[电子高压电源]电子

[电子高压电源]电子

[电子高压电源]电子 篇一 : 电子

电子是由灯丝、阴极、栅极、加速极、高压阳极组成。它是发射电子束的部件。组成电子各电极的主要作用，简单地说有如下几点:

1) 灯丝的作用:通电后将电能转变成热能并对阴极加热，使阴极表面产600-800。C的高温，创造一个使阴极发射电子的外部条件。

2) 阴极的作用:阴极呈圆筒状，灯丝装在圆筒内部，顶端涂有钡锶钙的氧化物，灯丝通电时，阴极受热后发射大量电子。

3) 栅极的作用:栅极套在阴极外面，是一个金属圆筒，顶端开有小孔，让电子束通过。改变与阴极的相对电位可以控制电子束的强弱。如果把视频信号加到阴极或栅极，那么，电子束的强弱就会随着视频视频信号强弱而变化，在荧光屏上就出现与视频信号相对应的图像。图8,6所示是栅极一阴极电位对电子束的调制特性。在实际应用中，为了提高信号加至显像管的阴极，而将栅极加负压0,60V，用电位器调整电压来调制通过的电子数目，改变显像管束电流的大小，从而控制荧光屏的亮度。

4) 加速极的作用:它也是顶部开有小孔的金属筒，其位置紧靠栅极。通常在加速极上加有几百伏的正电压，它能控制阴极发射的

电子束到达荧光屏的速度。

5) 聚集极的作用:彩色显像管聚集极通常加5,8kV电位。聚集极、加速极及高压极一起构成一个电子透镜，使电子束会聚成一束轰击荧光屏荧光粉层。

6) 高压阳极的作用:建立一个强电场，使电子束以极快的速度轰击荧光屏上的荧光粉。高压阳极通常为22-34kV。

荧光屏的速度。

5) 聚集极的作用:彩色显像管聚集极通常加5,8kV电位。聚集极、加速极及高压极一起构成一个电子透镜，使电子束会聚成一束轰击荧光屏荧光粉层。

6) 高压阳极的作用:建立一个强电场，使电子束以极快的速度轰击荧光屏上的荧光粉。高压阳极通常为22-34kV。

1. 光学显微镜以可见光为介质，电子显微镜以电子束为介质，由于电子束波长远较 可见光小，故电子显微镜分辨率远比光学显微镜高。光学显微镜放大倍率最高只有约 1500倍，扫描式显微镜可放大到10000倍以上。

2. 根据de Broglie波动理论，电子的波长仅与加速电压有关:

λe,h / mv, h / 1/2,12.2 / 1/2

在 10 KV 的加速电压之下，电子的波长仅为0.12?，远低于可见光的4000 - 7000?， 所以电子显微镜分辨率自然比光学显微镜优越许多，但是扫描式电子显微镜的电子束 直径大多在50-100?之间，电子与原子核的弹性散射 与非弹 性散射 的反应体积又会比原有的

电子束直径增大，因此一 般穿透式电子显微镜的分辨率比扫描式电子显微镜高。，约为光学显微

镜的300倍，使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的样品。

4. 扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子 发射电子 束，经过一组磁透镜聚焦 聚焦后，用遮蔽孔径 选择电子束的尺寸后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜 聚焦，打在样品上，在样品的上侧装有讯号接收器，用以择取二 次电子 或背向散射电子 成像。

5. 电子的必要特性是亮度要高、电子能量散布 要小，目前常用 的种类计有三种，钨灯丝、六硼化镧灯丝、场发射 ，不 同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。

6. 热游离方式电子有钨灯丝及六硼化镧灯丝两种，它是利用高温使电子 具有足够的能量去克服电子材料的功函数能障而逃离。对发射电 流密度有重大影响的变量是温度和功函数，但因操作电子时均希望能以最低的温度 来操作，以减少材料的挥发，所

以在操作温度不提高的状况下，就需采用低功函数的 材料来提高发射电流密度。

7. 价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝，以热游离 式来发射电子 ，电子能量散布为 2 eV，钨的功函数约为4.5eV，钨灯丝系一直径约100μm，弯曲成 V形的细线，操作温度约2700K，电流密度为1.75A/cm2，在使用中灯丝的直径随着钨 丝的蒸发变小，使用寿命约

为40~80小时。

8. 六硼化镧灯丝的功函数为2.4eV，较钨丝为低，因此同样的电流密度，使用 LaB6只要在1500K即可达到，而且亮度更高，因此使用寿命便比钨丝高出许多，电子 能量散布为 1 eV，比钨丝要好。但因LaB6在加热时活性很强，所以必须在较好的真 空环境下操作，因此仪器的购置费用较高。

