Магнитные линзы

Известно, что однородное продольное магнитное поле при движении в нем параксиального пучка электронов способно создать электронное изображение некоторого объекта. Такое поле называют длинной магнитной линзой.

Неоднородное аксиально-симметричное магнитное поле образует симметричную собирающую электронную линзу. На практике такая «короткая» магнитная линза может быть создана круглой катушкой, по виткам которой протекает ток (рис. 4.8).

При практическом расчете линзы важно знать, каковы должны быть радиус и каково число ампер-витков (N I ) такой катушки, чтобы получить линзу с заданным фокусным расстоянием (F ). Если в катушке N витков и по ним протекает ток I , то, считая R равным ее среднему радиусу, можно оценить оптическую силу катушки выражением:

,

откуда получим выражение, связывающее ампер-витки катушки, создающей магнитную линзу, с ее фокусным расстоянием, радиусом и скоростью электронов в пределах линзы:

N I = 10 ,

где U выражено в вольтах, а I – в амперах.

Увеличения оптической силы линзы можно добиться, увеличивая ампер-витки. При этом фокусное расстояние будет уменьшаться, а фокус будет приближаться к катушке. Может оказаться, что при определенной величине ампер-витков (IN ) линза станет настолько сильной, что фокус ее окажется уже в поле линзы. Оставшаяся часть поля, в которой электрон движется после пересечения оси, вновь будет стремиться отклонить его к оси, в результате этого электрон пересекает ось уже за пределами поля линзы. При этом линза дает два изображения.

Для получения короткофокусной магнитной линзы желательно, увеличивая оптическую силу поля, образующего ее, уменьшать протяженность этого поля вдоль оси симметрии так, чтобы уже первое изображение, создаваемое линзой, лежало вне области этого поля. Такого сокращения продольного размера линзы можно добиться, если поместить катушку, создающую это поле, в железный панцирь с узкой кольцевой щелью.

Такая катушка схематически показана на рис. 4.9. Магнитное поле концентрируется в области щели, и продольный размер линзы резко сокращается, при этом напряженность магнитного поля возрастает. В этом случае выражение для ампер-витков катушки, создающей линзу, может быть записано в виде:

N I = 10×K ,

где K – коэффициент, меньший единицы, характеризующий получающийся при введении железных магнитопроводов выигрыш в ампер-витках. Величина этого коэффициента лежит в пределах 0,5¸0,7.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛИНЗЫ -устройства, создающие магн. или электрич. поля для фокусировки электронных пучков , их формирования и получения электронно-оптич. изображений (аналогичные устройства для ионных пучков наз. ионными линзами). Их классифицируют по типу поля (магнитные, электростатические), по виду (осе-симметричные, цилиндрические, квадрупольные и др.) и по др. характерным признакам.

Магнитные Э.л . по способу возбуждения магн. поля делятся на электромагнитные и магнитостатические. Эл--магн. панцирная (бронированная) линза (рис. 1,a ) состоит из обмотки 1 , по к-рой протекает ток, возбуждающий фокусирующее магн. поле в межполюсном зазоре 3 (щели) линзы, магнитопровода 2 , окружающего обмотку (создаёт панцирь, откуда и название), и полюсного наконечника 4 . Последний изготовляется из магнитомягких сплавов с большой индукцией насыщения и применяется в линзах с большой оптической силой (малым фокусным расстоянием). Фокусировка пучка производится регулированием тока возбуждения, стабильность к-рого должна быть на уровне, обеспечивающем низкие хроматич. аберрации.

Рис. 1. Магнитные электронные линзы: а -электромагнитная электронная линза: 1 -обмотка возбуждения; 2 -магнитопровод; 3 -межполюсный зазор; 4 -полюсный наконечник; 5 -немагнитная вставка, соединяющая полюсы наконечника; б -магнитоста тическая электронная линза: 1 -постоянный магнит; 2 - магнитопровод; 3 -межполюсный зазор; 4 -кри вая распределения напряжённости поля рассеяния на оси вне линзы; 5 -кривая распределения напря жённости поля в линзе; в - блок из двух магнито статических линз: 1 - постоянный магнит; 2 -магнит опровод; 3,4 -кривые распределения поля в линзах .

