Электронные линзы

устройства, предназначенные для формирования пучков электронов, их фокусировки и получения с их помощью электроннооптических изображений объектов и деталей объектов (см. Электронная и ионная оптика, Электронный микроскоп). Устройства, с использованием которых совершают такие же операции над пучками ионов, называются ионными линзами. В Э. л. и ионных линзах воздействие на электронные (ионные) пучки осуществляется электрическими или магнитными полями; эти линзы называются соответственно электростатическими или магнитными. Э. л. классифицируют по виду симметрии их поля и по его другим характерным признакам. Терминология, применяемая для характеристики Э. л., в ряде случаев заимствована из классической оптики световых лучей, что объясняется глубокой аналогией между последней и электронной (ионной) оптикой, а также соображениями наглядности и удобства.

Простейшей осесимметричной электростатической Э. л. является диафрагма с круглым отверстием, поле которой граничит с одной или с обеих сторон с однородными электрическими полями (рис. 1). В зависимости от распределения потенциала она может служить собирающей (пучок заряженных частиц) или рассеивающей линзой. Если поля с обеих сторон осесимметричной электростатической Э. л. отсутствуют, т. е. к ней примыкают области пространства с постоянными потенциалами V₁ и V₂, и если эти потенциалы различны, Э. л. называется иммерсионной (рис. 2); при одинаковых потенциалах линза носит название одиночной (такая линза состоит из 3 и более электродов). В результате прохождения электронов через иммерсионную линзу их скорости изменяются, одиночные линзы оставляют эти линзы неизменными. Иммерсионные и одиночные линзы — всегда собирательные.

В некоторых электростатических Э. л. одним из электродов служит катод, испускающий электроны (катодные линзы). Линза подобного типа ускоряет испущенные катодом электроны и формирует из них электронный пучок. Катодная Э. л., состоящая лишь из двух электродов - катода и анода, не может сфокусировать электронный пучок, и с этой целью в в конструкцию линзы вводят дополнительный электрод, который называется фокусирующим (рис.3).

Осесимметричные магнитные линзы выполняются в виде катушки из изолированной проволоки, обычно заключённой в железный панцирь для усиления и концентрации магнитного поля линзы. Для создания линз с очень малыми фокусными расстояниями необходимо максимально уменьшить протяжённость поля; с этой целью применяются полюсные наконечники (рис. 4). Поле магнитной линзы может возбуждаться также постоянным магнитом.

Электродами т. н. цилиндрических электростатических Э. л. служат обычно диафрагмы со щелью или пластины, расположенные симметрично относительно средней плоскости линз (рис. 5). Название «цилиндрические» указывает, что подобные Э. л. действуют на пучки заряженных частиц так же, как цилиндрические светооптические линзы на световые пучки, фокусируя их лишь в одном направлении. Классификация цилиндрических Э. л. аналогична приведённой для осесимметричных Э. л. (существуют иммерсионные, одиночные, катодные и другие цилиндрические Э. л.) (рис. 6). Цилиндрическими могут быть и магнитные Э. л. (обычно с железным панцирем).

Поля трансаксиальных электростатических Э. л. (рис. 7) обладают симметрией вращения относительно оси (ось х на рис.), расположенной перпендикулярно к оптической оси системы z. В сечениях, параллельных средней плоскости yz такой линзы, эквипотенциальные поверхности имеют форму окружностей или, если поле ограничено, их частей, как и сечения сферических поверхностей обычных светооптических линз. Поэтому аберрации трансаксиальной линзы в направлении параллельном средней плоскости, сравнимы по величине с аберрациями светооптических линз, т. е. очень малы. Линейное изображение В¹ точечного или перпендикулярного к средней плоскости прямолинейного предмета практически не будет претерпевать аберрационного расширения.

