Електронні лінзи

Електронні лінзи, пристрої, призначені для формування пучків електронів, їх фокусування і здобуття з їх допомогою електроннооптичних зображень об'єктів і деталей об'єктів (див. Електронна і іонна оптика, Електронний мікроскоп ) . Пристрої, з використанням яких здійснюють такі же операції над пучками іонів, називаються іонними лінзами. У Е. л. і іонних лінзах дія на електронні (іонні) пучки здійснюється електричними або магнітними полями; ці лінзи називаються відповідно електростатичними або магнітними. Е. л. класифікують по вигляду симетрії їх поля і по його іншим характерним ознакам. Термінологія, вживана для характеристики Е. л., у ряді випадків запозичена з класичної оптики світлових променів, що пояснюється глибокою аналогією між останньою і електронною (іонною) оптикою, а також міркуваннями наочності і зручності.

  Простою осесиметричною електростатичною Е. л. є діафрагма з круглим отвором, поле якої граничить з однією або з обох боків з однорідними електричними полями ( мал. 1 ). Залежно від розподілу потенціалу вона може служити збираючою (пучок заряджених часток) або розсіюючою лінзою. Якщо поля з обох боків осесиметричної електростатичною Е. л. відсутні, тобто до неї примикають області простору з постійними потенціалами V ₁ і V ₂ , і якщо ці потенціали різні, Е. л. називається іммерсійною ( мал. 2 ); при однакових потенціалах лінза носить назву одіночной (така лінза складається з 3 і більш за електроди). В результаті проходження електронів через іммерсійну лінзу їх швидкості змінюються, одиночні лінзи залишають ці лінзи незмінними. Іммерсійні і одиночні лінзи — завжди збірні.

  В деяких електростатичних Е. л. одним з електродів служить катод, що випускає електрони (катодні лінзи). Лінза подібного типа прискорює випущені катодом електрони і формує з них електронний пучок. Катодна Е. л., що складається лише з двох електродів - катода і анода, не може сфокусувати електронний пучок, і з цією метою в у конструкцію лінзи вводять додатковий електрод, який називається таким, що фокусує ( ріс.3 ).

  Осесиметричні магнітні лінзи виконуються у вигляді котушки з ізольованого дроту, зазвичай поміщеного в залізний панцир для посилення і концентрації магнітного поля лінзи. Для створення лінз з дуже малими фокусними відстанями необхідно максимально зменшити протяжність поля; з цією метою застосовуються полюсні наконечники ( мал. 4 ). Поле магнітної лінзи може збуджуватися також постійним магнітом.

  Електродами т.з. циліндрових електростатичних Е. л. служать зазвичай діафрагми з щілиною або пластини, розташовані симетрично відносно середньої плоскості лінз ( мал. 5 ). Назва «циліндрові» вказує, що подібні Е. л. діють на пучки заряджених часток так само, як циліндрові светооптічеськие лінзи на світлові пучки фокусуючи їх лише в одному напрямі. Класифікація циліндрових Е. л. аналогічна приведеною для осесиметричних Е. л. (існують іммерсійні, одіночниє, катодні та інші циліндрові Е. л.) ( мал. 6 ). Циліндровими можуть бути і магнітні Е. л. (зазвичай із залізним панциром).

  Поля трансаксиальних електростатичних Е. л. ( мал. 7 ) володіють симетрією обертання відносно осі (вісь х на мал. ), розташованою перпендикулярно до оптичної осі системи z. В перетинах, паралельних середній плоскості yz такої лінзи, еквіпотенціальні поверхні мають форму кіл або, якщо поле обмежене, їх частин, як і перетину сферичних поверхонь звичайних светооптічеських лінз. Тому аберація трансаксиальной лінзи в напрямі паралельному середній плоскості, порівнянні по величині з аберацією светооптічеських лінз, тобто дуже малі. Лінійне зображення В ¹ точкового або перпендикулярного до середньої плоскості прямолінійного предмету практично не зазнаватиме абераційного розширення.