Проблема стабильности фокусирующего поля не возникает в магнитостатич. линзе, поле к-рой создаётся с помощью пост. магнитов. Однако в линзе с одним фокусирующим полем (рис. 1,б ) образуются большие поля рассеяния вокруг её корпуса, а также на оптич. оси вне щели.

Наличие полей на оси следует из закона полного тока

к-рый приводит к равенству:

Здесь H(Z) - напряжённость магн. поля на оптич. оси z, nI -ампервитки, равные нулю в магнитостатич. Э.л., а и b -границы поля линзы. В левой части (I )стоит (МДС) фокусирующего поля, а в правой - МДС полей рассеяния на оси z вне линзы. Знак минус перед правой частью означает, что направления магн. полей рассеяния и полей линзы противоположны. Из равенства МДС по абс. величине следует, что поля рассеяния очень большие, а это ухудшает электрооптич. параметры линзы и вредно влияет на соседние с ней элементы оптич. системы.

В конструкции, состоящей из двух магнитостатич. линз (рис. 1, в ), магн. поток полностью замкнут и противоположно направленные поля существуют только в межполюсных зазорах двух линз. Преимущество магнитостатич. линз - стабильность фокусирующего поля; недостатки - относительно низкая индукция поля и сложность регулирования их оптич. силы.

Магн. линза считается слабой (тонкой в световой оптике), если её фокусное расстояние f многократно превышает протяжённость фокусирующего поля вдоль оси. В этом случае оптич. силу можно вычислить по ф-ле:

Курсовая работа

по курсу вакуумной и плазменной физики

На тему:

Формирование электронных пучков.

Выполнил: Мостный А.С.

Студент 3 курса ФМиКТ

ТТЭ 2 группа

Проверил: Аккизов Ю.А.

Нальчик

Электроннолучевыми приборами называются электровакуумные приборы, действие которых основано на формировании и управлении по интенсивности и положению одним более электронными пучками. Несмотря на большое разнообразие электронно-лучевых приборов, как по устройству, так и по назначению, между ними есть много общего. Так, электронно-лучевой прибор всегда содержит в баллоне три основных элемента: электронный прожектор, формирующий электронный пучок, или луч, отклоняющую приёмник электронов – экран или систему электродов электронного коммутатора.

Если в основу классификации электронно-лучевых приборов положить наиболее существенный преобразовательный признак, то все эти приборы можно разделить на четыре группы:

1. Приборы, преобразующие электрический сигнал в изображение – приёмные электронно-лучевые трубки: индикаторные и осциллографические трубки, кинескопы и другие.

2. Приборы, преобразующие изображение в электрический сигнал – передающие электронно-лучевые трубки

3. Приборы, преобразующие электрический сигнал в электрический сигнал – потенциалоскопы, электронно-лучевые коммутаторы.

4. Приборы, преобразующие невидимое изображение в изображение видимое – электроннооптический преобразователь, электронный микроскоп.

Устройство и принцип действия трубки с электростатическим управлением

Осциллографическая электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянный баллон специальной формы, в котором создан высокий вакуум. В ней расположены электроды, осуществляющие формирование электронного потока в виде тонкого электронного луча. И электроды, управляющие этим лучом. Совокупность электродов, формирующих электронный луч, называется электронным прожектором . Он обычно состоит из катода К, модулятора М, первого А1 и второго А2 анодов. Наиболее часто применяют оксидные или камерные подогревные катоды, выполненные в виде стаканчика, у которого активная область располагается на наружной поверхности дна (Рис1.).