Особый класс Э. л. образуют квадрунольные электростатические и магнитные Э. л. Их поля имеют две плоскости симметрии, а векторы напряжённостей полей в области движения заряженных частиц почти перпендикулярны к их скоростям (рис. 8). Такие линзы фокусируют пучок в одном направлении и рассеивают его в другом, перпендикулярном к первому, создавая линейное изображение точечного предмета. Применяя две установленные одна за другой квадрупольные электростатические и магнитные Э. л. Их поля имеют две плоскости симметрии, а векторы напряженности полей в области движения заряженных частиц (рис. 8). Такие линзы фокусируют пучок в одном направлении и рассеивают его в другом, перпендикулярном к первому, создавая линейное изображение точечного предмета. Применяя две установленные одна за другой квадрупольные Э. л. (дублет) (рис. 9), поля которых повёрнуты одно по отношению к другому на 90° вокруг их общей оптической оси, можно получить систему, собирающую пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях и дающую при надлежащем выборе параметров Э. л. Стигматическое изображение (точка отображается точкой). Квадрупольные Э. л. могут воздействовать на пучки заряженных частиц со значительно большими энергиями, а в случае магнитных линз — и с большими массами, чем осесимметричные Э. л.

Лит. см. при ст. Электронная и ионная оптика.

В. М. Кельман, И. В. Родникова.

Рис. 1. Диафрагма с круглым отверстием (собирающая): 1 — электрод-диафрагма; 2 — сечения эквипотенциальных поверхностей электростатического поля плоскостью рисунка; 3 — траектория электронов; F — фокус линзы. Однородное поле пимыкает к диафрагме слева. При эквипотенциалях проставлены соответствующие им значения потенциалов в произвольных единицах, причём принято, что потенциал равен нулю там, где равна нулю скорость частиц; V = 30 — потенциал электрода. Продольная составляющая E z напряженности E электрического поля тормозит электроны, поперечная составляющая Er — их фиксирует.

Рис. 2. Иммерсионные электронные линзы, состоящие из двух диафрагм (а) и двух цилиндров (б): тонкие линии — сечения эквипотенциальных поверхностей плоскостью рисунка; кривые со стрелками — траектории заряженных частиц; V1 и V2 — потенциалы электродов.

Рис. 3. Катодная электронная линза: 1 - катод; 2 - фокусирующий электрод; 3 - анод; тонкие линии - такие же сечения эквипотенциальных поверхностей, как и на предыдущих рисунках. На верхней шкале проставлены значения потенциалов (на катоде потенциал принят равным нулю); О - одна из точек катода, испускающая электроны; заштрихованное пространство - сечение области, занятой потоком электронов.

Рис. 4. Магнитная линза с полюсными наконечниками: 1 - катушка возбуждения; 2 - панцирь; 3 - наконечники. Панцирь служит магнитопроводом. Полюсные наконечники концентрируют магнитное поле на небольшом участке вблизи оптической оси линзы z.

Рис. 5. Электростатические цилиндрические линзы: а — диафрагма со щелью; б — иммерсионная линза, составленная из двух пар пластин. В области прохождения заряженных частиц поля линз не изменяются в направлении, параллельном щелям диафрагм или зазорам между пластинами соседних электродов.

Рис. 6. Сечения электродов электростатических цилиндрических линз плоскостью, проходящей через ось г перпендикулярно к средней плоскости: а — цилиндрическая (щелевая) диафрагма; б — иммерсионная цилиндрическая линза; в — одиночная цилиндрическая линза; г — катодная цилиндрическая линза; V1, V2 — потенциалы соответствующих электродов.

Рис. 7. Электростатическая трансаксиальная линза с электродами в виде двух соосных цилиндров и с кольцевыми щелями для пропускания пучка частиц: 1 — цилиндрические электроды; 2 — траектории заряженных частиц; V1 и V2 — потенциалы электродов. Пучок, выходящий из точки А предмета, после прохождения поля линзы становится астигматическим и образует два линейных изображения В и B'. При определённом подборе параметров линза может давать стигматическое (точка в точку) изображение.

Рис. 8. Сечения квадрупольных электростатической (а) и магнитной (б) электронных линз, перпендикулярные направлению движения пучка заряженных частиц: 1 — электроды; 2 — силовые линии полей.

