в корпус 9 пушки.

После сборки электродов пушки с помощью указанных керамических трубок 11 вся система электродов стягивается завинчиванием держателя 6 катода в корпус 9 пушки через переходное кольцо 18, Затем второй конец держателя 6 катода завинчивается в наконечник держателя 8 пушки, представляющий собой цилиндр высотой

15 мм, толщиной стенки 2 мм, имеющий нэ боковой поверхности шесть отверстий для вывода проводов питаййя пушки. Наконеник держателя 8 пушки переходит в трубку длиной 44 мм с наружным диаметром 1 6 л.м и тОлп" и НОЙ 1 мм, Другой KoHOl4 этой Tp/5ê l заканчивается буртико" с наружным диаметром 16 мм, высотой 4 MM и шириной

1 мм, который приварен к юстировочной площадке, выполненной в виде диска 19, в. котором имеется цилиндрический выступ

20 высотой 20 мм, наружным диаметром

40,5 мм и толщиной стенки 2 мм, Торцовая кромка данного цилиндрического выс"упа сварена вакуумно-плотным швом с металлическим ободком керамического вакуумного

9 штырькового разъема 21. Через вврды данного разъема осуществляется питание пушки.

Пушка пристыковывается к вакуумной системе с помощью фланца 22, имеющего центральное отверстие диаметром 16 мм, представляющее наружную стенку буртика шириной 1 мм и высотой 4 мм, В данное отверстие вставлена кромка сульфона 23. С

55 BHóòðåííeé стороны данная кромка зажата кольцом 24, обеспечивающим плотное прижати= кромки сильфона к буртику фланца

22, При этом, поскольку высота кольца равна 4 мм, то кромка сильфона 23 на 1 мм выступает кэк над кольцом 24, так и над

1748202 буртиком фланца. Кромка сильфона 23, буртик фланца и уплотнительное кольцо 24, предохраняющее также сильфон от сгорания, сплавлены аргонно-дуговой сваркой в вакуумно-плотный шов. Второй конец сильфона 23 аналогичным способом сварен с юстировочной площадкой 19, диск которой имеет по внутреннему диаметру буртик, аналогичный буртику фланца 22. Наружный диаметр диска 19 равен 60 мм, а толщина его равна 3 мм. По окружности диаметра

50 мм на диске 19 сделаны три отверстия М

4х1, отстоящие одно относительно другого на 120 угловых градусов, В эти отверстия ввинчены три винта 25, упирающиеся в плоскость фланца 22. Равномерным завинчиванием винтов 25 мо:кно за счет деформации сильфона 23 регулировать расстояние от плоскости коллектора отраженных электронов до облучаемого образца, а завинчиванием их на различную глубину можно изменять наклон оси пушки в любом направлении, в пределах телесного угла с раствором не менее 10 угловых градусов.

Электроды 10, 12, 13, 14, 15, 17 и уплотнительное кольцо 18 изготовлены из одной заготовки, а отверстия под керамические трубки 11, изолирующие электроды один от другого, сделаны из данной заготовки. Затем, после разрезания заготовки на нужные части, в отверстия были впрессованы медные штифты, что и позволило получить указанные выше отверстия во всех электродах, Электронная пушка работает следующим образом.

Пропусканием нужного тока вольфрамовый катод 1 разогревается до температуры, обеспечивающей достаточную эмиссию электронов. Подачей небольшого отрицательного напряжения относительно катода

1 на цилиндр Венельта 10 в.нем формируется электронное облако, из которого с помощью вытягивающей диафрагмы 12 формируется пучок электронов диаметром около 1,5 мм. Далее этот пучок входит в электростатИЧескую линзу, образованную электродами 13 — 15 и подбором соответствующих потенциалов электродов 13-15 и . электродов 16 и 17 коллектора достигается максимально возможная монохроматичность пучка, падающего на образец.

На фиг. 2 представлена вольтамперная характеристика медленных электронов, снятая с помощью предлагаемой пушки, В качестве образцов использованы пластинки иэ.нержавеющей стали 1Х18Н9Т (1) и монокристаллического арсенида галлия, прогретые до 300 С в вакууме 10 торр до полной стабилизации вольтамперной характеристики, Ток отраженных от образца электронов, находящегося на расстоянии 1 см от коллектора, для случая нержавеющей стали также представлен на фиг, 2 (кривая 1). 3апись кривых выполнена на автоматическом самописце П)1П4-002, С точностью до t0 А отраженный ток зеркально относительно оси А-А повторяет ток образца. Измерения напряжений и токов проведены цифровые ампервольтметрами В7-21А, Следует отметить, что ток коллектора, приве5

10 денный на фиг. 2, представлен без учета его постоянной составляющей, т,е. представлена только изменяющаяся часть тока коллектора, Отсюда следует, что падающий образец электронный пучок при взаимодействии и с поверхностью разделяется на электроны, проходящие в образец и отраженные от него, причем сумма их токов всегда остается постоянной, О важности параллельного выставления плоскостей образца и коллектора при изменениях контактной разности потенциалов методом Андерсона свидетельствует приведенная на фиг. 2 кривая 3, в которую пере20 ходит кривая 1, если ось электронного пучка составляет с нормалью к образцу угол 5 угловых градусов. Кривая вольтамперной характеристики становится более пологой, что может привести случае свидетельствует об ином, чем в случае нормального падения, характере вэаимодействия медленных электронов с поверхностью образца.

Для обеспечения нормального падения пучка медленных моноэнергетических электронов на поверхность исследуемого образца осуществляют эавинчивание винтов 25 на различную величину, в результате чего изменяется наклон оси пушки. Сильфон 23. обеспечивает подвижность юстировочной площадки 19 относительно фланца 22.

Режим работы пушки является следующим, Ток накала катода 1 5 А, напряжения. цилиндра Венельта — 7 В, вытягивающей диафрагмы — 60 В, электродов линзы (входной и выходной) — 315 В, фокусирующего—

280 В, коллектора — 50 B.

Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным позволяет повысить точности измерений за счет обес- печения нормального падения луча на исследуемую поверхность и возможности периодической чистки электродов от загрязнений, образующихся в процессе эксплуатации электронной пушки.

Формула изобретения

Электронная пушка для получения пучка мед .енных моноэнергетических электро35

55 к ошибочной оценке величины разброса электронов

30 по энергии в падающем п чке. В действительности же увеличение пологости в данном

1748202

4, моя

0.2

Кц В

Составитель С, Двинин

Редактор 3. Слиган Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М. Демчик

Заказ 2508 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

9 нов, содержащая последовательно расположенные катод и электроды, представляющие собой тела вращения, состыкованные в соединение, выполненное с возможностью отделения от корпуса, коллектор отражен- 5 ных электронов и фланец для пристыковки к вакуумной системе, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эксплуатационных характеристик за счет повышения степени разборки, она дополнительно снаб- 10 жена юстировочной площадкой. соединенной с фланцем посредством сильфона и снабженной тремя винтами, а соединения электродов BblflohHBHbl посредством кера- мических трубок, вставленных в глухие отверстия, выполненные на обоих торцах каждого электрода, а разборное соединение с корпусом выполнено rio крайним торцам полученного пакета электродов,