Soczewka elektrostatyczna - Electrostatic lens

Soczewkę elektrostatyczną to urządzenie, które pomaga w transporcie naładowanych cząstek. Na przykład może kierować elektrony emitowane z próbki do analizatora elektronów , analogicznie do sposobu, w jaki soczewka optyczna pomaga w transporcie światła w przyrządzie optycznym. Systemy soczewek elektrostatycznych można projektować w taki sam sposób, jak soczewki optyczne, więc soczewki elektrostatyczne z łatwością powiększają lub zbiegają trajektorie elektronów. Soczewkę elektrostatyczną można również wykorzystać do ogniskowania wiązki jonów, na przykład do wykonania mikrowiązki do naświetlania pojedynczych komórek .

Soczewka cylindryczna

Soczewki cylindryczne w wyrzutni elektronowej z lampą katodową

Soczewka cylindryczna składa się z kilku cylindrów, których boki są cienkimi ściankami. Każdy cylinder ustawia się równolegle do osi optycznej, do której wchodzą elektrony. Między cylindrami są małe szczeliny. Kiedy każdy cylinder ma inne napięcie, szczelina między cylindrami działa jak soczewka. Powiększenie można zmieniać, wybierając różne kombinacje napięć. Chociaż powiększenie soczewek dwucylindrowych można zmienić, w wyniku tej operacji zmienia się również ognisko. Trzy cylindryczne soczewki osiągają zmianę powiększenia podczas trzymania obiektu i pozycji obrazu, ponieważ są dwie szczeliny, które działają jak soczewki. Chociaż napięcia muszą się zmieniać w zależności od energii kinetycznej elektronu , stosunek napięć jest utrzymywany na stałym poziomie, gdy parametry optyczne nie ulegają zmianie.

Gdy naładowana cząstka znajduje się w polu elektrycznym, działa na nią siła. Im szybsza cząstka, tym mniejszy skumulowany impuls. W przypadku wiązki skolimowanej ogniskowa jest podawana jako impuls początkowy podzielony przez skumulowany (prostopadły) impuls soczewki. To sprawia, że ​​ogniskowa pojedynczej soczewki jest funkcją drugiego rzędu prędkości naładowanej cząstki. Pojedyncze soczewki znane z fotoniki nie są łatwo dostępne dla elektronów.

Soczewka cylindryczna składa się z soczewki rozogniskującej, soczewki skupiającej i drugiej soczewki rozogniskującej, przy czym suma ich mocy refrakcyjnych wynosi zero. Ale ponieważ między soczewkami jest pewna odległość, elektron wykonuje trzy obroty i uderza w soczewkę ogniskującą w miejscu bardziej oddalonym od osi, a więc przemieszcza się przez pole z większą siłą. Ta pośredniość prowadzi do tego, że uzyskana moc refrakcyjna jest kwadratem mocy refrakcyjnej pojedynczej soczewki.

Obiektyw Einzel

Ścieżka jonów w soczewce Einzela.

Obiektyw Einzel jest soczewka, która skupia się elektrostatyczny bez zmiany energii wiązki. Składa się z trzech lub więcej zestawów cylindrycznych lub prostokątnych rur połączonych szeregowo wzdłuż osi.

Soczewka kwadrupolowa

Soczewka kwadrupolowa składa się z dwóch pojedynczych kwadrupoli obrócona o 90 ° w stosunku do siebie. Niech z będzie osią optyczną, wtedy można osobno dla osi x i y wywnioskować, że moc refrakcyjna jest znowu kwadratem mocy refrakcyjnej pojedynczej soczewki.

Kwadrupol magnetyczny działa bardzo podobnie do kwadrupolowego elektrycznego jednak Lorentza siły zwiększa się z prędkością naładowanej cząsteczki. W duchu filtra wiedeńskiego połączony magnetyczny kwadrupol elektryczny jest achromatyczny wokół określonej prędkości. Bohr i Pauli twierdzą, że soczewka ta prowadzi do aberracji, gdy zostanie zastosowana do jonów ze spinem (w sensie aberracji chromatycznej), ale nie zostanie zastosowana do elektronów, które również mają spin. Zobacz doświadczenie Sterna – Gerlacha .