  Особливий клас Е. л. утворюють квадрунольниє електростатичні і магнітні Е. л. Їх поля мають дві плоскість симетрії, а вектори напряженностей полів в області руху заряджених часток майже перпендикулярні до їх швидкостей ( мал. 8 ). Такі лінзи фокусують пучок в одному напрямі і розсіюють його в іншому, перпендикулярному до першого, створюючи лінійне зображення точкового предмету. Застосовуючи дві встановлені одна за одною квадрупольні електростатичні і магнітні Е. л. Їх поля мають дві плоскість симетрії, а вектори напруженості полів в області руху заряджених часток ( мал. 8 ). Такі лінзи фокусують пучок в одному напрямі і розсіюють його в іншому, перпендикулярному до першому, створюючи лінійне зображення точкового предмету. Застосовуючи дві встановлені одна за одною квадрупольні Е. л. (дублет) ( мал. 9 ), поля яких повернені одне по відношенню до іншого на 90° довкола їх загальної оптичної осі, можна отримати систему, що збирає пучок в двох взаємно перпендикулярних напрямах і що дає при належному виборі параметрів Е. л. стигматичне зображення (крапка відображується крапкою). Квадрупольні Е. л. можуть впливати на пучки заряджених часток із значно великими енергіями, а в разі магнітних лінз — і з великими масами, чим осесиметричні Е. л.

  Літ. див.(дивися) при ст. Електронна і іонна оптика .

  Ст М. Кельман, І. Ст Родникова.

Мал. 9. Дублет з двох квадрупольних електростатичних лінз, поля яких повернені довкола оптичної осі z системи одне відносно іншого на кут 90°.

Мал. 6. Перетини електродів електростатичних циліндрових лінз плоскістю, що проходить через вісь г перпендикулярно до середньої плоскості: а — циліндрова (щілинна) діафрагма; б — іммерсійна циліндрова лінза; у — одиночна циліндрова лінза; г — катодна циліндрова лінза; V1, V2 — потенціали відповідних електродів.

Мал. 1. Діафрагма з круглим отвором (що збирає): 1 — електрод-діафрагма; 2 — перетини еквіпотенціальних поверхонь електростатичного поля плоскістю малюнка; 3 — траєкторія електронів; F — фокус лінзи. Однорідне поле пімикаєт до діафрагми зліва. При еквіпотенциалях проставлені відповідні ним значення потенціалів в довільних одиницях, причому прийнято, що потенціал дорівнює нулю там, де дорівнює нулю швидкість часток; V = 30 — потенціал електроду. Подовжня складова E z напруженості E електричного поля гальмує електрони, поперечна складова Er — їх фіксує.

Мал. 8. Перетини квадрупольних електростатичною (а) і магнітною (б) електронних лінз, перпендикулярні напряму руху пучка заряджених часток: 1 — електроди; 2 — силові лінії полів.

Мал. 7. Електростатична трансаксиальная лінза з електродами у вигляді двох співісних циліндрів і з кільцевими щілинами для пропускання пучка часток: 1 — циліндрові електроди; 2 — траєкторії заряджених часток; V1 і V2 — потенціали електродів. Пучок, що виходить з крапки А предмету, після проходження поля лінзи стає астигматичним і утворює два лінійні зображення В і B''. При певному підборі параметрів лінза може давати стигматичне (крапка в крапку) зображення.

Мал. 4. Магнітна лінза з полюсними наконечниками: 1 - котушка збудження; 2 - панцир; 3 - наконечники. Панцир служить магнітопроводом. Полюсні наконечники концентрують магнітне поле на невеликій ділянці поблизу оптичної осі лінзи z.

Мал. 3. Катодна електронна лінза: 1 - катод; 2 - фокусуючий електрод; 3 - анод; тонкі лінії - такі ж перетини еквіпотенціальних поверхонь, як і на попередніх малюнках. На верхній шкалі проставлені значення потенціалів (на катоді потенціал прийнятий рівним нулю); Про - одна з точок катода, що випускає електрони; заштрихований простір - перетин області, зайнятої потоком електронів.

Мал. 5. Електростатичні циліндрові лінзи: а — діафрагма з щілиною; б — іммерсійна лінза, складена з двох пар пластин. В області проходження заряджених часток поля лінз не змінюються в напрямі, паралельному щілинам діафрагм або зазорам між пластинами сусідніх електродів.

Мал. 2. Іммерсійні електронні лінзи, що складаються з двох діафрагм (а) і двох циліндрів (б): тонкі лінії — перетину еквіпотенціальних поверхонь плоскістю малюнка; криві із стрілками — траєкторії заряджених часток; V1 і V2 — потенціали електродів.