El cañón de electrones

Todos los metales liberan electrones cuando se calientan a la temperatura adecuada, y mientras más temperatura se aplica, mayor cantidad de electrones se emiten.

Cuando por un filamento metálico, insertado en un circuito eléctrico, circula una corriente de suficiente intensidad, se consigue proporcionar a los electrones suficiente energía térmica para sobrepasar la barrera energética que evita que los electrones sean liberados. Muchos metales no soportan durante mucho tiempo la temperatura necesaria sin deteriorarse.

El wolframio ó Tungsteno (W), sin embargo, tiene una temperatura de fusión suficientemente alta (3.650ºC), lo que permite que el material soporte temperaturas elevadas (Entre 2.600 y 3.000ºC) por un tiempo mayor y, por tanto, es el material elegido para fabricar los filamentos de las bombillas de incandescencia y de los emisores termoiónicos.

En el dibujo anterior se representa un triodo de caldeo directo.

Un triodo es una válvula termoiónica de tres electrodos. Como todas las válvulas termoiónicas, dispone de un elemento (Cátodo) que emite electrones. En este caso el cátodo és simplemente un filamento que se pone incandescente cuando pasa la corriente.

La tensión positiva conectada al ánodo atrae los electrones desprendidos del filamento. Este haz de electrones se controla con la tensión de la rejilla. De esta forma con una pequeña variación de voltaje en la rejilla se pueden conseguir variaciones considerables de corriente entre el filamento y el ánodo. Es por esto que el triodo se ha utilizado, y aun se utiliza, como amplificador.

En un tubo fluorescente, como el que muestra el grabado anterior, el filamento del extremo del tubo emite electrones que ionizan el gas que existe en su interior. Este gas ionizado permite que se produzca una descarga eléctrica a su través, de extremo a extremo del tubo.

La descarga eléctrica, producida dentro del tubo, volatiliza el mercurio, que una vez gasificado y chocando contra los electrones y los iones del gas emite radiación ultravioleta, que se transforma en luz visible cuando atraviesa la capa de fósforo que recubre el tubo interiormente.

El tubo de rayos catódicos, representado en el dibujo anterior, se ha utilizado, y aun se utiliza, en las pantallas de la televisión, del radar y de los osciloscopios, y también, en los monitores de ordenador.

En la parte posterior lleva un cañón de electrones, que genera un haz que es desviado por un conjunto de bobinas deflectoras para hacer el barrido de toda la pantalla, punto a punto y linea a linea.

En el dibujo anterior se puede ver un magnetrón de los utilizados en los hornos microondas. En los equipos de radar también se utilizan mecanismos similares.

En un magnetrón, un filamento de tungsteno, colocado interiormente, calienta el cátodo para que éste emita electrones. Estos electrones son atraidos por el ánodo, pero como que todo ello está dentro del campo magnético generado por los dos imanes, en realidad los electrones acaban realizando un recorrido circular alrededor del cátodo, tal como muestra la linea roja.

Este movimiento de los electrones genera, en las cavidades resonantes del ánodo, una radiofrecuencia de unos 2.450 MHz. Estas microondas son extraidas del magnetrón mediante una antena.

El dibujo anterior representa el cañón de electrones de un microscopio electrónico de transmisión (MET).

En el caso de nuestro cañón de electrones, el filamento de tugnsteno tiene forma de “U“, con un diámetro de curvatura, en la punta, de algunas decenas de milímetros. Con el paso de la corriente este filamento se calienta a una temperatura cercana a 2.700ºC. En estas condiciones se produce un efecto termoeléctrico, muchos electrones escapan fuera de la superficie del metal y forman una nube alrededor del filamento.

El electrodo de Wehnelt tiene un voltaje negativo de algunas centenas de voltios respecto del filamento. Con esto se consigue concentrar los electrones que pasan a través de su orificio en un punto situado un poco más adelante, tal como haría una lente convexa con un haz de luz.

El campo eléctrico existente entre el ánodo y el filamento permite acelerar los electrones liberados. Pasado el cilindro de Wehnelt los electrones se lanzan en dirección al ánodo, acelerándose, gracias a la alta tensión del mismo (Centenares de miles de voltios).

El haz de electrones, acelerados a una velocidad de alguna centena de miles de kilómetros por segundo, emerge al otro lado del agujero, que atraviesa el ánodo en su parte central, para incidir sobre las muestras analizadas en el microscopio electrónico.

En el dibujo anterior se muestra unos de los inyectores de electrones de un acelerador de partículas, del tipo sincrotrón, llamado Tevatron, situado en el Laboratorio Nacional Fermi en Estados Unidos.

En la fotografía anterior se muestra el cañón de electrones EMG-4212, que funciona a 30keV. Este modelo fabricado por la empresa Kimball Physics se utiliza en los laboratorios de Física de Partículas.

Esta empresa está especializada en la fabricación de cañones de electrones para equipos de altísimo vacío (UHV), utilizados para el tratamiento de superficies, en la preparación de muestras para microscopía electrónica, la física del espacio, los aceleradores de partículas y el estudio de nuevos materiales. Para estos usos se emplean cañones que desarrollan una energía de 1 a 100 keV (Kilo electrónvoltio).

Los cañones que desarrollan energías de 5 a 1.000 eV se utilizan en aplicaciones médicas, lasers de electrones, litografía electrónica, fabricación de semiconductores y generación de rayos X.

La empresa Kimball Physics también fabrica módulos para equipos de experimentación en alto vacío, como el que se muestra en la figura anterior, y construidos en acero inoxidable o titanio.

Los motores iónicos, como el mostrado en el dibujo anterior, se utilizan par la propulsión de satélites. En ellos un gas de gran densidad, como el xenón, es ionizado y posteriormente acelerado, utilizando campos eléctricos.

Para ionizar el gas propelente se utiliza un cañón de electrones situado en la misma entrada de gas.