9. 场发射式电子则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10 - 100 倍，同 时电子能量散布仅为 0.2 - 0.3 eV，所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都 采用场发射式电子，其分辨率可高达 1nm 以下。

10. 场发射电子可细分成三种:冷场发射式，热场发

射式，及萧基发射式

11. 当在真空中的金属表面受到108V/cm大小的电子加速电场时，会有可观数量的电 子发射出来，此过程叫做场发射，其原理是高电场使电子的电位障碍产生Schottky效

应，亦即使能障宽度变窄，高度变低，因此电子可直接”穿隧”通过此狭窄能障并离开 阴极。[)场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来，因此可得极细而又具高电流密 度的电子束，其亮度可达热游离电子的数百倍，或甚至千倍。

12. 场发射电子所选用的阴极材料必需是高强度材料，以能承受高电场所加诸在阴 极尖端的高机械应力，钨即因高强度而成为较佳的阴极材料。场发射通常以上下一 组阳极来产生吸取电子、

聚焦、及加速电子等功能。利用阳极的特殊外形所产生的静 电场，能对电子产生聚焦效果，所以不再需要韦氏罩或栅极。第一阳极主要是改 变场发射的拔出电压，以控制针尖场发射的电流强度，而第二 阳极主要是决定加速电压，以将电子加速至所需要的能量。

13. 要从极细的钨针尖场发射电子，金属表面必需完全干净，无任何外来材料的原子 或分子在其表面，即使只有一个外来原子落在表面亦会降低电子的场发射，所以场发 射电子必需保持超高真空度，来防止钨阴极表面累积原子。由于超高真空设备价格 极为高昂，所以一般除非需要高分辨率SEM，否则较少采用场发射电子。

14. 冷场发射式最大的优点为电子束直径最小，亮度最高，因此影像分辨率最优。能 量散布最小，故能改善在低电压操作的效果。为避免针尖被外来气体吸附，而降低场 发射电流，并使发射电流不稳定，冷场发射式电子必需在10-10 torr的真空度下操 作，虽然如此，还是需要定时短暂加热针尖至2500K，以去除 所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流最小。

15. 热场发式电子是在1800K温度下操作，避免了大部份的气体分子吸附在针尖表 面，所以免除了针尖flashing的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较 差的真空度下操作。虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷 式大3~5倍，影像分辨率较差，通常较不常使用。

16. 萧基发射式的操作温度为1800K，它系在钨单晶上镀ZrO覆盖层，ZrO将功函 数从纯钨的4.5eV降至2.8eV，而外加高电场更

使电位障壁变窄变低，使得电子很容易 以热能的方式跳过能障，逃出针尖表面，所需真空度约10-8~10-9torr 。其发射电流稳定度佳，而且发射的总电流也大。而其电子能量散布很小，仅稍逊于 冷场发射式电子。其电子源直径比冷式大，所以影像分辨率也比冷场发射式稍差一 点。

17. 场发射放大倍率由25倍到650000倍，在使用加速电压15kV时，分辨率可达到1nm ，加速电压1kV时，分辨率可达到2.2nm。一般钨丝型的扫描式电子显微镜仪器上的放 大倍率可到200000倍，实际操作时，大部份均在20000倍时影像便不清楚了，但如果 样品的表面形貌及导电度合适，最大倍率650000倍是可以达成的。

18. 由于对真空的要求较高，有些仪器在电子及磁透镜部份配备了3组离子泵，在样品室中，配置了2组扩散泵，在机体外，以1组机械泵 负责粗抽，所以有6组大小不同的真空泵来达成超高真空的要求，另外在样品另有以 液态氮冷却的冷阱，协助保持样品室的真空度。，则抽真空的时间将 变长而降低仪器的便利性，更增加仪器购置成本，因此一些仪器设计了阶段式真空，亦即使电子、磁透镜及样品室的真空度依序降低，并

分成三个部份 来读取真空计读数，如此可将样品保持在真空度10-5pa的环境下即可操作。平时待机 或更换样品时，为防止电子污染，皆使用真空阀将电子及磁透镜部 份与样品室隔离，实际观察时再打开使电子束通过而打击到样品。