Рис. 9. Дублет из двух квадрупольных электростатических линз, поля которых повёрнуты вокруг оптической оси z системы одно относительно другого на угол 90°.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛИНЗЫ - электрические и магнитные поля определенной конфигурации для фокусировки электронных пучков (электростатические линзы, магнитные линзы, комбинированные электронные линзы). Существуют также ионные линзы.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛИНЗЫ

устройства, предназначенные для формирования пучков эл-нов, их фокусировки и создания электронно-оптич. изображений объектов (см. ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА, ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП). Аналогичные устройства, в к-рых используются пучки ионов, наз. ионными линзами. В Э. л. и ионных линзах воздействие на электронные (ионные) пучки осуществляется электрич. или магн. полями; соответственно эти линзы наз. электростатическими или магнитными. Э. л. классифицируют по виду симметрии их поля и по его др. характерным признакам.

Простейшей осесимметричной электростатич. Э. л. является диафрагма с круглым отверстием, поле к-рой граничит с одной или с обеих сторон с однородными электрич. полями (рис. 1).

Рис. 1. Диафрагма с круглым отверстием (собирающая): 1 — электрод-диафрагма; 2 — эквипотенциальные поверхности; 3 — траектории эл-нов; F — фокус линзы. Однородное поле примыкает к диафрагме слева. При эквипотенциалях проставлены соответствующие им значения потенциалов в условных единицах, причём потенциал принят равным нулю там, где равна нулю скорость эл-нов; V=30 — потенциал электрода. Продольная составляющая Ez напряжённости Е электрич. поля тормозит эл-ны, поперечная составляющая Еr их фокусирует.

В зависимости от распределения потенциала она может служить собирающей или рассеивающей линзой. Если поля с обеих сторон осесимметричной электростатич. Э. л. отсутствуют, т. е. к ней примыкают области пр-ва с пост. потенциалами V1 и V2, и если эти потенциалы различны, то Э. л. наз. иммерсионной (рис. 2); при одинаковых потенциалах линза носит назв. одиночной (такая линза состоит из трёх и более электродов). При прохождении эл-нов через иммерсионную линзу их скорости изменяются, одиночные линзы оставляют эти скорости неизменными. Иммерсионные и одиночные линзы — всегда собирающие.

Рис. 2. Иммерсионные электронные линзы, состоящие из двух диафрагм (а) и двух цилиндров (б): тонкие линии — эквипотенциали; кривые со стрелками — траектории заряженных ч-ц; V1 и V2 — потенциалы электродов.

В нек-рых электростатич. Э. л. одним из электродов служит катод. Такие, т. н. катодные, Э. л. ускоряют испущенные катодом эл-ны и формируют из них электронный пучок. Катодная Э. л., состоящая лишь из двух электродов — катода и анода, не может создать сфокусированный электронный пучок; для достижения фокусировки в конструкцию линзы вводят дополнительный, т. н. фокусирующий электрод (рис. 3).

Рис. 3. Катодная электронная линза: 1 — катод; 2 — фокусирующий электрод; 3 — анод; тонкие линии — эквипотенциали. На верхней шкале проставлены значения потенциалов (потенциал катода принят равным нулю); О — одна из точек катода; заштрихованное пространство — сечение области, занятой потоком эл-нов, испущенных точкой О.

Осесимметричные магнитные линзы выполняются в виде катушки из изолиров. проволоки, обычно заключённой в железный панцирь с кольцевой щелью для усиления и концентрации магн. поля линзы. Для создания линз с очень малыми фокусными расстояниями необходимо максимально уменьшить протяжённость фокусирующего поля; с этой целью применяются полюсные наконечники (рис. 4). Поле магн. линзы может возбуждаться также пост. магнитом.

Рис. 4. Магн. линза с полюсными наконечниками: 1 — катушка возбуждения; панцирь 2 служит магнитопроводом. Полюсные наконечники 3 концентрируют магн. поле на небольшом участке вблизи оптич. оси линзы 2.

