چگونه یک باریکه‏ ی الکترونی ایجاد می‏شود؟

مقدمه: 
به دلیل ویژگی‏ های منحصر به فرد الکترون‏ ها، برای بررسی دقیق‏ تر ساختار ماده از میکروسکوپ‏ های الکترونی استفاده می‏ نماییم. اما شاید این سوال پیش آید که این الکترون‏ ها چگونه تهیه می‏ شوند؟ مگر آن‏ها اجزایی از ساختار اتم‏ ها نیستند؟ پس چگونه می‏ توانیم آن‏ها را جدا کرده و در دسته‏ های پر انرژی به ماده بتابانیم؟ در این مقاله به روش‏ های تولید پرتوهای الکترونی می‏ پردازیم.

                                       

• مقدمه: 
  به دلیل ویژگی‏ های منحصر به فرد الکترون‏ ها، برای بررسی دقیق‏ تر ساختار ماده از میکروسکوپ‏ های الکترونی استفاده می‏ نماییم. اما شاید این سوال پیش آید که این الکترون‏ ها چگونه تهیه می‏ شوند؟ مگر آن‏ها اجزایی از ساختار اتم‏ ها نیستند؟ پس چگونه می‏ توانیم آن‏ها را جدا کرده و در دسته‏ های پر انرژی به ماده بتابانیم؟ در این مقاله به روش‏ های تولید پرتوهای الکترونی می‏ پردازیم.
• تفنگ الکترونی: 
  وجود یک منبع قابل اعتماد برای تولید باریکه‏ های الکترونی، یکی از مسائل مهم در میکروسکوپی TEM است. خوشبختانه منابع زیادی برای تولید الکترون وجود دارند. اما باید از این میان، بهترین انتخاب ممکن را برای دست‏یابی به بهترین حالت تصویربرداری برگزید. یک باریکه‏ ی الکترونی مناسب برای TEM، دارای مشخصاتی است که تنها با استفاده از دو دسته از منابع الکترونی می‏ توان آن‏ها را فراهم آورد. این منابع عبارتند از منابع گرمایونی و منابع نشر میدانی. هر یک از این منابع ویژگی‏ های خاص خود را دارا بوده و بر اساس ساز و کار ویژه‏ای باریکه‏ های الکترونی را ایجاد می‏ کنند. منبع الکترونی در مجموعه‏ ای از قسمت‏ های یک TEM قرار دارد که به آن به اصطلاح «تفنگ الکترونی» می‏ گوییم.
• منابع گرمایونی: 
  همان‏گونه که از نام این دسته از منابع برمی‏ آید، آن‏ها با گرم شدن، شروع به تولید الکترون می‏ کنند. 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 کاتد را برای نشر گرمایونی بیان کنید؟

برای این‏که بتوانیم الکترونی را از ماده جدا کنیم، باید به آن به قدری انرژی بدهیم تا بتواند از سطح ماده خارج شود. این مقدار انرژی که به عنوان یک سد برای خروج الکترون شناخته می‏ شود، تابع کار نام دارد و غالبا آن را با حرف یونانی فی (Φ) نمایش می‏ دهیم. این مقدار برای مواد مختلف غالبا در حدود چند الکترون ولت است.

الکترون ولت (eV) واحدی است که برای بیان انرژی یک الکترون استفاده می‏ شود. یک الکترون ولت برابر است با مقدار انرژی یک الکترون، هنگامی‏که در میدان پتانسیل الکتریکی برابر با یک ولت قرار گرفته باشد. این مقدار برابر با J 1.6.02*10-19 می‏ باشد.