20. 场发射式电子的电子产生率与真空度有密切的关系，其使用寿命也随真空度变 差而急剧缩短，因此在样品制备上必须非常

注意水气，或固定用的碳胶或银胶是否烤 干，以免在观察的过程中，真空陡然变差而影响灯丝寿命，甚至系统当机。

21. 在电子显微镜中须考虑到的像差包括:衍射像差、球面像差、散光像差及波长散布像差。

22. 面像差为物镜中主要缺陷，不易校正，因偏离透镜光轴之电子束偏折较大，其成 像点较沿轴电子束成像之高斯成像平面距透镜为近。

23. 散光像差由透镜磁场不对称而来，使电子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同点 上。散光像差一般用散光像差补偿器产生与散光像差大小相同、方向相 反的像差校正，目前电子显微镜其聚光镜及物镜各有一组散光像差补偿器。

24. 光圈衍射像差:由于电子束通过小光圈电子束产生衍射 现象，使用大光圈可以改善。

25. 色散像差:因通过透镜电子束能量差异，使得电子束聚 焦后并不在同一点上。

26.电子束和样品作用体积，作用体积约有数个微米深，

其深度大过宽度而形状类似梨子。此形状乃源于弹性和非弹性碰撞的结果。低原子量 的材料，非弹性碰撞较可能，电子较易穿进材料内部，较少向边侧碰撞，而形成梨子 的颈部，当穿透的电子丧失能量变成较低能量时，弹性碰撞较可能，结果电子行进方 向偏向侧边而形成较大的梨形区域。

27. 在固定电子能量时，作用体积和原子序成反比，乃因弹性

碰撞之截面积和原子序 成正比，以致电子较易偏离原来途径而不能深入样品。

28. 电子束能量越大，弹性碰撞截面积越小，电子行走路径倾向直线而可深入样品， 作用体积变大。

29. 电子束和样品的作用有两类，一为弹性碰撞，几乎没有损失能量，另一为非弹性 碰撞，入射电子束会将部份能量传给样品，而产生二次电子、背向散射电子、俄歇电 子、X光、长波电磁放射、电子-空位对等。、阴极、栅极、加速极、高压阳极组成。它是发射电子束的部件。组成电子各电极的主要作用，简单地说有如下几点:

1) 灯丝的作用:通电后将电能转变成热能并对阴极加热，使阴极表面产600-800。C的高温，创造一个使阴极发射电子的外部条件。

2) 阴极的作用:阴极呈圆筒状，灯丝装在圆筒内部，顶端涂有钡锶钙的氧化物，灯丝通电时，阴极受热后发射大量电子。

3) 栅极的作用:栅极套在阴极外面，是一个金属圆筒，顶端开有小孔，让电子束通过。改变与阴极的相对电位可以控制电子束的强弱。如果把视频信号加到阴极或栅极，那么，电子束的强弱就会随着视频视频信号强弱而变化，在荧光屏上就出现与视频信号相对应的图像。图8,6所示是栅极一阴极电位对电子束的调制特性。在实际应用中，为了提高信号加至显像管的阴极，而将栅极加负压0,60V，用电位器调整电压来调制通过的电子数目，改变显像管束电流的大小，从而控制荧光屏的亮度。

4) 加速极的作用:它也是顶部开有小孔的金属筒，其位置紧靠栅极。通常在加速极上加有几 百伏的正电压，它能控制阴极发射的电子束到达荧光屏的速度。

5) 聚集极的作用:彩色显像管聚集极通常加5,8kV电位。聚集极、加速极及高压极一起构成一个电子透镜，使电子束会聚成一束轰击荧光屏荧光粉层。

6) 高压阳极的作用:建立一个强电场，使电子束以极快的速度轰击荧光屏上的荧光粉。高压阳极通常为22-34kV。

荧光屏的速度。

5) 聚集极的作用:彩色显像管聚集极通常加5,8kV电位。聚集极、加速极及高压极一起构成一个电子透镜，使电子束会聚成一束轰击荧光屏荧光粉层。

6) 高压阳极的作用:建立一个强电场，使电子束以极快的速度轰击荧光屏上的荧光粉。高压阳极通常为22-34kV。

1. 光学显微镜以可见光为介质，电子显微镜以电子束为介质，由于电子束波长远较 可见光小，故电子显微镜分辨率远比光学显微镜高。光学显微镜放大倍率最高只有约 1500倍，扫描式显微镜可放大到10000倍以上。

2. 根据de Broglie波动理论，电子的波长仅与加速电压有关:

λe,h / mv, h / 1/2,12.2 / 1/2

在 10 KV 的加速电压之下，电子的波长仅为0.12?，远低于可见光的4000 - 7000?， 所以电子显微镜分辨率自然比光学显微镜优越

许多，但是扫描式电子显微镜的电子束 直径大多在50-100?之间，电子与原子核的弹性散射 与非弹 性散射 的反应体积又会比原有的电子束直径增大，因此一 般穿透式电子显微镜的分辨率比扫描式电子显微镜高。

