Новая папка / Лекция №09 Магнитные линзы
.docx
Лекция №9
Магнитные линзы
Магнитное поле.
Последовательное совершенствование устройств для фокусировки электронов привело к современным короткофокусным магнитным и электрическим линзам. Наличие двух-трех таких линз в электронном микроскопе уже позволяет осуществить большие увеличения.
Последовательное развитие магнитных линз показано на рис. 9.1.
Обычная длинная катушка (соленоид), дающая однородное поле (рис. 9.1, а) отображает объект в отношении 1:1. Короткий соленоид может дать уже увеличенное изображение (рис. 9.1,б) (наверху — объект, внизу — изображение).
Согласно теории оптических свойств аксиально-симметричных полей оптическая сила магнитной линзы растет с концентрацией магнитного поля на оси симметрии. Поэтому целесообразно окружить соленоид панцырем из магнитного материала, оставив узкую щель (рис. 9.1, в); фокусное расстояние при этом резко уменьшается, и увеличение растет.
Для еще большего увеличения оптической силы линзы внутрь панцырной катушки вводят полюсные наконечники из специального магнитного материала (рис. 9.1, г). Такая линза с полюсными наконечниками и используется в современных магнитных электронных микроскопах. Фокусное расстояние при прочих равных условиях много меньше, чем в случае в, и зависит в первую очередь от диаметра отверстия полюсных наконечников.
Рассмотрим траектории электронов в фокусирующих полях длинного и короткого соленоидов. На рис. 2,2 показаны траектории электронов в первом случае.
P’
Рис. 9.2. Пути электронов в однородном магнитном поле; Ρ— объект; Р'— изображение.
Из рисунка ясно, как длинный соленоид фокусирует движущиеся электроны, выходящие из точки Ρ и собирающиеся в точке Р'.
Магнитное поле действует лишь на компоненту скорости частицы, нормальную к полю.
Спиралеобразное движение частицы складывается из
-
кругового перемещения в нормальной плоскости и
-
переносного движения в меридиональной плоскости.
Совершив полный оборот, частица опять возвращается на ось.
Если из точки Ρ исходит совокупность электронов, то при параксиальности пучка все частицы опять собираются в одной точке Р'.
Хотя радиусы окружностей, описываемые частицами пучка, различны, каждая частица за одно и то же время успевает сделать полный оборот, ибо для всех частиц угловая скорость ω одна и та же.
Эффективными линзами, дающими увеличенные изображения, служат короткие соленоиды с той или иной степенью концентрации магнитного поля на оси симметрии.
Рассмотрим движение электронов в поле короткой магнитной катушки (рисунок 9.3).
Рис. 9.3. Фокусировка электронов короткой магнитной линзой (без панцыря).
Входящие в магнитное поле электроны подвергаются воздействию обеих компонент поля (Hz и Нr).
Вдали от катушки электроны, выходящие из точки А, движутся по прямолинейным траекториям. Рассмотрим движение, начиная с точки Р.
Разложим скорость частицы ν на компоненты vz и vr.
На аксиальную компоненту vz действует лишь нормальная к ней компонента Нr. На электрон действует отклоняющая сила, направленная от наблюдателя к чертежу. В этом же направлении действует сила благодаря воздействию Hz на vr.
В результате у электрона возникает тангенциальная скорость vt, дающая вращение вокруг оси.
Воздействие Hz на эту скорость уже дает направленную к оси силу, вызывающую искривление траектории и фокусировку.
В нижней части линзы благодаря изменению направления компонент Нr и vr, опять-таки из-за воздействия Hz на vr и Нr на vz, возникает уже сила, уменьшающая тангенциальную скорость vt до нуля, так что электроны по выходе из поля линзы опять движутся в меридиональной плоскости. Благодаря наличию скорости vt изображение поворачивается.
Характерная особенность структуры магнитных полей коротких линз состоит еще и в том, что в области щели по мере приближения к железному панцырю напряженность магнитного поля растет. При перемещении от оси к краю щели растет компонента Нr и одновременно с ростом r растет в середине линзы и Hz. Это должно давать тем большую силу, направленную к оси, чем под большим углом электрон входит в линзу.
Указанное обстоятельство разъясняет природу фокусировки пучка, т. е. случай, когда электроны выходят из точки под разными углами.