Модулятор главным образом служит для изменения плотности тока электронного луча. К модулятору подводится небольшой отриц-льный потенциал, регулируемый в пределах от нуля до -30 вольт.

Электронный поток формируется только за счёт электронов, прошедших через диафрагму диаметром около 1 мм. Таким образом, электроны, вектор начальной скорости которых значительно отклоняется от нормали к поверхности катода, не проходят через диафрагму и в формировании электронного луча не участвуют. Предварительной фокусировке электронного потока способствует небольшой отрицательный потенциал, проводимый к управляющему электроду. Изменение этого потенциала приводит к изменению траектории электронов, и при более отрицательном потенциале электроны, ранее проходившие по периферии диафрагмы, отражаются, а плотность электронного потока уменьшается. Далее по оси трубки располагаются ещё два цилиндра – первый и второй аноды . Первый анод А1, находясь под положительным потенциалом в несколько сотен вольт, ускоряет движущийся от катода поток электронов. Ко второму аноду А2 подводится напряжение, достигающее в некоторых электроннолучевых приборах десятков киловольт, и поток электронов покидает второй анод с достаточно высокой скоростью. Кроме ускорения электронов, назначение анодов заключается в формировании узкого электронного пучка – фокусировании электронного потока. Вследствие различия потенциалов катода, модулятора, первого и второго анодов в пространстве между ними создаются неоднородные электрические поля - электронные линзы . Конфигурация электродов и их потенциалы подбираются таким образом, что вся система образует две электростатические линзы: первую – между модулятором и ускоряющим электродом и вторую – между ускоряющим электром и вторым анодом. Проходя через эти линзы, электроны образуют узкий сходящийся у экрана пучок – электронный луч. Вся система электродов крепится на траверсах и образует единое устройство, называемое электронной пушкой . Выйдя из электронной пушки, электронный луч попадает в систему отклоняющих пластин , служащую для управления положением луча в пространстве: Х - пластины искривляют электронный луч в горизонтальной плоскости, У - пластины - в вертикальной. На внутреннюю стенку выпуклого торца трубки наносят люминофор- вещество, светящееся при бомбардировке электронами, которое совместно со стеклом купола образуют экран Э. С помощью отклоняющих пластин электронный луч может быть направлен в любую точку экрана. При этом, если положение луча зафисиксировано, с внешней стороны экрана через стекло просматривается светящееся пятно, которое имеет малые размеры и условно может считаться светящейся точкой. Чтобы под действием электронного луча экран не накапливал электростатических зарядов, коэффициент вторичной электронной эмиссии люминофора делают близким к единице σ =1 . Для удаления вторичных электронов на внутреннюю боковую поверхность баллона наносят токопроводящее графитовое покрытие, которое внутри баллона соединяют со вторым анодом.

Если напряжение на отклоняющих пластинах изменяются, то электронный луч, а, следовательно, и светящееся пятно на экране перемещаются, описывая траекторию в соответствии с изменением напряжения на отклоняющих пластинах может визуально наблюдаться на экране электроннолучевой трубки. Диаметр светящегося пятна и толщина линии движения луча тем меньше, чем лучше сфокусирован электронный луч. Яркость свечения экрана зависит от числа бомбардирующих его в единицу времени электронов и от скорости их движения. Яркость свечения можно изменять, регулируя напряжение на модуляторе и, следовательно, изменяя плотность тока электронного луча, а также за счёт скорость движения электронов, которая определяется напряжением на втором аноде.

При соответствующей форме электродов прожектора и разности потенциалов между ними создаётся такое неоднородное электрическое поле, которое ускоряет электроны луча в сторону экрана и одновременно производит его фокусировку. Фокусировка электронного луча производится дважды: в точках F1 и F2. Это свидетельствует о наличии в электронном прожекторе двух электроннооптических систем: короткофокусной с фокусом в точке F1 (образуется катодом, модулятором и первым анодом) и длиннофокусной с фокусом в точке F2, расположенной в плоскости экрана (образуется первым и вторым анодами). Принцип действия обеих систем совершенно одинаков, поэтому достаточно рассмотреть действие только одной, например длиннофокусной системы.

