Устройство и принцип работы электростатических и магнитных линз

На электрон в электронном поле напряженностью Е действует сила . Электрон, попадающий в электронное поле движется прямолинейно. В однородном поле происходит преобразование электрического пучка в параллельный поток электронов.

Рис. 3.1 Электрический пучок в однородном электронном поле.

Силовые полосы изображены штриховыми линиями, эквипотенциальные поверхности — сплошными. F = e E = e (V/d) Силовые полосы поля изображены пунктирными линиями, сечения эквипотенциальных поверхностей плоскостью рисунка — сплошными линиями. Потенциал поля V растет при перемещении сверху вниз.

Рис. 3.2 Отклонение луча света в неоднородной оптической среде. Показатель преломления n растет при перемещении сверху вниз.

Движение заряженных частиц в таких устройствах может быть довольно точно описано в рамках традиционной механики, т. к. волновая природа частиц в этих задачках фактически не проявляется. В таком приближении ЭИ и ИО носит заглавие геометрической по аналогии с геометрической оптикой световых лучей, которая выражается в том, что поведение пучков заряженных частиц в электронном и магнитном полях почти во всем подобно поведению световых лучей в неоднородных оптических средах. Отменно это подобие находится уже при сопоставлении рис. 3.1 и 3.2. В базе обозначенной аналогии лежит более общая аналогия меж традиционной механикой и световой геометрической оптикой, установленная ирландским математиком и физиком У. Р. Гамильтоном, доказавшим в 1834, что общее уравнение механики (уравнение Гамильтона — Якоби) по форме подобно оптическому уравнению эйконала. Как и в световой геометрической оптике, в геометрической ЭО и ИО вводится понятие показателя преломления.

Рис. 3.3 Преломление луча света на границе 2-ух сред с различными показателями преломления; sin i / sin r = n2/ n1и преломление электрического пучка на границе 2-ух сред с различными потенциалами sin i / sin r = (V2 / V1)1/2.

При вычислении погрешностей изображения для стремительных частиц подобна аберрациям оптических систем. Когда приближение геометрической ЭО и ИО оказывается недостающим, к примеру при исследовании разрешающей возможности электрического микроскопа, привлекаются способы квантовой механики.

Осесимметричные линзы и зеркала делают правильные электронно-оптические изображения, если заряженные частички движутся довольно близко к оси симметрии поля, а их исходные скорости не достаточно отличаются друг от друга. Если эти условия не производятся, погрешности изображения становятся очень значительными. Когда предмет и изображение лежат за пределами поля, осесимметричные ЭЛ всегда собирающие. Характеристики электростатической осесимметричной ЭЛ определяются положением её кардинальных точек, подобных кардинальным точкам осесимметричных светооптических изображающих систем: фокусов, основных точек и узловых точек. Построение изображения делается по правилам световой геометрической оптики. В магнитных ЭЛ дополнительно повёрнуто на некий угол.

Электростатическим осесимметричным полям характерны те же геометрические аберрации, что и светооптическим центрированным системам сферических поверхностей: сферическая аберрация, астигматизм, кривизна поля изображения, дисторсия и кома. В магн. полях к ним добавляются т. н. анизотропные дисторсия, астигматизм и кома. Не считая того, есть три вида хроматических аберраций (в электростатических полях — два), обусловленных неким неминуемым разбросом энергий поступающих в поле частиц. Вообщем говоря, аберрации ЭЛ с симметрией вращения в сравнимых критериях существенно превосходят по величине аберрации светооптических центрированных систем. Вопрос о компенсации аберраций либо их уменьшении является одним из главных в теоретической ЭО и ИО.

Рис. 3.4 Хроматическая аберрация в светооптических (а) и электрических (б) линзах.

Сферическая аберрация линзы появляется в силу того, что на ее краях лучи отклоняются посильнее, чем в средней части. В итоге изображение точки будет предсталено отрезком, параллельны оптической оси. Сечение пучка лучей будет давать изображение в виде пятна конечных размеров. В итоге этого из-за аберрации происходит искажение изображения предмета. В оптических и электрических системах наблюдается также и явение хроматической аберрации, обусловленной зависимостью показателя преломления от длины волны (дисперсия). Это приводит к тому, что полосы различных длин волн собираются линзой в различных точках.