3. 扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深，约为光学显微

镜的300倍，使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的样品。

4. 扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子 发射电子 束，经过一组磁透镜聚焦 聚焦后，用遮蔽孔径 选择电子束的尺寸后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜 聚焦，打在样品上，在样品的上侧装有讯号接收器，用以择取二 次电子 或背向散射电子 成像。

5. 电子的必要特性是亮度要高、电子能量散布 要小，目前常用 的种类计有三种，钨灯丝、六硼化镧灯丝、场发射 ，不 同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。

6. 热游离方式电子有钨灯丝及六硼化镧灯丝两种，它是利用高温使电子 具有足够的能量去克服电子材料的功函数能障而逃离。对发射电 流密度有重大影响的变量是温度和功函数，但因操作电子时均希望能以最低的温度 来操作，以减少材料的挥发，所以在操作温度不提高的状况下，就需采用低功函数的 材料来提高发射电流密度。

7. 价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝，以热游离 式来发射电子 ，电子能量散布为 2 eV，钨的功函数约为4.5eV，钨灯丝系一直径约100μm，弯曲成 V形的细线，操作温度约2700K，电流密度为1.75A/cm2，在使用中灯丝的直径随着钨 丝的蒸发变小，使用寿命约为40~80小时。

8. 六硼化镧灯丝的功函数为2.4eV，较钨丝为低，因此同样的电流密度，使用 LaB6只要在1500K即可达到，而且亮度更高，因此使用寿命便比钨丝高出许多，电子 能量散布为 1 eV，比钨丝要好。但因LaB6在加热时活性很强，所以必须在较好的真 空环境下操作，因此仪器的购置费用较高。

9. 场发射式电子则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10 - 100 倍，同 时电子能量散布仅为 0.2 - 0.3 eV，所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都 采用场发射式电子，其分辨率可高达 1nm 以下。

10. 场发射电子可细分成三种:冷场发射式，热场发

射式，及萧基发射式

11. 当在真空中的金属表面受到108V/cm大小的电子加速电场时，会有可观数量的电 子发射出来，此过程叫做场发射，其原理是高电场使电子的电位障碍产生Schottky效 应，亦即使能障宽度变窄，高度变低，因此电子可直接”穿隧”通过此狭窄能障并离开 阴极。场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来，因此可得极细而又具高电流密 度的电子束，其亮度可达热游离电子的数百倍，或甚至千

倍。

12. 场发射电子所选用的阴极材料必需是高强度材料，以能承受高电场所加诸在阴 极尖端的高机械应力，钨即因高强度而成为较佳的阴极材料。场发射通常以上下一 组阳极来产生吸取电子、聚焦、及加速电子等功能。利用阳极的特殊外形所产生的静 电场，能对电子产生聚焦效果，所以不再需要韦氏罩或栅极。第一阳极主要是改 变场发射的拔出电压，以控制针尖场发射的电流强度，而第二 阳极主要是决定加速电压，以将电子加速至所需要的能量。

13. 要从极细的钨针尖场发射电子，金属表面必需完全干净，无任何外来材料的原子 或分子在其表面，即使只有一个外来原子落在表面亦会降低电子的场发射，所以场发 射电子必需保持超高真空度，来防止钨阴极表面累积原子。由于超高真空设备价格 极为高昂，所以一般除非需要高分辨率SEM，否则较少采用场发射电子。

14. 冷场发射式最大的优点为电子束直径最小，亮度最高，因此影像分辨率最优。能 量散布最小，故能改善在低电压操作的效果。为避免针尖被外来气体吸附，而降低场 发射电流，并使发射电流不稳定，冷场发射式电子必需在10-10 torr的真空度下操 作，虽然如此，还是需要定时短暂加热针尖至2500K，以去除 所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流最小。

15. 热场发式电子是在1800K温度下操作，避免了大部份的气体分子吸附在针尖表 面，所以免除了针尖flashing的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较 差的真空度下操作。虽然

亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷 式大3~5倍，影像分辨率较差，通常较不常使用。

16. 萧基发射式的操作温度为1800K，它系在钨单晶上镀ZrO覆盖层，ZrO将功函 数从纯钨的4.5eV降至2.8eV，而外加高电场更使电位障壁变窄变低，使得电子很容易 以热能的方式跳过能障，逃出针尖表面，所需真空度约10-8~10-9torr 。其发射电流稳定度佳，而且发射的总电流也大。而其电子能量散布很小，仅稍逊于 冷场发射式电子。其电子源直径比冷式大，所以影像分辨率也比冷场发射式稍差一 点。

