Электростатическая линза представляет собой устройство , которое помогает в транспорте заряженных частиц. [1] [2] [3] Например, он может направлять электроны, испускаемые из образца, к электронному анализатору , аналогично тому, как оптическая линза помогает переносить свет в оптическом приборе. Системы электростатических линз могут быть сконструированы таким же образом, как и оптические линзы, поэтому электростатические линзы легко увеличивают или сходятся траектории электронов. Электростатическая линза также может использоваться для фокусировки ионного луча, например, для создания микропучка для облучения отдельных клеток .
Цилиндрическая линза [ править ]
Цилиндрическая линза состоит из нескольких цилиндров, сторонами которых являются тонкие стенки. Каждый цилиндр расположен параллельно оптической оси, в которую входят электроны. Между цилиндрами сделаны небольшие зазоры. Когда каждый цилиндр имеет разное напряжение, зазор между цилиндрами работает как линза. Увеличение можно изменять, выбирая различные комбинации напряжений. Хотя увеличение двух цилиндрических линз можно изменить, с помощью этой операции также изменяется точка фокусировки. Три цилиндрических линзы изменяют увеличение, удерживая положение объекта и изображения, потому что есть два зазора, которые работают как линзы. Хотя напряжения должны меняться в зависимости от кинетической энергии электронов., соотношение напряжений остается постоянным, когда оптические параметры не меняются.
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, деленный на накопленный (перпендикулярный) импульс линзы. Это делает фокусное расстояние одиночной линзы функцией второго порядка скорости заряженной частицы. Одиночные линзы, известные из фотоники, не так легко доступны для электронов.
Цилиндрическая линза состоит из дефокусирующей линзы, фокусирующей линзы и второй дефокусирующей линзы, сумма их преломляющих способностей равна нулю. Но поскольку между линзами есть некоторое расстояние, электрон делает три оборота и попадает в фокусирующую линзу в точке, находящейся дальше от оси, и, таким образом, проходит через поле с большей силой. Эта косвенность приводит к тому, что результирующая сила преломления является квадратом преломляющей силы отдельной линзы.
Линза Эйнцеля [ править ]
Einzel линза представляет собой электростатическое объектив , который фокусирует без изменения энергии пучка. Он состоит из трех или более наборов цилиндрических или прямоугольных трубок, установленных последовательно вдоль оси.
Квадрупольный объектив [ править ]
Квадрупольная линза состоит из двух отдельных квадруполей оказались на 90 ° по отношению друг к другу. Пусть z будет оптической осью, тогда можно вывести отдельно для осей x и y, что преломляющая сила снова является квадратом преломляющей силы одиночной линзы. [4]
Магнитной квадрупольной работает очень похож на электрический квадруполь, однако сила Лоренца возрастает с увеличением скорости заряженной частицы. В духе фильтра Вина комбинированный магнитный электрический квадруполь ахроматичен вокруг заданной скорости. Бор и Паули утверждают, что эта линза приводит к аберрации при применении к ионам со спином (в смысле хроматической аберрации), но не при применении к электронам, которые также имеют спин. См. Эксперимент Штерна-Герлаха .
Магнитная линза [ править ]
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, предпочтительно вдоль оси катушки. Для создания магнитного поля через катушку пропускают электрический ток. Магнитное поле сильнее всего в плоскости катушки и ослабевает при удалении от нее. В плоскости катушки поле усиливается по мере удаления от оси. Таким образом, заряженная частица, находящаяся дальше от оси, испытывает более сильную силу Лоренца, чем частица, расположенная ближе к оси (при условии, что они имеют одинаковую скорость). Это вызывает действие фокусировки. В отличие от траекторий в электростатической линзе, траектории в магнитной линзе содержат спиралевидный компонент, то есть заряженные частицы вращаются по спирали вокруг оптической оси. Как следствие,изображение, сформированное магнитной линзой, поворачивается относительно объекта. Для электростатической линзы это вращение отсутствует. Пространственная протяженность магнитного поля может контролироваться с помощью магнитной цепи из железа (или другого магнитомягкого материала). Это позволяет разрабатывать и создавать более компактные магнитные линзы с четко определенными оптическими свойствами. В подавляющем большинстве электронных микроскопов, используемых сегодня, используются магнитные линзы из-за их превосходных свойств изображения и отсутствия высоких напряжений, которые требуются для электростатических линз.Это позволяет разрабатывать и создавать более компактные магнитные линзы с четко определенными оптическими свойствами. В подавляющем большинстве электронных микроскопов, используемых сегодня, используются магнитные линзы из-за их превосходных свойств изображения и отсутствия высоких напряжений, которые требуются для электростатических линз.Это позволяет разрабатывать и создавать более компактные магнитные линзы с четко определенными оптическими свойствами. В подавляющем большинстве электронных микроскопов, используемых сегодня, используются магнитные линзы из-за их превосходных свойств изображения и отсутствия высоких напряжений, которые требуются для электростатических линз.
Многополюсные линзы [ править ]
Мультиполи за пределами квадруполя могут корректировать сферическую аберрацию, а в ускорителях частиц дипольные поворотные магниты действительно состоят из большого количества элементов с различными суперпозициями мультиполей.
Обычно зависимость приводится для самой кинетической энергии в зависимости от мощности скорости. Так, для электростатической линзы фокусное расстояние изменяется в зависимости от второй степени кинетической энергии, в то время как для магнитостатической линзы фокусное расстояние изменяется пропорционально кинетической энергии. И комбинированный квадруполь может быть ахроматическим вокруг заданной энергии.
Если распределение частиц с разными кинетическими энергиями ускоряется продольным электрическим полем, относительный разброс по энергии уменьшается, что приводит к меньшей хроматической ошибке. Пример тому - электронный микроскоп .
Электронная спектроскопия [ править ]
Недавнее развитие электронной спектроскопии позволяет обнаруживать электронные структуры молекул . Хотя это в основном выполняется с помощью электронных анализаторов, электростатические линзы также играют значительную роль в развитии электронной спектроскопии.
Поскольку электронная спектроскопия обнаруживает несколько физических явлений по электронам, испускаемым из образцов, необходимо транспортировать электроны к электронному анализатору. Электростатические линзы удовлетворяют общим свойствам линз.
См. Также [ править ]
- SIMION
- Ионная воронка
Ссылки [ править ]
- ^ DWO галево (13 декабря 2000). Электростатические линзовые системы, 2-е издание . CRC Press . ISBN 978-1-4200-3439-4.
- ↑ Джон Орлофф (24 октября 2008 г.). Справочник по оптике заряженных частиц, второе издание . CRC Press. ISBN 978-1-4200-4555-0.
- ↑ Эль-Каре (2 декабря 2012 г.). Электронные пучки, линзы и оптика . Elsevier Science . С. 54–. ISBN 978-0-323-15077-4.
- ↑ Джоши (2010). Инженерная физика . Тата Макгроу-Хилл Образование. ISBN 9780070704770.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Э. Хартинг, Ф. Х. Рид, Электростатические линзы, Эльзевир, Амстердам, 1976.
