تبلیغات پیامکی

www.plcomega.tk

درحال انتقال به صفحه جدید

برق وصنعت - چگونه یك باریكه‏ ی الكترونی ایجاد می‏شود؟
 
برق وصنعت
  • مقدمه:
    همان‏گونه كه در مقاله‏ ی قبلی دیدیم، به دلیل ویژگی‏ های منحصر به فرد الكترون‏ ها، برای بررسی دقیق‏ تر ساختار ماده از میكروسكوپ‏ های الكترونی استفاده می‏ نماییم. اما شاید این سوال پیش آید كه این الكترون‏ ها چگونه تهیه می‏ شوند؟ مگر آن‏ها اجزایی از ساختار اتم‏ ها نیستند؟ پس چگونه می‏ توانیم آن‏ها را جدا كرده و در دسته‏ های پر انرژی به ماده بتابانیم؟ در این مقاله به روش‏ های تولید پرتوهای الكترونی می‏ پردازیم.
  • تفنگ الكترونی:
    وجود یك منبع قابل اعتماد برای تولید باریكه‏ های الكترونی، یكی از مسائل مهم در میكروسكوپی TEM است. خوشبختانه منابع زیادی برای تولید الكترون وجود دارند. اما باید از این میان، بهترین انتخاب ممكن را برای دست‏یابی به بهترین حالت تصویربرداری برگزید. یك باریكه‏ ی الكترونی مناسب برای TEM، دارای مشخصاتی است كه تنها با استفاده از دو دسته از منابع الكترونی می‏ توان آن‏ها را فراهم آورد. این منابع عبارتند از منابع گرمایونی و منابع نشر میدانی. هر یك از این منابع ویژگی‏ های خاص خود را دارا بوده و بر اساس ساز و كار ویژه‏ای باریكه‏ های الكترونی را ایجاد می‏ كنند. منبع الكترونی در مجموعه‏ ای از قسمت‏ های یك TEM قرار دارد كه به آن به اصطلاح «تفنگ الكترونی» می‏ گوییم.
  • منابع گرمایونی:
    همان‏گونه كه از نام این دسته از منابع برمی‏ آید، آن‏ها با گرم شدن، شروع به تولید الكترون می‏ كنند. مواد مورد استفاده در این نوع منبع در گذشته بیشتر از فیلمان‏ های تنگستن و امروزه بیشتر از بلورهای لانتانیوم هگزابوراید (LaB6) بوده است.  

پرسش 1: قبل از مطالعه‏ ی ادامه‏ ی مقاله، آیا می‏ توانید دلایل استفاده از این دو نوع كاتد را برای نشر گرمایونی بیان كنید؟

برای این‏كه بتوانیم الكترونی را از ماده جدا كنیم، باید به آن به قدری انرژی بدهیم تا بتواند از سطح ماده خارج شود. این مقدار انرژی كه به عنوان یك سد برای خروج الكترون شناخته می‏ شود، تابع كار نام دارد و غالبا آن را با حرف یونانی فی (Φ) نمایش می‏ دهیم. این مقدار برای مواد مختلف غالبا در حدود چند الكترون ولت است. 

الكترون ولت (eV) واحدی است كه برای بیان انرژی یك الكترون استفاده می‏ شود. یك الكترون ولت برابر است با مقدار انرژی یك الكترون، هنگامی‏كه در میدان پتانسیل الكتریكی برابر با یك ولت قرار گرفته باشد. این مقدار برابر با J 1.6.02*10-19 می‏ باشد.

 هنگامی‏كه به یك ماده انرژی حرارتی وارد می‏ كنیم و دمای آن به حد كافی بالا می‏ رود، الكترون‏ ها به مقدار كافی انرژی دریافت می‏ كنند تا بر این سد انرژی (تابع كار) فائق آیند. در این صورت الكترون‏ ها از ماده بیرون آمده و برای تشكیل یك باریكه‏ ی الكترونی آماده هستند. اما یك مشكلی وجود دارد! هنگامی‏كه ماده را تا چند الكترون ولت گرما می‏ دهیم، ماده ذوب و یا بخار می ‏شود. بنابراین، تنها منابع در دسترس برای نشر گرمایونی الكترون‏ ها، مواد دیرگداز (موادی كه دمای ذوب بالایی دارند) و یا مواد دارای تابع كار بسیار كم می‏ باشند. ماده‏ ای كه سال‏ های طولانی برای TEMها و امروزه برای SEMها به عنوان كاتد استفاده می‏ شود، تنگستن با دمای ذوب در حدود  3660 كلوین می‏ باشد. هم‏چنین تنها ماده‏ای كه امروزه برای TEMها به كار می‏ رود، LaB6 است كه تابع كار بسیار پایینی  (2.4eV) دارد. برخی مشخصه‏ های این كاتدها در جدولی در انتهای این مقاله درج شده‏ اند. می‏ توانید آن‏ها را با مشخصات دیگر منابع نیز مقایسه نمایید.