Soczewka magnetyczna

Pole magnetyczne może również służyć do skupiania naładowanych cząstek. Siła Lorentza działająca na elektron jest prostopadła zarówno do kierunku ruchu, jak i do kierunku pola magnetycznego ( v x B ). Jednorodne pole odbija naładowane cząstki, ale ich nie skupia. Najprostszą soczewką magnetyczną jest cewka w kształcie pierścienia, przez którą przechodzi wiązka, korzystnie wzdłuż osi cewki. Aby wytworzyć pole magnetyczne, przez cewkę przepływa prąd elektryczny. Pole magnetyczne jest najsilniejsze w płaszczyźnie cewki i słabnie oddalając się od niej. W płaszczyźnie cewki pole wzmacnia się, gdy oddalamy się od osi. Zatem cząstka naładowana dalej od osi doświadcza silniejszej siły Lorentza niż cząstka bliżej osi (zakładając, że mają taką samą prędkość). Prowadzi to do skoncentrowania działań. W przeciwieństwie do ścieżek w soczewce elektrostatycznej, ścieżki w soczewce magnetycznej zawierają składową spiralną, tj. Naładowane cząstki poruszają się spiralnie wokół osi optycznej. W konsekwencji obraz tworzony przez soczewkę magnetyczną jest obracany względem obiektu. Ten obrót nie występuje w soczewce elektrostatycznej. Zasięg przestrzenny pola magnetycznego można kontrolować za pomocą obwodu magnetycznego z żelaza (lub innego magnetycznie miękkiego materiału). Umożliwia to projektowanie i budowanie bardziej kompaktowych soczewek magnetycznych o dobrze zdefiniowanych właściwościach optycznych. Zdecydowana większość używanych obecnie mikroskopów elektronowych wykorzystuje soczewki magnetyczne ze względu na ich doskonałe właściwości obrazowania i brak wysokiego napięcia, które jest wymagane w przypadku soczewek elektrostatycznych.

Soczewki wielobiegunowe

Multipole poza kwadrupolem mogą korygować aberrację sferyczną, aw akceleratorach cząstek magnesy zginające dipol składają się w rzeczywistości z dużej liczby elementów z różnymi superpozycjami multipoli.

Zwykle zależność jest podawana dla samej energii kinetycznej w zależności od mocy prędkości. Tak więc dla soczewki elektrostatycznej ogniskowa zmienia się wraz z drugą mocą energii kinetycznej, podczas gdy dla soczewki magnetostatycznej ogniskowa zmienia się proporcjonalnie do energii kinetycznej. A połączony kwadrupol może być achromatyczny wokół danej energii.

Jeśli rozkład cząstek o różnych energiach kinetycznych jest przyspieszany przez podłużne pole elektryczne, względny rozrzut energii zmniejsza się, co prowadzi do mniejszego błędu chromatycznego. Przykładem tego jest mikroskop elektronowy .

Spektroskopia elektronów

Niedawny rozwój spektroskopii elektronów umożliwia ujawnienie struktur elektronowych cząsteczek . Chociaż jest to realizowane głównie za pomocą analizatorów elektronów, soczewki elektrostatyczne odgrywają również znaczącą rolę w rozwoju spektroskopii elektronowej.

Ponieważ spektroskopia elektronów wykrywa kilka zjawisk fizycznych na podstawie elektronów emitowanych z próbek, konieczne jest ich przetransportowanie do analizatora elektronów. Soczewki elektrostatyczne spełniają ogólne właściwości soczewek.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • E. Harting, FH Read, Electrostatic Lenses, Elsevier, Amsterdam, 1976.