17. 场发射放大倍率由25倍到650000倍，在使用加速电压15kV时，分辨率可达到1nm ，加速电压1kV时，分辨率可达到2.2nm。一般钨丝型的扫描式电子显微镜仪器上的放 大倍率可到200000倍，实际操作时，大部份均在20000倍时影像便不清楚了，但如果 样品的表面形貌及导电度合适，最大倍率650000倍是可以达成的。

18. 由于对真空的要求较高，有些仪器在电子及磁透镜部份配备了3组离子泵，在样品室中，配置了2组扩散泵，在机体外，以1组机械泵 负责粗抽，所以有6组大小不同的真空泵来达成超高真空的要求，另外在样品另有以 液态氮冷却的冷阱，协助保持样品室的真空度。

19. 平时操作，若要将样品室真空亦保持在10-8pa，则抽真空的时间将 变长而降低仪器的——t262阅读网——便利性，更增加仪器购置成本，因此一些仪器设计了阶段式真空，亦即使电子、磁透

镜及样品室的真空度依序降低，并分成三个部份 来读取真空计读数，如此可将样品保持在真空度10-5pa的环境下即可操作。平时待机 或更换样品时，为防止电子污染，皆使用真空阀将电子及磁透镜部 份与样品室隔离，实际观察时再打开使电子束通过而打击到样品。

20. 场发射式电子的电子产生率与真空度有密切的关系，其使用寿命也随真空度变 差而急剧缩短，因此在样品制备上必须非常注意水气，或固定用的碳胶或银胶是否烤 干，以免在观察的过程中，真空陡然变差而影响灯丝寿命，甚至系统当机。

21. 在电子显微镜中须考虑到的像差包括:衍射像差、球面像差、散光像差及波长散布像差。

22. 面像差为物镜中主要缺陷，不易校正，因偏离透镜光轴之电子束偏折较大，其成 像点较沿轴电子束成像之高斯成像平面距透镜为近。

23. 散光像差由透镜磁场不对称而来，使电子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同点 上。散光像差一般用散光像差补偿器产生与散光像差大小相同、方向相 反的像差校正，目前电子显微镜其聚光镜及物镜各有一组散光像差补偿器。

24. 光圈衍射像差:由于电子束通过小光圈电子束产生衍射 现象，使用大光圈可以改善。

25. 色散像差:因通过透镜电子束能量差异，使得电子束聚 焦后并不在同一点上。

26.电子束和样品作用体积，作用体积约有数个微米深，

其深度大过宽度而形状类似梨子。此形状乃源于弹性和非弹性碰撞的结果。低原子量 的材料，非弹性碰撞较可能，电子较易穿进材料内部，较少向边侧碰撞，而形成梨子 的颈部，当穿透的电子丧失能量变成较低能量时，弹性碰撞较可能，结果电子行进方 向偏向侧边而形成较大的梨形区域。

27. 在固定电子能量时，作用体积和原子序成反比，乃因弹性碰撞之截面积和原子序 成正比，以致电子较易偏离原来途径而不能深入样品。

28. 电子束能量越大，弹性碰撞截面积越小，电子行走路径倾向直线而可深入样品， 作用体积变大。

29. 电子束和样品的作用有两类，一为弹性碰撞，几乎没有损失能量，另一为非弹性 碰撞，入射电子束会将部份能量传给样品，而产生二次电子、背向散射电子、俄歇电

子、X光、长波电磁放射、电子-空位对等。这些信号可供SEM运用者有二次电子、背 向散射电子、X光、阴极发光、吸收电子及电子束引起电流等。

30. 二次电子:电子束和样品作用，可将传导能带的电子击出，此即为二次电子，其能量约 31. 背向散射电子:入射电子与样品子发生弹性碰撞，

而逃离样品表面的高能量电子，其动能等于或略小于入射电子的能量。背向散射电子 产生的数量，会因样品元素种类不同而有差异，样品中平均原子序越高的区域，释放 出来的背向散射电子越多，背向散射电子影像也就越亮，因此背向散射电子影像有时 又称为原

子序对比影像。由于背向散射电子产生于距样品表面约5000?的深度范围内 ，由于入射电子进入样品内部较深，电子束已被散射开来，因此背向散射电子影像分 辨率不及二次电子影像。

