Электронные линзы

В принципе любое аксиально-симметричное электрическое илимагнитное поле является электронной линзой. В случае электрических полейтакие линзы образуются комбинацией электродов, имеющих общую осьсимметрии. В случае же магнитных полей для этого применяются катушки, обтекаемые током, чаще всего оснащаемые магнитопроводами, имеющимиосевую симметрию.

Конфигурация элементов, образующих электронно-оптические системыаксиально-симметричного типа, может быть весьма разнообразной, но срединих можно выделить типичные и наиболее часто встречающиеся, которые ибудут рассмотрены далее. Наряду с аксиально-симметричнымииспользуются в ряде случаев поля, и не обладающие осевой симметрией(цилиндрические, квадрупольные, периодические фокусирующие системы), однако подробное их рассмотрение выходит за рамки данного курса.

Электростатические линзы

На электрон, находящийся в электрическом поле, действует сила

F = еЕ. Электрон, попадающий в поле в направлении его силовых линий, движетсяпрямолинейно, если же вектор скорости электрона и силовые линии поляобразуют некоторый угол, то траекторией движения электрона являетсяпарабола. Таким образом, уже в однородном электрическом поле происходитпреобразование электронного потока с хаотическим угловымраспределением в параллельный поток электронов (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Преобразование электронного пучка в однородном электрическомполе

Магнитные линзы

Различают два типа магнитных линз – длинные и короткие.

Примером длинной магнитной линзы является длинный соленоид. Наэлектрон в магнитном поле действует сила Лоренца, направление действияее перпендикулярно как направлению скорости электрона, так и векторунапряженности магнитного поля. Благодаря этому движение электронавнутри длинного соленоида происходит по спирали, описывая в плоскости, проходящей через ось z синусоиду (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Движение электрона в магнитном поле

z = Asin(t), (3.6)

где = 2/T = eH/2m.

Если скорости электронов, попадающих в соленоид, близки, топродольное равномерное магнитное поле фокусирует поток электронов вточках, соответствующих равенству:

(3.7)

где v_o– скорость электронов, входящих в соленоид; n – ряд простых целыхчисел.

Основные особенности фокусировки в длинной магнитной линзе:

1. Фокусировка получается не в одной, а в нескольких равноотстоящихдруг от друга точках.

2. Пучок электронов, движущихся параллельно оси, не фокусируется, т.е. диаметр этого пучка не может быть уменьшен.

Длинные магнитные линзы (соленоид с равномерным полем) напрактике применяются для переноса изображения.

Гораздо более широкое применение нашли тонкие магнитные линзы.

Фокусирующее действие тонкой магнитной линзы является более сложнымиз-за неоднородности магнитного поля, в котором можно выделитьтангенциальную и радикальную составляющие. Для построения траекторииэлектрона в этом случае необходимо знать величину начальной скоростиэлектрона и распределение напряженности магнитного поля вдоль осикатушки.

При получении изображения при помощи тонких (коротких) магнитныхлинз происходит поворот изображения относительно объекта.

Фокусирующее действие магнитной линзы тем больше, чем большенапряженность магнитного поля и уже область, в которой онососредоточено. Поэтому на практике магнитные линзы оформляются в видекатушек с панцирем (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Магнитная линза:

1 – обмотка; 2 – железный панцирь

Короткая магнитнаялинза позволяет получать увеличенные илиуменьшенные изображения, т.е. пригодна для использования в электронноммикроскопе. Короткая линза фокусирует и параллельный оси потокэлектронов. Напряженность поля на оси короткой магнитной линзы можетбыть найдена из выражения:

(3.8)

где R – средний радиус катушки; I – сила протекающего тока; z – расстояниепо оси катушки;

Фокусное расстояние магнитной линзы определяется соотношением:

(3.9)

где Ф – энергия электронов; R – средний радиус катушки; I – сила тока;

N – число витков;

Кроме указанных выше, существуют цилиндрические электронныелинзы, в которых распределение потенциала не зависит от одной изкоординат в декартовой системе (например, диафрагма с узким щелевиднымотверстием) и квадрупольные линзы, которые не обладают симметриейвращения.