  • منابع نشر میدانی:
    یك منبع نشر میدانی یا به اختصار FEG (مخفف Field Emission Gun)، ابزاری است كه با برقرار شدن یك پتانسیل الكتریكی بزرگ بین آن و یك آند، شروع به تولید الكترون می‏ نماید. ساخت این نوع منبع با استفاده از سوزن‏ های بسیار ظریف تنگستن امكان‏ پذیر است. الكترون‏های تولید شده توسط منابع نشر میدانی نسبت به الكترون‏ های حاصل از منابع گرمایونی انرژی‏ های بسیار نزدیك‏تری به هم دارند. بنابراین به اصطلاح می‏ توانیم باریكه‏ ی الكترونی تك‏فام‏ تری داشته باشیم. اصطلاح تك‏فام (یا تك‏رنگ) برای باریكه‏ هایی از نور مرئی و یا پرتوهای X به كار می‏ رود كه تمام طول موج‏ های موجود در آن تقریبا با هم برابر باشند. در این‏جا با توجه به این‏كه الكترون رفتار موجی نیز دارد، این اصطلاح به كار می‏ رود. گرچه با توجه به این‏كه طول موج مربوط به یك الكترون با انرژی (یا سرعت) آن رابطه دارد، از یك‏سان بودن انرژی الكترون‏ ها می‏ توان یك‏سان بودن طول‏ موج آن‏ها را نتیجه گرفت.
    اساس كار FEGها كاملا با منابع گرمایونی متفاوت است. همان‏گونه كه می‏ دانید، قدرت یك میدان الكتریكی در نقاط تیز بسیار شدید است. هنگامی‏ كه اختلاف پتانسیل V به یك نقطه‏ ی تیز (قسمتی از دایره به شعاع r) اعمال شود، آن‏گاه مقدار میدان برابر با

E=V/r

خواهد بود. مشاهده می‏ كنید كه با تیز شدن نقطه‏ ی مورد نظر (كاهش r)، مقدار میدان به شدت افزیش خواهد یافت. یكی از موادی كه به راحتی می‏ توان از آن یك سوزن نوك تیز ساخت، تنگستن است. اگر به یك نوك تیز تنگستن با شعاع نوك كمتر از  0.1μm اختلاف پتانسیلی برابر با 1kV اعمال نماییم، مقدار E برابر با 1010V/m به دست خواهد آمد. این مقدار بزرگ میدان، به راحتی سد انرژی (تابع كار) را از میان
برمی‏ دارد و الكترون‏ ها می‏ توانند از ماده خارج شوند. اما چنین میدان‏ های خارجی اعمالی بر ماده موجب ایجاد فشار زیادی بر آن می‏ شود. بنابراین ماده‏ ی مورد نظر باید استحكام بسیار بالایی داشته باشد تا سالم بماند. برای رخ دادن پدیده‏ ی نشر میدانی، سطح نوك سوزن باید كاملا عاری از هرگونه آلودگی و اكسید باشد. برای رسیدن به این شرایط، می‏ توان از خلاءهای بسیار قوی (در حدود  Pa) استفاده كرد. در این صورت می‏ توان دمای كاری منبع را تا حدود دمای اتاق پایین آورد. به این فرآیند، نشر میدانی سرد (Cold-FE) می‏ گوییم.

پرسش 2: به نظر شما استفاده از خلاءهای بسیار قوی چگونه می‏ تواند موجب رفع مشكل آلودگی‏ ها و اكسیدهای سطحی احتمالی موجود بر روی نوك سوزن تنگستنی شود؟ آیا می‏ دانید تكنیك استفاده از خلاء برای از بین بردن اكسیدهای سطحی و آلودگی‏ ها در چه مواردی كاربرد دارد؟

  • منابع شاتكی:
    در این دسته از منابع، ساز و كار حاكم بر تولید الكترون، تلفیقی از گرمایونی و نشر میدانی می‏ باشد.

جدول 1- برخی ویژگی‏ های منابع الكترونی مختلف

  فیلمان تنگستن بلور LaB6 نشر میدانی شاتكی نشر میدانی سرد
تابع كار (eV) 4.5 2.4 3 4.5
دمای كاری (K) 2700 1700 1700 300
دانسیته جریان تولیدی در ولتاژ kV100 (A/m2) 5 100 100000 1000000
مقدار خلاء مورد نیاز (Pa) 0.01 0.0001 0.000001 0.000000001
مدت عمر (ساعت) 100 1000 بیش از 5000 بیش از 5000

 

پرسش 3: با توجه به جدول بالا مشاهده می‏ شود كه فیلمان تنگستنی مورد استفاده در روش گرمایونی طول عمر بسیار كوتاه‏تری نسبت به سوزن تنگستنی مورد استفاده در روش نشر میدانی دارد. آیا می‏ توانید دلایل این موضوع را بیان نمایید؟




نوع مطلب :
برچسب ها :


 
 
 
وبلاگ جامع برق با همکاری دانشکده فنی برق مشهد