32. X光:入射电子和样品进行非弹性碰撞可产生连续X光和特征X光，前者系入射电 子减速所放出的连续光谱，形成背景决定最少分析之量，后者系特定能阶间之能量差 ，可藉以分析成分元素。

33. 电子束引致电流:当一个p-n接面经电子束照射后，会产生过多的电子-空位对，这些载子扩散时被p-n接面的电场收 集，外加线路时即会产生电流。

34. 阴极发光:当电子束产生之电子-空位对再结合时，会放 出各种波长电磁波，此为阴极发光，不同材料发出不同颜色之光。

35. 样品电流:电子束射到样品上时，一部份产生二次电子及背 向散射电子，另一部份则留在样品里，当样品接地时即产生样品电流。

36. 电子侦测器有两种，一种是闪烁计数器侦测器，常用于侦测能量 较低的二次电子，另一种是固态侦测器，则用于侦测能量较 高的反射电子。

37. 影响电子显微镜影像品质的因素:

A. 电子的种类:使用场发射、LaB6或钨丝的电子。

B. 电磁透镜的完美度。

————篇三 : 电子

电子是加速器的电子注入器，它发射出具有一定能量、一定

流强、一定束流直径和发射角的电子束流引注入到加速管，用来为电子加速器提供电子束的电子一般分为热发射和场致发射两种;电子的功能在于给出满足要求的电子束，而电子的材料和工艺结构又必须考虑到加工和维修使用的方便。

电子是加速器的电子注入器，它发射出具有一定能量、一定流强、一定束流直径和发射角的电子束流[1]注入到加速管，用来为电子加速器提供电子束的电子一般分为热发射和场致发射2种;电子的功能在于给出满足要求的电子束，而电子的材料和工艺结构又必须考虑到加工和维修使用的方便。对于电子的设计一般应有以下几个方面的考

虑:

1. 注入电子具有一定的能量，的结构要有足够的耐压强度，能承受一定的加速电压。

2. 要有足够的发射能力，能给出足够的脉冲电流。

3. 电子束的束流直径和发射角要求在给定范围内。

4. 结构简单，易于加工、安装和检修。

5. 的使用寿命长。

[编辑本段]二、 电子的基本参量

在进行电子的讨论中，人们常常会用到一些专用术语，在此我们先对它们作一简介:

1、导流系数

当阳极电流受空间电荷时，电子的阳极电流与阴阳极间电压有关，在非相对论情况下，它们之间的关系是3/2次方的比例关系，

也称二分之三次方定律。

在空间电荷下，不论电极系统的形状如何，二分之三次方定律是普遍适用的，电极形状不同，只影响前面的比例系数。当电极形状一定时，在一般情况下，导流系数是1个常数，与温度无关，导流系数的大小表示电子发射电子的能力强弱。也就是说，导流系数是1个对电子注强度度量的量，它表征了电子注空间电荷的大小。

2、 注腰

在轴对称收敛型电子中，电子从阴极发出，在内各电极及电子自身空间电荷形成的静电场的作用下，形成一定的电子注形状，人们将电子注中截面半径最小的地方称为注腰。

3、 面积压缩比

面积压缩比 指的是阴极面积和注腰截面面积之比，也是注腰的平均电流密度 与阴极发射平均电流密度 之比。为了方便，一般用阴极截面积代替阴极球面积。

压缩比的大小主要取决于阴极发射电流密度。

4、 射程

射程 表示电子阳极头到电子所形成的注腰之间的距离。一般来说，人们希望射程足够的大，使得电子注能够以最佳的注入条件进入高频场作用区。

5、 层流性

所谓电子注的层流性，它只是1个定性的概念，通常用电子注轨迹交叉与否或交叉的严重程度来进行层流性的好坏的判断。层流性好的

电子注，在磁聚焦时可以用较低的磁场获得好的流通率，而高频场引起的电子注的散焦也较小。反之，层流性差的电子注，会使得其流通率差，散焦加大。

[编辑本段]三、 电子的结构

无论那种类型的电子，它们均由电子的发射极——阴极、电子注形状的极——聚焦极和电子的加速引出极——阳极三部分组成。不同环境下使用的电子其结构会是多种多样的，但是其基本组成部分是不变的。在工作中通常聚焦极的电位等于或接近于阴极电位，用以电子注的形状，而在阴极和阳极之间加上加速电压。当电子从阴极发射出来，将与由上述电极和电子注本身的空间电荷建立的静电场发生作用，形成具有一定形状的电子注，并从阳极孔射出以供使用。这种电子的工作原理与一般二极管相似，所以人们也称其为二极。

电子最常用的是二电极皮尔斯型。结构如图2.1,2所示。它主要由阴极、聚焦极、阳极组成。在阳极中间有一开口，电子从中穿过，注入到加速腔中去。皮尔斯型电子，又称轴对称球形收敛注皮尔斯电子，它是取2个同心球面的一部分形成的二极管。为了使电子的轨迹沿阴极曲率半径方向，需将球面电极的边缘加以修正，因此在阴极外围加有聚焦极。

