Электростатическая линза

Электростатическая линза — это устройство, которое помогает транспортировать заряженные частицы. ^[1]^[2]^[3] Например, он может направлять электроны, испускаемые образцом, в электронный анализатор , аналогично тому, как оптическая линза помогает переносить свет в оптическом приборе. Системы электростатических линз могут быть спроектированы так же, как и оптические линзы, поэтому электростатические линзы легко увеличивают или сводят траектории электронов. Электростатическую линзу также можно использовать для фокусировки ионного луча, например, для создания микролуча для облучения отдельных клеток .

Цилиндрическая линза

Цилиндрические линзы в с электронно-лучевой трубкой электронной пушке

Цилиндрическая линза состоит из нескольких цилиндров, боковые стороны которых представляют собой тонкие стенки. Каждый цилиндр расположен параллельно оптической оси, в которую входят электроны. Между цилиндрами имеются небольшие зазоры. Когда в каждом цилиндре разное напряжение, зазор между цилиндрами работает как линза. Увеличение можно изменить, выбрав различные комбинации напряжений. Хотя увеличение двухцилиндровых линз можно изменить, при этой операции также изменяется точка фокусировки. Три цилиндрические линзы обеспечивают изменение увеличения, удерживая при этом положение объекта и изображения, поскольку есть два зазора, которые работают как линзы. Хотя напряжения должны меняться в зависимости от кинетической энергии электронов , соотношение напряжений остается постоянным, если оптические параметры не изменяются.

Пока заряженная частица находится в электрическом поле, на нее действует сила. Чем быстрее частица, тем меньше накопленный импульс. Для коллимированного луча фокусное расстояние определяется как начальный импульс, разделенный на накопленный (перпендикулярный) импульс линзы. Это делает фокусное расстояние одиночной линзы функцией второго порядка скорости заряженной частицы. Одиночные линзы, известные из фотоники, труднодоступны для электронов.

Цилиндрическая линза состоит из дефокусирующей линзы, фокусирующей линзы и второй дефокусирующей линзы, сумма преломляющих сил которых равна нулю. Но поскольку между линзами существует некоторое расстояние, электрон делает три оборота и попадает в фокусирующую линзу в положении, находящемся дальше от оси, и таким образом проходит через поле большей силы. Эта косвенность приводит к тому, что результирующая преломляющая сила равна квадрату преломляющей силы одиночной линзы.

линза Эйнцеля

Линза Эйнцеля — это электростатическая линза, фокусирующаяся без изменения энергии луча. Он состоит из трех или более наборов цилиндрических или прямоугольных трубок, последовательно расположенных вдоль оси.

Квадрупольная линза

Квадрупольная линза состоит из двух одиночных квадруполей, повернутых друг к другу на 90°. Пусть z — оптическая ось, тогда можно отдельно для осей x и y сделать вывод, что преломляющая способность снова равна квадрату преломляющей способности одной линзы. ^[4]

Магнитный квадруполь работает очень похоже на электрический квадруполь, однако сила Лоренца увеличивается со скоростью заряженной частицы. В духе фильтра Вина комбинированный магнитный и электрический квадруполь ахроматичен при заданной скорости. Бор и Паули утверждают, что эта линза приводит к аберрации, когда применяется к ионам со спином (в смысле хроматической аберрации), но не к электронам, которые также имеют спин. См. эксперимент Штерна-Герлаха .

Магнитная линза

Магнитное поле также можно использовать для фокусировки заряженных частиц. Сила Лоренца, действующая на электрон, перпендикулярна как направлению движения, так и направлению магнитного поля ( v x B ). Однородное поле отклоняет заряженные частицы, но не фокусирует их. Простейшая магнитная линза представляет собой катушку в форме пончика, через которую проходит луч, желательно вдоль оси катушки. Для создания магнитного поля через катушку пропускают электрический ток. Магнитное поле наиболее сильное в плоскости катушки и ослабевает по мере удаления от нее. В плоскости катушки поле усиливается по мере удаления от оси. Таким образом, заряженная частица, расположенная дальше от оси, испытывает более сильную силу Лоренца, чем частица, расположенная ближе к оси (при условии, что они имеют одинаковую скорость). Это приводит к фокусирующему действию. В отличие от путей в электростатической линзе, пути в магнитной линзе содержат спиральный компонент, то есть заряженные частицы вращаются вокруг оптической оси. В результате изображение, формируемое магнитной линзой, поворачивается относительно объекта. Это вращение отсутствует для электростатической линзы. Пространственной протяженностью магнитного поля можно управлять с помощью магнитной цепи из железа (или другого магнитомягкого материала). Это позволяет проектировать и создавать более компактные магнитные линзы с четко определенными оптическими свойствами. В подавляющем большинстве используемых сегодня электронных микроскопов используются магнитные линзы из-за их превосходных свойств изображения и отсутствия высоких напряжений, необходимых для электростатических линз.

Многополюсные линзы

Мультиполи за пределами квадруполя могут корректировать сферическую аберрацию, а в ускорителях частиц дипольные изгибающие магниты действительно состоят из большого количества элементов с различными суперпозициями мультиполей.

Обычно зависимость дается для самой кинетической энергии в зависимости от степени скорости.Таким образом, для электростатической линзы фокусное расстояние зависит от второй степени кинетической энергии:в то время как для магнитостатической линзы фокусное расстояние изменяется пропорционально кинетической энергии.А комбинированный квадруполь может быть ахроматическим при заданной энергии.

Если распределение частиц с разными кинетическими энергиями ускоряется продольным электрическим полем, относительный разброс по энергии уменьшается, что приводит к меньшей хроматической ошибке. Примером этого является электронный микроскоп .

Электронная спектроскопия

Развитие электронной спектроскопии в последнее время позволяет выявить электронную структуру молекул . Хотя в основном это достигается с помощью электронных анализаторов, электростатические линзы также играют значительную роль в развитии электронной спектроскопии.

Поскольку электронная спектроскопия обнаруживает несколько физических явлений, связанных с электронами, испускаемыми из образцов, необходимо транспортировать электроны в электронный анализатор. Электростатические линзы удовлетворяют общим свойствам линз.

См. также

Ссылки

^ ДВО Хеддл (13 декабря 2000 г.). Электростатические линзовые системы, 2-е издание . ЦРК Пресс . ISBN 978-1-4200-3439-4 .
^ Джон Орлофф (24 октября 2008 г.). Справочник по оптике заряженных частиц, второе издание . ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4200-4555-0 .
^ Эль-Карех (2 декабря 2012 г.). Электронные пучки, линзы и оптика . Эльзевир Наука . стр. 54–. ISBN 978-0-323-15077-4 .
^ Джоши (2010). Инженерная физика . Тата МакГроу-Хилл Образование. ISBN 9780070704770 .

Дальнейшее чтение

Э. Хартинг, Ф.Х. Рид, Электростатические линзы, Elsevier, Амстердам, 1976.

[Heddle2000-1] ДВО Хеддл (13 декабря 2000 г.). Электростатические линзовые системы, 2-е издание . ЦРК Пресс . ISBN 978-1-4200-3439-4 .

[Orloff2008-2] Джон Орлофф (24 октября 2008 г.). Справочник по оптике заряженных частиц, второе издание . ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4200-4555-0 .

[El-Kareh2012-3] Эль-Карех (2 декабря 2012 г.). Электронные пучки, линзы и оптика . Эльзевир Наука . стр. 54–. ISBN 978-0-323-15077-4 .

[4] Джоши (2010). Инженерная физика . Тата МакГроу-Хилл Образование. ISBN 9780070704770 .

[1]

[2]

[3]

[4]