На рисунке 2а) показано неоднородное электрическое поле, возникающее внутри прожектора между первым и вторым анодами при условии Ua>Ua1.

На рисунке 2б), выделена лишь одна электрическая силовая линия и показана траектория электрона, отклоняющегося от оси под небольшим углом и встречающегося с силовой линией в точке А. В этой точке вектор напряженности электрического поля Е можно разложить на горизонтальную Ег и вертикальную Ев составляющие. Согласно соотношению Ег будет ускорять электрон в сторону экрана, а Ев будет прижимать его к оси, то есть осуществлять фокусировку.

При повторной встрече электрона с этой силовой линией в точке В Ег по-прежнему будет оказывать на него ускоряющее действие, а Ев будет способствовать расфокусировке. Но вертикальная составляющая в точке В меньше, чем в точке А, так как электрон вылетает из неоднородного электронного электрического поля, прижатым к оси. Кроме того, в районе точки В он имеет большую скорость, чем в районе точки А, поэтому отклоняющая сила воздействует на электрон меньший промежуток времени.

Следовательно, фокусирующее действие неоднородного электрического поля оказывается преобладающим. Аналогично действует на световой луч оптическая система, состоящая из собирательной и рассеивающей линз при условии, что оптическая сила собирающей линзы больше рассеивающей (рис.2в)).

Магнитные фокусирующие линзы

Задача превращения потока электронов в тонкий электронный луч, обладающий в плоскости экрана минимальным поперечным сечением и большой плотностью тока, решается с помощью электростатических и магнитных линз, образуемых специальными электродами, составляющими фокусирующую систему электроннолучевой трубки.

Длинная магнитная линза представляет собой просто однородное магнитное поле, параллельно которому направлена ось фокусируемого расходящегося пучка электронов. Длинная линза даёт прямое изображение объекта, многократно повторяющееся на равных расстояниях, причём как объект, так и его изображение лежат внутри поля. Длинная магнитная линза мало похожа на оптические и электростатические электронные линзы: она не преломляет лучей, параллельных полю, и, значит, не имеет ни фокусов, ни главных точек и не может давать ни увеличенного, ни уменьшенного изображения.

Обширное применение имеют магнитные линзы, образованные неоднородным аксиальносимметричным полем. На рис. 3 даны меридианные сечения некоторых магнитных линз этого класса и форма силовых линий в меридианной плоскости.

простейшая, но очень слабая магнитная линза – это кольцевой ток. Напряжённость поля на оси кольцевого тока радиуса R, как можно очень показать, исходя из закона Био-Савара, выражается формулой

где - напряженность поля в центре кольцевого тока, то есть там, где она имеет максимальное значение, и Z – расстояние от плоскости тока. Поле на оси короткой катушки без железа, если её внутренний радиус много больше толщины оболочки, приближенно можно вычислить по той же формуле, полагая в ней , где - число витков катушки, а R средний её радиус. Для увеличения оптической силы линзы нужно увеличить и сжимать поле в осевом направлении. Это достигается с помощью оболочки из ферромагнетика – магнитного экрана (рис.3, б и в) часто снабженного кольцевыми полюсными наконечниками (рис.3, г).

Из картины силовых линий видно, что на значительной части поля линзы радиальная составляющая поля и продольная - величины одного порядка. Пусть электрон, вышедший из точки О на ось z в точку А, имеет скорость (рис.4).

