В статье автор рассматривает понятие ускоряющего напряжения, способы его получения и сферы применения.
Ключевые слова: ускоряющее напряжение, электронная микроскопия.
Ускоряющее напряжение — это разность потенциалов, определяющая энергию электронов в осветительной системе электронного микроскопа. [1]
Выражаясь другими словами, это напряжение для ускорения электронов, которые вылетают из электронной пушки и освещают образец. Или же это разность потенциалов между нитью накала (катодом) и анодом, которая ускоряет электронный луч по направлению к аноду.
Рис. 1. Схема электронной пушки
Чем выше ускоряющее напряжение, тем лучше пространственное разрешение электронного микроскопа.
Основной способ получения электронов — это термоэлектронная эмиссия с поверхности нагретого катода и последующее формирование пучка с помощью электромагнитных линз. Соответственно, основная часть источника электронов — катод, активная поверхность которого эмитирует электроны.
Источник представляет собой, фактически, катодную линзу, форма и положение электродов которой определяются методами электронной оптики. Электрическое поле в промежутке катод-анод ускоряет электроны, фокусирует их и через выходную диафрагму направляет в ускорительную камеру. Типичные значения ускоряющего напряжения составляют 10–100 кВ.
Другим распространённым способом являются умножители напряжения. Умножители напряжения — это схемы, предназначенные для бестрансформаторного увеличения уровня напряжения. Данные схемы совмещают в себе сразу две функции: само умножение напряжения и его выпрямление.
Применяется данная схема в тех случаях, когда наличие дополнительных повышающих трансформаторов нежелательно, или они не способны обеспечить требуемый уровень напряжения, так как при достаточно высоких уровнях напряжения высока вероятность пробоя между витками вторичной обмотки трансформатора. [2]
Основными элементами умножителя являются конденсатор и диод, что определяет принцип, лежащий в основе их работы — свойство однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку. На рисунке 2 показана схема несимметричного удвоителя напряжения, которая представляет собой два соединенных однофазных выпрямителя.
Рис. 2. Схема несимметричного умножителя напряжения
В течение отрицательного полупериода конденсатор C1 заряжается от источника переменного напряжения до амплитудного значения; в течение положительной полуволны к конденсатору C2 прикладывается суммарное напряжение источника питания и конденсатора C2, и за нескольких периодов он заряжается до удвоенного напряжения. Коэффициент умножения можно увеличивать, наращивая количество звеньев умножителя. При малых значениях n выходное напряжение растет почти пропорционально числу каскадов. Выходное напряжение несимметричного умножителя из n звеньев определяется из следующего выражения:
Где U вых — напряжение на выходе умножителя, [В];
U вхmax — амплитуда входного напряжения, [В];
n — количество звеньев умножителя;
I н — ток через нагрузку, [мкА];
f — частота входного напряжения, [Гц];
С — набранная емкость конденсаторов, [мкФ].
При увеличении рост замедляется и затем вообще прекращается. Предельное значение n для схемы симметричного умножителя можно найти по формуле:
Существует возможность ускорения частиц квазистатическим (мало меняющимся за время пролета частицы) электрическим полем. Для этого используется вихревое электрическое поле, возникающее при изменении во времени магнитного поля. Очевидно, что описываемая схема представляет собой трансформатор, у которого первичная обмотка — это обмотка возбуждения магнитного поля, а вторичная обмотка — пучок ускоряемых частиц.
Рис. 3. Схема трансформатора
Недостатком этой схемы является малая величина ускоряющего поля ~10кВ/см.
Электронный микроскоп — это прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 10 6 раз, благодаря использованию пучка электронов с энергиями от 200 эВ, до 400 кэВ и более. [3]
Длина волны де Бройля электронов, ускоренных в электрическом поле c разностью потенциалов 1000 В, равна 0,4 Å, что намного меньше длины волны видимого света. Вследствие этого, разрешающая способность электронного микроскопа в более чем 10000 раз может превосходить разрешение традиционного оптического микроскопа. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи электромагнитного поля.
Таблица 1
Виды и типичные напряжения электронной микроскопии
|
Просвечивающая электронная микроскопия |
Просвечивающая растровая (сканирующая) электронная микроскопия |
Растровая (сканирующая) электронная микроскопия |
|
|
Напряжение, В |
от 80 до 200 кВ |
от 1 до 30–50 кВ |
от 1 до 30–50 кВ |
Технология электронно-лучевой сварки основана на преобразовании кинетической энергии, вырабатываемой при движении электронов в тепловую энергию, необходимую для плавления металлической кромки. Скорость электронного потока, а значит и величина кинетической энергии, напрямую зависит от приложенной разности потенциалов (напряжения), которая может достигать 100 кВ. Сфокусированный в небольшой пучок луч при касании поверхности материала обеспечивает сверхвысокую плотность мощности, в результате чего электроны могут проникать в металл на определенную глубину. Именно во время такого проникновения электрон отдает накопленную энергию, что приводит к нагреву и плавлению места контакта. [4]
Основными конструктивными элементами рентгеновской трубки являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом ). Катод при нагревании испускает электроны. Далее из-за большой разности потенциалов между катодом и анодом (десятки — сотни киловольт) поток электронов ускоряется и приобретает большую энергию. Полученный ускоренный пучок электронов попадает на положительно заряженный анод. Достигая анода, электроны испытывают резкое торможение, моментально теряя большую часть приобретённой энергии. При этом возникает тормозное излучение рентгеновского диапазона. Типичные значения анодного напряжения в медицинских трубках для рентгенографии — 60–80 кВ. Для рентгенотерапии применяются трубки с анодным напряжением более 100 кВ для получения более жёсткого излучения. [5]
Литература:
- ГОСТ 21006–75. Микроскопы электронные. Термины, определения и буквенные обозначения. Сб. стандартов. — М.: Стандартинформ, 2005. — 10 с.
- Умножитель напряжения. — Текст: электронный // Электрик-220: [сайт]. — URL: https://electric-220.ru/news/umnozhitel_naprjazhenija/2018–02–09–1453 (дата обращения: 06.05.2021).
- Стоянов, П. А. Электронный микроскоп / П. А. Стоянов. — Текст: электронный // Большая российская энциклопедия: [сайт]. — URL: https://bigenc.ru/physics/text/4929779 (дата обращения: 10.05.2021).
- Чайка, Н. К. Инвенторный источник ускоряющего напряжения для установок электронно-лучевой сварки / Н. К. Чайка. — Текст: непосредственный // Автоматическая сварка. — 2009. — № 6. — С. 47–52.
- Рентгеновская трубка. — Текст: электронный // Неразрушающий контроль: [сайт]. — URL: https://ncontrol.ru/blog/azbuka_kontrolya/rentgenovskaya_trubka (дата обращения: 15.05.2021).