Есть и другие типы ЭЛ и ЭЗ, поля которых владеют разными видами симметрии. Т. н. цилиндрические электростатические и магнитные ЭЛ и ЭЗ делают линейные изображения точечных предметов. В ряде аналитических устройств качественная фокусировка нужна исключительно в одном направлении. В этих случаях целенаправлено использовать т. н. трансаксиальные электростатические ЭЛ либо ЭЗ. Для воздействия на пучки заряженных частиц с большенными энергиями используют квадрупольные ЭЛ (электростатические и магнитные).

Для отличия пучков заряженных частиц употребляют электронно-оптические устройства с электронными либо магнитными полями, направленными поперёк пучка. В электронно-оптических устройствах обширно используются не только лишь электронные, да и магнитные поля, владеющие симметрией вращения относительно оптической оси системы.

Рис. 3.5 Электрический пучок в однородном магнитном поле.

Линии магнитной индукции, перпендикулярные к плоскости рисунка и направленные от чертежа к нам, изображены точками. F = e[vB]; R = mv/eB.

Электрические лучи (ЭЛ) и электрические зеркала (ЭЗ) с такими полями именуют осесимметричными. Электронные поля с симметрией вращения создаются электродами в виде цилиндров, чашечек, диафрагм с круглыми отверстиями и т. п.

Рис. 3.6 Сферический конденсатор: 1 — электроды конденсатора; 2 —точечный предмет; 3 — изображение предмета; 4 — кольцевые диафрагмы.

Изображение лежит на прямой, проходящей через источник и центр О сфера электродов.

Рис. 3.7 Стеклянные линзы (а) и построенные по аналогии с ними сетчатые электрические линзы (б).

Электрические поля обычно формируются разными конденсаторами: плоским, цилиндрическим, сферическим (рис. 3.7) и тороидальным.

Рис. 3.8 Рассредотачивание потенциала в поле меж 2-мя цилиндрическими электродами

Рис. 3.9 Иммерсионные электрические линзы.

Рис. 3.10 Одиночные электрические линзы.

Для получения осесимметричных магнитных полей употребляют электромагниты (время от времени неизменные магниты) с полюсами в форме тел вращения либо катушки с током (рис. 3.11).

Рис. 3.11 Магнитная линза в виде катушки: а — вид с боковой стороны; б — вид впереди; 1 — катушка; 2 — силовые полосы магн. поля; 3 — электрическая линия движения.

Штриховой линией обозначены контуры электрического пучка, выходящего из точки А (предмет) и фокусируемого в точке В (изображение).

Отклоняющие магнитные поля создаются электромагнитами либо проводниками, по которым течёт ток. Очень многообразны формы отклоняющих электронных и магнитных полей, используемых в масс-спектрометрах, электрических спектрометрах и других аналитических устройствах, в каких поля пространственно делят (разрешают) заряженные частички по энергии и массе, также фокусируют пучки.

Из разных типов магнитных полей нередко используются однородное поле и секторное поле (рис. 3.12). Для улучшения свойства фокусировки искривляют границы секторных магн. полей, также используют неоднородные магнитные поля, напряжённость которых изменяется по определенному закону.

Рис.3.12 Отклонение и фокусировка пучка заряженных частиц однородным (а) магнитным полем: 1 — предмет; 2 — изображение, и секторным (б) магнитным полем: 1 — магн. поле; 2 — предмет (щель источника); 3 — изображение.

Заряженные частички, испущенные линейным предметом (щелью) в границах маленького угла 2a, поначалу расползаются, а потом, описав полуокружности с радиусом r, который для всех частиц с одной и той же массой и энергией схож, фокусируются, формируя изображение предмета в виде полосы. Линейный предмет и полоска-изображение размещены параллельно силовым линиям магнитного поля, направленным перпендикулярно к плоскости рисунка.

Перечисленные отклоняющие электронные и магнитные устройства, время от времени именуют электрическими (ионными) призмами, отличаются от светооптических призм тем, что они не только лишь отклоняют, да и фокусируют пучки заряженных частиц. Фокусировка приводит к тому, что попадающие в поля таких устройств параллельные пучки после отличия перестают быть параллельными.

Меж тем для сотворения качественных аналитических устройств нужны электрические (ионные) призмы, которые подобно световым призмам сохраняют параллельность пучков. В качестве таких электрических призм используют телескопические системы электронных и магнитных полей. Добавив к электрической призме коллиматорную ЭЛ на входе и фокусирующую — на выходе, можно получить аналитич. прибор, в каком смешиваются высочайшая разрешающая способность и большая электронно-оптическая светосила.