Силу, действующую на электрон, можно представить как сумму двух сил: Frz – силы, действующей со стороны радиальной слагающей поля Hr на электрон, имеющий скорость Vr. Направление обеих сил одинаково, но вследствие параксиальности электронных лучей Vz>>Vr и

Под действием силы электрон получает скорость, перпендикулярную к меридианной плоскости. Действие продольной составляющей поля на электрон, имеющий скорость , даёт «фокусирующую» силу , направленную в сторону оси. Вплоть до середины линзы направление силы не меняется и скорость растёт. Во второй половине линзы и вместе с ней меняют направление. Скорость начинает убывать и к моменту выхода из линзы обращается в нуль, нигде не меняя своего знака. Электрон выходит из линзы в другой меридиальной плоскости по измененному направлению и дальше, двигаясь прямолинейно, пересекает ось в точке О.

Если поле линзы слабо, то, конечно, может оказаться, что лучи и после выхода из линзы останутся расходящимися – в этом случае ось пересекут продолжения лучей. С другой стороны, при сильном поле электрон внутри линзы успеет несколько раз пересечь ось.

Управление пространственным положением луча осуществляется с помощью электрических (электростатическая отклоняющая система) и магнитных (магнитная отклоняющая система) полей, а управление плотностью тока – с помощью электрических полей. Электронно-лучевые приборы используются для получения видимого изображения электрических сигналов, а также для

запоминания (хранения) сигналов.

Отклоняющая система служит для управления положением луча в пространстве. В трубках с магнитным управлением отклоняющая система состоит из двух пар отклоняющих катушек.

Магнитная отклоняющая система обычно содержит две пары катушек, надеваемых на горловину трубки и образующих магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотрим отклонение электрона магнитным полем одной пары катушек, считая, что поле ограничено диаметром катушки и в этом пространстве однородно. На рис.1 силовые линии магнитного поля изображены уходящими от зрителя перпендикулярно плоскости чертежа. Электрон с начальной скоростью V 0 движется в магнитном поле, вектор индукции B которого нормален к вектору скорости V 0 , по окружности с радиусом
Учитывая, что индукция магнитного поля пропорциональна числу ампер-витков wI, можно записать:

Отклоняющие катушки с ферромагнитными сердечниками позволяют увеличить плотность потока магнитных силовых линий в необходимом пространстве. Катушки с ферромагнитными сердечниками применяются только при низкочастотных отклоняющих сигналах, так как с увеличением частоты отклоняющего напряжения возрастают потери в сердечнике. В телевизионных и радиолокационных электронно-лучевых трубках обычно применяются отклоняющие катушки без сердечника. Стремясь получить более однородное магнитное поле, края катушки отгибают, а саму катушку изгибают по форме горловины трубки. Витки в катушке распределяют неравномерно: Число витков на краях обычно в 2 – 3 раза больше, чем в середине. Для уменьшения поля рассеяния катушки без сердечника обычно заключаются в стальной экран.

Достоинства и недостатки электростатической и магнитной систем отклонения.

Отклонение луча магнитным полем в меньшей степени зависит от скорости электрона, чем для электростатической системы отклонения. Поэтому магнитная отклоняющая система находит применение в трубках с высоким анодным потенциалом, необходимым для получения большой яркости свечения экрана.

К недостаткам магнитных отклоняющих систем следует отнести невозможность их использования при отклоняющих напряжениях с частотой более 10 – 20 кГц, в то время как обычные трубки с электростатическим отклонением имеют верхний частотный предел порядка десятков мегагерц и больше. Кроме того, потребление магнитными отклоняющими катушками значительного тока требует применения мощных источников питания.

Достоинством магнитной отклоняющей системы является ее внешнее относительно электроннолучевой трубки расположение, что позволяет применять вращающиеся вокруг оси трубки, отклоняющие системы.

1. В.И.Гапонов “Электроника”. «Физматгиз» 1960г.

2. В.Н.Дулин “Электронные приборы”. «Энергия» 1969г.

3. Л.Н.Бочаров “Электронные приборы”. «Энергия» 1979г.

1.1 Классификация электронно-лучевых приборов.

1.2 Устройство и принцип действия трубки с электростатическим управлением.

1.3 Электростатическая фокусировка электронного луча.

2.1 Магнитные фокусирующие линзы.