هنگامی‏که به یک ماده انرژی حرارتی وارد می‏ کنیم و دمای آن به حد کافی بالا می‏ رود، الکترون‏ ها به مقدار کافی انرژی دریافت می‏ کنند تا بر این سد انرژی (تابع کار) فائق آیند. در این صورت الکترون‏ ها از ماده بیرون آمده و برای تشکیل یک باریکه‏ ی الکترونی آماده هستند. اما یک مشکلی وجود دارد! هنگامی‏که ماده را تا چند الکترون ولت گرما می‏ دهیم، ماده ذوب و یا بخار می ‏شود. بنابراین، تنها منابع در دسترس برای نشر گرمایونی الکترون‏ ها، مواد دیرگداز (موادی که دمای ذوب بالایی دارند) و یا مواد دارای تابع کار بسیار کم می‏ باشند. ماده‏ ای که سال‏ های طولانی برای TEMها و امروزه برای SEMها به عنوان کاتد استفاده می‏ شود، تنگستن با دمای ذوب در حدود 3660 کلوین می‏ باشد. هم‏چنین تنها ماده‏ای که امروزه برای TEMها به کار می‏ رود، LaB6 است که تابع کار بسیار پایینی (2.4eV) دارد. برخی مشخصه‏ های این کاتدها در جدولی در انتهای این مقاله درج شده‏ اند. می‏ توانید آن‏ها را با مشخصات دیگر منابع نیز مقایسه نمایید.

• منابع نشر میدانی: 
  یک منبع نشر میدانی یا به اختصار FEG (مخفف Field Emission Gun)، ابزاری است که با برقرار شدن یک پتانسیل الکتریکی بزرگ بین آن و یک آند، شروع به تولید الکترون می‏ نماید. ساخت این نوع منبع با استفاده از سوزن‏ های بسیار ظریف تنگستن امکان‏ پذیر است. الکترون‏های تولید شده توسط منابع نشر میدانی نسبت به الکترون‏ های حاصل از منابع گرمایونی انرژی‏ های بسیار نزدیک‏تری به هم دارند. بنابراین به اصطلاح می‏ توانیم باریکه‏ ی الکترونی تک‏فام‏ تری داشته باشیم. اصطلاح تک‏فام (یا تک‏رنگ) برای باریکه‏ هایی از نور مرئی و یا پرتوهای X به کار می‏ رود که تمام طول موج‏ های موجود در آن تقریبا با هم برابر باشند. در این‏جا با توجه به این‏که الکترون رفتار موجی نیز دارد، این اصطلاح به کار می‏ رود. گرچه با توجه به این‏که طول موج مربوط به یک الکترون با انرژی (یا سرعت) آن رابطه دارد، از یک‏سان بودن انرژی الکترون‏ ها می‏ توان یک‏سان بودن طول‏ موج آن‏ها را نتیجه گرفت. 
  اساس کار FEGها کاملا با منابع گرمایونی متفاوت است. همان‏گونه که می‏ دانید، قدرت یک میدان الکتریکی در نقاط تیز بسیار شدید است. هنگامی‏ که اختلاف پتانسیل V به یک نقطه‏ ی تیز (قسمتی از دایره به شعاع r) اعمال شود، آن‏گاه مقدار میدان برابر با

E=V/r

خواهد بود. مشاهده می‏ کنید که با تیز شدن نقطه‏ ی مورد نظر (کاهش r)، مقدار میدان به شدت افزیش خواهد یافت. یکی از موادی که به راحتی می‏ توان از آن یک سوزن نوک تیز ساخت، تنگستن است. اگر به یک نوک تیز تنگستن با شعاع نوک کمتر 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 کار) را از میان
برمی‏ دارد و الکترون‏ 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 استحکام بسیار بالایی داشته باشد تا سالم بماند. برای رخ دادن پدیده‏ ی نشر میدانی، سطح نوک سوزن باید کاملا عاری از هرگونه آلودگی و اکسید باشد. برای رسیدن به این شرایط، می‏ توان از خلاءهای بسیار قوی (در حدود Pa) استفاده کرد. در این صورت می‏ توان دمای کاری 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 مشکل آلودگی‏ ها و اکسیدهای سطحی احتمالی موجود بر روی نوک سوزن تنگستنی شود؟ آیا می‏ دانید تکنیک استفاده از خلاء برای از بین بردن اکسیدهای سطحی و آلودگی‏ ها در چه مواردی کاربرد دارد؟

• منابع شاتکی: 
  در این دسته از منابع، ساز و کار حاکم بر تولید الکترون، تلفیقی از گرمایونی و نشر میدانی می‏ باشد.

جدول 1- برخی ویژگی‏ های منابع الکترونی مختلف

	فیلمان تنگستن	بلور LaB6	نشر میدانی شاتکی	نشر میدانی سرد
تابع کار (eV)	4.5	2.4	3	4.5
دمای کاری (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

منبع