[编辑本段]四、 电子的阴极

阴极是电子的关键部件之一，它决定电子的发射能力和寿命。目前世界上用于电子直线加速器上的电子，其阴极的形式多种多

样，归纳起来可以有2种划分方法:

直热式阴极多半采用纯钨作阴极材料，加热电流直接通过阴极。间热式阴极一般采用敷钍钨、敷氧化物、钪酸盐、六硼化镧阴极，它分为轰击型和加热型2种。

1、轰击型:其加热方式是通过在热子和阴极之间加上几百乃至上千伏的轰击电压，在此电压下，从热子发射的电子轰击阴极，使阴极加热到一定温度后从其表面发射出大量电子来。

2、加热型:这种阴极，化合物层固定在薄壁的底托上，底托下面放着耐热绝缘的螺旋钨丝。电流流过灯丝，灯丝烧热阴极，当阴极达到发射电子的温度时，就发射出电子来。

阴极的材料及其工作温度对电子的发射能力和寿命有决定作用。阴极必须选用低逸出功的材料。阴极表面原子的外层电子，受到一定的热能或电能的激励后，会越出轨道的束缚而成为自由电子。

热发射式电子的灯丝阴极一般是用钨丝制成的，必须靠电流将灯丝加热到一千度以上，灯丝发射电流密度 与灯丝温度及灯丝材料的逸出功有关。

以钨丝温度为例，其逸出功为4.55电子伏，在工作温度为2500K时，J=0.5安/厘米2。

灯丝温度对电子的发射强度的影响是很大的。如果采用逸出功更小的阴极材料，在获得同样发射强度的条件下，还可大大降低灯丝温度。为了使阴极寿命尽可能的延长，要求材料有较高的熔点和较小的蒸发率，并且不容易受空气侵蚀而中毒。钨丝的熔点为3655K，在工作温

度为2750K时，蒸发率为0.0043毫克/厘米•秒，钨丝的耐侵蚀性较强。氧化物阴极的逸出功更低，例如氧化钡的逸出功只有2.8电子伏，但其耐蚀性差，一般只适宜在10-5-10-6毫米汞柱的高真空下工作，在10-4毫米汞柱时，其发射本领显着下降，在10-3毫米汞柱下工作时，甚至会严重地中毒，不能再继续使用。

场致发射式电子要求在阴极表面附近有大于106伏/厘米的强电场，提高阴极表面场强，是增大发射强度的有效途径。

一般来说，电子的电流强度总在1毫安以上，脉冲电子流可达安培级，寿命在100小时以上。

[编辑本段]五、 电子的工作原理

1、二极工作原理

在电子阴极附近发生的物理过程与电子二极管中所发生的物理过程非常类似。大家知道，在二极管中电流的流通，是由阴极发射的电子的运动来实现的。若在二极管的阴极与阳极之间加上一定的正向电压Ua，阴极逐渐加热，记录相应的阳极电流Ia，可得到一条Ia/Uf关系曲线。改变Ua可得到另一条Ia Uf关系曲线。当Uf比较低时，即阴极温度

较低时，阳极电流Ia随着加热电压的增大而增长很快。当Uf超过某一数值时，阳极电流Ia不随灯丝加热电压Uf的增大而增大，若继续提高Uf对阳极电流的增大并无好处。我们知道，在一定的阴极温度下，阴极有一定的发射电流，阴极温度愈高，则发射电流愈大。当阴极温度足够高时，继续增高阴极温度而阳极电流不变，这表明此时阴极发射的电流没有能全部到达阳极。考察不同的Ua所

对应的不同曲线，情况都是一样。因为二极管的阴阳极之间加有正向电压Ua，因此阴阳极间会形成一定的电场分布，在阴极未加热时，该电场分布是稳定的。当阴极加热后，阴极开始发射电子，电子在Ua的作用下飞向阳极。由于有空间电荷的存在，阴阳极之间每一点的电位都要下降，当阴极温度不太高，发射的电子不太多时，阴阳极之间仍为加速场，电子在此电场作用下都能到达阳极。随着阴极发射电子的增多，阴阳极表面电位梯度的变化是不同的，因为阴极表面的电子除了受阳极加速电场的吸引外，还受到前面空间电荷的排斥作用，因此电子所受到的力较没有空间电荷时小，即电位梯度减小;而在阳极表面的电子除了受阳极加速电场的吸引外，还受到后面空间电荷的推力，所以电位梯度增大。若继续提高阴极的温度，空间电荷的密度继续增加，由于空间电荷的作用，将使阴极表面的电位梯度下降为零，此时空间电荷在阴极表面产生的电场恰好等于加速场，但方向相反，阴极表面不再受电场力作用。大家知道，电子自阴极逸出要具有一定的初速度，即使阴极表面电位梯度下降至零，继续提高阴极温度，空间电荷密度仍能增大，这时，阴极表面电位梯度变为负值。即在阴极附近空间电荷产生的电场大于阳极电压Ua产生的加速场。