2.2 Типы магнитных линз. Форма поля в магнитных линзах.

2.3 Механизм фокусировки в магнитной линзе.

2.4 Магнитная отклоняющая система.

2.5 Конструкция отклоняющих катушек .

2.6 Достоинства и недостатки электростатической и магнитной систем отклонения.

3.1 Использованная литература.

Лекция 5 МАГНИТНЫЕ ЛИНЗЫ.. Движение заряженных частиц в аксиально-симметричном магнитном поле. Магнитные линзы. Фокусировка короткой катушкой. Магнитные квадрупольные линзы, жесткая фокусировка. Магнитные электронные микроскопы. Аберрация электронных линз. Фокусировку пучков в аксиально- симметричном магнитном поле проще всего продемонстрировать на примере параксиального пучка электронов, скорость которых вдоль оси системы много больше скорости в радиальном направлении Vz >> Vr. На электрон в магнитном поле действует сила Лоренца Радиальная составляющая этой силы является фокусирующей: Fr = -(e/c)V Bz Азимутальная составляющая скорости электрона появляется за счет азимутальной составляющей силы Лоренца: F = -(e/c)(VzBr + VrBz) - (e/c)VzBr, так как Vz >> Vr. Фокусировка в аксиально-симметричном магнитном поле Составляющая скорости vz не меняет знака, радиальная составляющая магнитного поля Br может менять знак, при этом азимутальная составляющая скорости электрона v будет уменьшаться (вращение замедляться), но направление вращение никогда не меняется, поэтому фокусирующая составляющая силы Лоренца Fr всегда сохраняет знак. Таким образом, магнитная линза всегда собирающая. > Vr. На электрон в магнитном поле действует сила Лоренца Радиальная составляющая этой силы является фокусирующей: Fr = -(e/c)V Bz Азимутальная составляющая скорости электрона появляется за счет азимутальной составляющей силы Лоренца: F = -(e/c)(VzBr + VrBz) - (e/c)VzBr, так как Vz >> Vr. Фокусировка в аксиально-симметричном магнитном поле Составляющая скорости vz не меняет знака, радиальная составляющая магнитного поля Br может менять знак, при этом азимутальная составляющая скорости электрона v будет уменьшаться (вращение замедляться), но направление вращение никогда не меняется, поэтому фокусирующая составляющая силы Лоренца Fr всегда сохраняет знак. Таким образом, магнитная линза всегда собирающая.">

Движение заряженных частиц в аксиально-симметричном магнитном поле С учетом теоремы Гаусса, дающей соотношения между продольной Bz и радиальной компонентами Br аксиально-симметричного магнитного поля (Bz,Br) Br = -(r/2)(dBz/dz), движение электронов вдоль оси описывается уравнением: Азимутальное движение (поворот) описывается уравнением: Рассмотрим движение по радиусу: Данное уравнение описывает траекторию в плоскости, которая вращается с ларморовской частотой. Как видно из уравнений движения, траектория электрона полностью определяется значением магнитного поля на оси Bz. В уравнения входят заряд и масса, следовательно, разные частицы движутся по разным траекториям. Уравнения линейны и однородны относительно расстояния от оси r, следовательно, любое аксиально-симметричное поле способно создать изображение и является линзой.

Параметры тонкой магнитной линзы. Тонкая магнитная линза соответствует случаю, когда толщины линзы много меньше фокусных расстояний (), а магнитное поле на оси быстро падает по мере удаления от линзы Проинтегрируем уравнение движения: Учитывая, что для тонкой магнитной линзы получим: Если сопоставить это уравнение с уравнением для тонкой оптической линзы:, то оптической силу: Угол поворота в магнитной линзе: AB z ab n

Оптическая сила магнитной линзы витка с током магнитное поле витка с током рассчитывается по известному закону Био-Савара: Где Подставив это выражение в выражение для оптической силы, получим, что фокусное расстояние определяется из соотношения: Угол поворота Для катушки из N витков вместо I берем NI: z

