Электронный пучок – поток электронов, движущихся по близким траекториям в одном направлении, имеющий размеры, значительно большие в направлении движения, чем в поперечной плоскости. Поскольку электронный пучок является совокупностью одноимённых заряженных частиц, внутри него имеется пространственный заряд электронов, создающий собственное электрическое поле. С другой стороны, движущиеся по близким траекториям электроны можно рассматривать как линейные токи, создающие собственное магнитное поле. Электрическое поле пространственного заряда создаёт силу, стремящуюся расширить пучок («кулоновское расталкивание»), магнитное поле линейных токов создаёт силу Лоренца, стремящуюся сжать пучок. Расчёт показывает, что действие пространственного заряда начинает заметно сказываться (при энергиях электронов в несколько кэВ) при токах в несколько десятых мА, тогда как «стягивающее» действие собственного магнитного поля заметно проявляется только при скоростях электронов, близких к скорости света энергии электронов порядка МэВ. Поэтому при использовании электронных пучков возникают вопросы фокусировки пучка.

Поля как электрические, так и магнитные, пригодные для получения изображения, должны удовлетворять двум условиям: они должны обладать круговой симметрией; степень отклоняющего воздействия при фокусировке должна возрастать с увеличением расстояния от оси, а на самой оси равняться нулю.

Для фокусирующих систем существенной значение имеют поля двух типов: плоско-симметричные и с осевой симметрией (аксиально-симметричные). Такие поля формируются сеточными линзами; линзами, образованными коаксиальными цилиндрическими электродами; линзами, образованными плоскими электродами в виде диафрагм с отверстиями; иммерсионными объективами; смешанными системами (линзы и цилиндры, цилиндры и конические электроды).

Простейшая электронная линза может быть создана двумя тонкоструктурными сетками (рисунок 1,а), расположенными вблизи друг друга и имеющими вид шарового сегмента. Она действует аналогично оптической линзе.

Внутренняя сетка заряжается положительно, внешняя отрицательно. Однако такая система ограничена в применении из-за "провисания" электрического поля в отверстиях сетки. Такая поверхность подобна грубой полировке оптической линзы. Сеточные электроды применяются в качестве отпирающих электродов в электронных затворах.

Выпуклое электрическое поле, обладающее круговой симметрией, можно получить, сделав в одной из пластин заряженного плоского конденсатора круглое отверстие (рисунок 1,б).

Подобная линза отвечает всем требованиям, сформулированным ранее. Эквипотенциальные поверхности в ней прогибаются через отверстие из области с большей напряженностью и действуют на траектории движения электронов так же, как оптические линзы на свет, то есть выпуклые эквипотенциальные поверхности, в зависимости от того, в какую сторону электрического поля они обращены, будут собирать или рассеивать электронные пучки (рисунок 2)

При выяснении вопроса, является ли данная линза собирающей или рассеивающей, можно руководствоваться аналогией с оптикой. Электронный луч, идущий в направлении возрастания потенциала через эквипотенциальные поверхности, отклонится так же, как и оптический луч при прохождении преломляющей оптической поверхности такой же формы. Поэтому в соответствии со знаками потенциалов диафрагма может стать собирающей или рассеивающей линзой.

 

Электронный пучок (ЭП) -  поток электронов, движущихся по близким траекториям в одном направлении, имеющий размеры, значительно большие в направлении движения, чем в поперечной плоскости. Поскольку ЭП, является совокупностью одноимённых заряженных частиц, внутри него имеется пространственный заряд электронов, создающий собственное электрическое поле. С другой стороны, движущиеся по близким траекториям электроны можно рассматривать как линейные токи, создающие собственное магнитное поле. Электрическое поле пространственного заряда создаёт силу, стремящуюся расширить пучок («кулоновское расталкивание»), магнитное поле линейных токов создаёт силу Лоренца, стремящуюся сжать пучок. Расчёт показывает, что действие пространственного заряда начинает заметно сказываться (при энергиях электронов в несколько кэВ) при токах в несколько десятых мА, тогда как «стягивающее» действие собственного магнитного поля заметно проявляется только при скоростях электронов, близких к скорости света энергии электронов порядка МэВ. Поэтому при рассмотрении ЭП, используемых в различных электронных приборах, технических установках, в первую очередь необходимо принимать во внимание действие собств. пространств, заряда, а действие собственного магнитного поля учитывать только для релятивистских пучков.

Интенсивность ЭП. Основным критерием условного разделения ЭП. на неинтенсивные и интенсивные является необходимость учёта действия поля собственного пространств, заряда электронов пучка. Очевидно, чем больше ток пучка, тем больше плотность пространств, заряда, сильнее расталкивание. С другой стороны, чем больше скорость электронов, тем меньше скажется на характере движения электронов собственное электрическое поле пучка чем выше энергия электронов, тем «жёстче» пучок. Количественно действие поля пространств, заряда характеризуется коэффициентом пространственного заряда первеансом, определяемым как

P=I/U^3/2[А/В^3/2],

где I - ток пучка; U - ускоряющее напряжение, определяющее энергию электронов пучка.

Заметное влияние пространственного заряда на движение электронов в пучке начинает проявляться при Р > Р* = 10^-8А/В^3/2 = 10^-2 мкА/В^3/2. Поэтому к интенсивным пучкам принято относить ЭП с Р>Р*.

Неинтенсивные пучки (с Р<Р*) малого сечения, часто называемые электронными лучами, рассчитываемые по законам геометрической электронной оптики без учёта действия поля собственных пространств, заряда, формируются с помощью электронных прожекторов и используются в основном в различных электронно-лучевых приборах.

В интенсивных пучках действие собственных пространств, заряда существенно влияет на характеристики ЭП. Во-первых, интенсивный ЭП в пространстве, свободном от внешнего электрического и магнитных полей, за счёт кулоновского расталкивания неограниченно расширяется; во-вторых, за счёт отрицательного электрического заряда электронов пучка происходит падение потенциала в пучке. Если с помощью внешнего электрического или магнитных полей ограничить расширение интенсивного пучка, то при достаточно большом токе потенциал внутри пучка может понизиться до нуля, пучок «оборвётся». Поэтому для интенсивных пучков существует понятие предельного (максимального) первеанса. Практически при ограничении расширения пучка внешними полями удаётся сформировать протяжённые устойчивые интенсивные пучки с Р < 5*10 мкА/В^3/2.

Полное математическое описание интенсивных ЭП затруднительно, поскольку реальный электронный поток состоит из множества движущихся электронов, учесть взаимодействие между которыми практически невозможно. При введении некоторых упрощающих предположений, в частности, заменяя сумму сил, действующих на выбранный электрон со стороны соседних электронов, силой действия на этот электрон некоторой электрически заряженной среды с непрерывно распределённой плотностью пространств, заряда и разбивая весь пучок на совокупность «трубок тока», удаётся с помощью ЭВМ рассчитать с достаточной для практических целей точностью основные параметры интенсивного пучка: форму пучка (огибающую), распределение плотности тока и потенциала по сечению пучка.