从阴极发射出来的电子，具有不同的初速度。只有初始动能大于最低电位位能的电子，才能克服阴极表面附近的负电场而越过最低电位，进入加速场飞向阳极;而那些初始

动能比较小的电子，在空间电荷的作用下又返回了阴极。在平衡状态下，单位时间内跑向阳极的电子数加上返回阴极的电子数，等于阴极发射进入空间的电子数。继续

增高阴极温度，则阴极发射增加，空间电荷密度也增加，这等于加强了阴极表面附近的负电场，受负电位作用返回阴极的电子数增多，而跑到阳极的电子数却增加微少。

在阴极加热温度低时，阴极发射的电子都可以到达阳极，此时阳极电流取决于阴极发射温度，称为温度。这种情况下，阴极加热温度的变化，对发射电流的影响很大。当加热电压继续加高，空间电荷效应起主要作用，阳极电流受空间电荷。加速器的电子主要工作在空间电荷状态下。

2、皮尔斯型电子的工作原理

目前世界各国电子直线加速器的电子，多数采用的是皮尔斯型电子，这种电子的光学系统主要包括阴极、阳极和聚焦极，有的加有栅控极，通常聚焦极的电位等于或接近阴极电位，阳极为地电位，阴极上加有负脉冲高压。阴极和阳极构成1个二极管，阴极受热子加热烘烤，热子由交流电源供电，当阴极加热到一定温度时，即有热电子发射，在阴阳极间加速电压的作用下，形成电子束飞向阳极。电子束受聚焦极作用朝着阳极孔飞行，最终穿过阳极孔进入加速系统。

3、栅控工作原理

随着加速管的改进，采用低压注入的技术成为可能;同时现在的医用加速器，根据放射治疗的需要，要求改变注电流达到既能出X射线，亦能出电子线的要求。这样的电子

阳极电压可降到7-15KV，注流在200—1000ma的范围内变化。在出电子线时注流能逐渐降到很低的数值。低压注入技术的解决，为栅控的使用打下基础。低压

可以大大缩小电子的尺寸，减低电极间绝缘瓷件耐压的要求，减低了离子回轰阴极的能量，更重要的是电源的体积，重量以及效率可以大大提高。对于栅控的设计，人们一般是在二极设计的基础上，增加1个控制极。当栅极对阴极加上1个不大的负电压时，使阴极发射截止;这相当于在脉冲的间隙期停止放射，而脉冲的持续期控制极对阴极加上零或1个不大的正电压，使阴极发射电子，通过对这个正电压的调整，达到对电子注流的控制。而阳极对阴极的电压，可以始终加上1个稳定的直流高压。显然直流电源电压的幅度稳定，比高压脉冲调制器的高压脉冲幅度的稳定容易得多。因而也减轻了对电源设计上的压力。人们加设的控制极，通常有3种形式，它们的结构形式在第一部分已经给出，它们的工作方式，现分别简述如下:第1种孔栅:它是在结构设计上将二极的聚焦极与阴极绝缘开来，适当修改聚焦极的设计，使其能在相对阴极而加的偏压的绝对值尽量低时情况下，实现电子注的截止。一般经验是，当P,0.5微朴，压缩比较小时，|—Ego|,Va可以在低于25,的情况下，实现孔栅设计。第二种针栅:它是在阴极的中心安置1个与阴极绝缘而垂直于阴极面的小针，以此针为控制极，它的截止电压，大致可以做到或稍低于孔栅的水平。但对针栅而言，其阴极、针栅极在结构设计上较复杂，目前国内较少使用，而俄罗斯在这方面技术较成熟，他们可以在针栅上复上一层反发射物质，以降低栅发射。不过对于存在较强离子反轰的加速管采用此种控制极是否可行，有待实践证明。第3种网栅，它是在二极中距阴极1,—3,的等位面上设置一栅网，当栅

网对阴极加上相当于网在平面的电位时，并不大改变原二极的电位

分布。这种栅的截止偏压可以设计得很低。这将有利于栅控电源的制

作。