Электронный микроскоп. Преимущество электронного микроскопа перед оптическим заключается в его гораздо большей разрешающей способности. Разрешающая способность оптического микроскопа ограничена явлением дифракции Вследствие дифракции света на крае отверстия диафрагмы вместо точечного изображения возникнет пятно (размытое изображение) и дифракционные круги. Невозможность снижения дифракции лучей путем уменьшения длины волны для оптического микроскопа объясняется ограниченным диапазоном длин волн видимого света. Если рядом с источником О помещен другой источник, то их изображения могут наложиться друг на друга. Расстояние- расстояние между источниками, когда круги изображения не перекрываются и называется разрешающей способностью. Разрешающая способность определяется соотношением:, где - длина волны света, - показатель преломления среды между предметом и линзой, u – апертура (угол при вершине конуса). Наилучший случай для (кедровое масло), см – длина волны средней части видимого света, (можно увидеть микробы и бактерии, но нельзя увидеть вирус). Э u d Из-за дифракции Если перейти на ультрафиолет, используя кварц (стекло не пропускает) (всего в 2 раза). Для меньших длин волн излучение поглощается вплоть до рентгена, но рентгеновские лучи не преломляются.

Электронный микроскоп. Рассмотрим электронный микроскоп просвечивающего типа (рис). Исследуемый объект просвечивается пучком монохроматических электронов. Диафрагма D задерживает электроны, которые рассеялись на большие углы. Просвечивающий микроскоп, формирует светлопольные (светлый фон вокруг предмета) изображение (рис. а), когда от менее рассеивающих участков (изображение более светлое). Если направить электронный пучок на предмет под некоторым углом к главной оптической оси электронно-оптической системы, так, чтобы не рассеянные электроны не попадали в отверстие диафрагмы, то будет формироваться темнопольное изображение (рис.б), когда от более рассеивающих участков изображение более светлое. Монохроматичность электронного пучка нарушается из-за колебаний ускоряющего напряжения и разброса энергий электронов, излучаемых накаленным катодом. В магнитном электронном микроскопе колебание силы тока в обмотке линз приводит к дополнительному размытию изображения. Если магнитные линзы заменить на одиночные электрические, то микроскоп называется электростатическим просвечивающим микроскопом. Для повышения контрастности при просвечивании органических объектов иногда применяют напыление металла (Cr, Pa) под углом к поверхности. темнопольные изображения светлопольные изображения а) б)

Магнитный электронный микроскоп Для получения больших увеличений одной линзы не достаточно, поэтому в электронном микроскопе первичное изображение объекта после первой объективной линзы попадает в фокальную плоскость второй проекционной линзы, которая дает увеличенное изображение объекта на экране. Одним из существенных требований к электронному микроскопу является поддержание в области линз высокого вакуума (порядка мм рт. ст.), так как при таких высоких напряжениях возможно возникновение электрического разряда, нарушающего необходимое распределение потенциала. Поэтому электронный микроскоп откачивается высоковакуумным насосом. Разрешающая способность электронного микроскопа ухудшается при нарушении моноэнергетичности пучка электронов. катод анод апертурная диафрагма магнитная линза (конденсатор) предмет магнитная линза (объектив) диафрагма магнитная линза (проекционная) экран -50 кВ 100В

Отражательный электронный микроскоп. Отражательный электронный микроскоп служит для получения изображения поверхности непрозрачных тел. В отражательном микроскопе исследуемый объект облучается пучком электронов, падающих под небольших углом к поверхности. Изображение предмета формируется отраженными от поверхности электронами. Разрешающая способность ухудшается при увеличении угла падения, так как возрастает разброс по энергиям отраженных от поверхности электронов. Отражательный электронный микроскоп часто используется для изучения поверхности металлов, после их модификации. конденсорная линза линза объектива промежуточный экран проекционная линза экран

Аберрации электронных линз. Ранее было показано, что в аксиально-симметричных системах точная фокусировка происходит для параксиальных пучков. При фокусировке широких или расходящихся пучков качество изображения ухудшается из-за расфокусировки как удаленных от оси электронов, так и расходящихся.Такие искажения изображения называются геометрической аберрацией. быстрые электроны медленные электроны К геометрическим же аберрациям относят искажение изображения вследствие нарушения аксиальной симметрии электронно-оптической системы. Другим источником аберраций является объемный заряд электронного пучка, который, как правило, не обладает аксиальной симметрией. Качество изображения может существенно ухудшаться вследствие неоднородности скоростей электронов, в этом случае аберрацию называют хроматической Хроматическая аберрация.

Задача превращения потока электронов в тонкий электронный луч, обладающий в плоскости экрана минимальным поперечным сечением и большой плотностью тока, решается с помощью электростатических и магнитных линз, образуемых специальными электродами, составляющими фокусирующую систему электроннолучевой трубки. Далее будет рассматриваться магнитные линзы.

Типы магнитных линз. Форма поля в магнитных линзах

Длинная магнитная линза представляет собой просто однородное магнитное поле, параллельно которому направлена ось фокусируемого расходящегося пучка электронов. Длинная линза даёт прямое изображение объекта, многократно повторяющееся на равных расстояниях, причём как объект, так и его изображение лежат внутри поля. Длинная магнитная линза мало похожа на оптические и электростатические электронные линзы: она не преломляет лучей, параллельных полю, и, значит, не имеет ни фокусов, ни главных точек и не может давать ни увеличенного, ни уменьшенного изображения.

Обширное применение имеют магнитные линзы, образованные неоднородным аксиальносимметричным полем.

Рисунок 1 - Конструкция магнитных линз

Простейшая, но очень слабая магнитная линза - это кольцевой ток. Напряжённость поля на оси кольцевого тока радиуса R, как можно очень показать, исходя из закона Био-Савара, выражается формулой

где - напряженность поля в центре кольцевого тока, то есть там, где она имеет максимальное значение, и Z - расстояние от плоскости тока. Поле на оси короткой катушки без железа, если её внутренний радиус много больше толщины оболочки, приближенно можно вычислить по той же формуле, полагая в ней, где - число витков катушки, а R средний её радиус. Для увеличения оптической силы линзы нужно увеличить и сжимать поле в осевом направлении. Это достигается с помощью оболочки из ферромагнетика - магнитного экрана, часто снабженного кольцевыми полюсными наконечниками.

Из картины силовых линий видно, что на значительной части поля линзы радиальная составляющая поля и продольная - величины одного порядка. Пусть электрон, вышедший из точки О на ось zв точку А, имеет скорость.

Рисунок 2 - Механизм фокусировки в магнитной линзе

Силу, действующую на электрон, можно представить как сумму двух сил: Frz - силы, действующей со стороны радиальной слагающей поля Hr на электрон, имеющий скорость Vr. Направление обеих сил одинаково, но вследствие параксиальности электронных лучей Vz>>Vr и

Под действием силы электрон получает скорость, перпендикулярную к меридианной плоскости. Действие продольной составляющей поля на электрон, имеющий скорость, даёт «фокусирующую» силу, направленную в сторону оси. Вплоть до середины линзы направление силы не меняется и скорость растёт. Во второй половине линзы и вместе с ней меняют направление. Скорость начинает убывать и к моменту выхода из линзы обращается в нуль, нигде не меняя своего знака. Электрон выходит из линзы в другой меридиальной плоскости по измененному направлению и дальше, двигаясь прямолинейно, пересекает ось в точке О.

Если поле линзы слабо, то, конечно, может оказаться, что лучи и после выхода из линзы останутся расходящимися - в этом случае ось пересекут продолжения лучей. С другой стороны, при сильном поле электрон внутри линзы успеет несколько раз пересечь ось.