Электродами цилиндрических электростатических Э. л. служат обычно диафрагмы со щелью или пластины, расположенные симметрично относительно ср. плоскости линз (рис. 5). Классификация цилиндрич. Э. л. аналогична приведённой для осесимметричных Э. л. (существуют линзы-диафрагмы, иммерсионные, одиночные и катодные цилиндрич. Э. л.; рис. 6). Цилиндрическими могут быть и магнитные Э. л. (обычно с железным панцирем). Поля трансаксиальных электростатич. Э. л. (рис. 7) обладают симметрией вращения относительно оси (ось х на рис.), расположенной перпендикулярно к оптич. оси системы z.

Рис. 5. Электростатич. цилиндрич. линзы: а — диафрагма со щелью: б — иммерсионная линза, составленная из двух пар пластин. В области прохождения заряж. ч-ц поля линз не изменяются в направлении, параллельном щелям диафрагм или зазорам между пластинами соседних электродов.

Рис. 6. Сечения электродов электростатич. цилиндрич. линз плоскостью, проходящей через ось z перпендикулярно к средней плоскости: а — цилиндрич. (щелевая) диафрагма; б — иммерсионная цилиндрич. линза; в — одиночная цилиндрич. линза; г — катодная цилиндрич. линза; V1, V2 — потенциалы соответствующих электродов.

В сечениях, параллельных средней плоскости yz такой линзы, эквипотенциальные поверхности имеют форму окружностей или, если поле ограничено, их частей, как и сечения сферич. поверхностей обычных оптич. линз. Аберрации трансаксиальной линзы в направлении, параллельном средней плоскости, невелики.

Рис. 7. Электростатич. трансаксиальная линза с электродами в виде двух соосных цилиндров с кольцевыми щелями для пропускания пучка ч-ц: 1 — цилиндрич. электроды; 2 — траектории заряж. ч-ц; V1 и V2 — потенциалы электродов. Пучок, выходящий из точки А предмета, после прохождения поля линзы становится астигматическим и образует два линейных изображения В и В'. При определённом подборе параметров линза может давать стигматическое (точка в точку) изображение.

Особый класс Э. л. образуют квадрупольные электростатич. и магн. Э. л. Их поля имеют две плоскости симметрии, а векторы напряжённостей полей в области движения заряж. ч-ц почти перпендикулярны к их скоростям (рис. 8). Такие линзы фокусируют пучок в одном направлении и рассеивают его в другом, перпендикулярном к первому, создавая линейное изображение точечного предмета. Применяя две установленные одна за другой квадрупольные Э. л. (дублет, рис. 9), поля к-рых повёрнуты одно по отношению к другому на 90° вокруг их общей оптич. оси, можно получить систему, собирающую пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях и дающую при надлежащем выборе параметров Э. л. стигматическое изображение (точка отображается точкой).

Рис. 8. Сечения квадрупольных электростатич. (а) и магн. (б) электронных линз, перпендикулярные направлению движения пучка заряж. ч-ц: 1 — электроды; 2 — силовые линии полей; 3 — магн. полюс; 4 — катушка возбуждения.

Рис. 9. Дублет из двух квадрупольных электростатич. линз, поля к-рых повёрнуты вокруг оптич. оси z системы одно относительно другого на угол 90°.

Квадрупольные Э. л. могут воздействовать на пучки заряж. ч-ц со значительно большими энергиями, а в случае магнитных линз — и с большими массами, чем осесимметричные Э. л.

электро́нные ли́нзы

электрическое и магнитное поля определенной конфигурации для фокусировки электронных пучков (электростатические линзы, магнитные линзы, комбинированные электронные линзы). Существуют также ионные линзы.

* * *

ЭЛЕКТРО́ННЫЕ ЛИ́НЗЫ, электрические и магнитные поля определенной конфигурации для фокусировки электронных пучков (электростатические линзы, магнитные линзы, комбинированные электронные линзы). Существуют также ионные линзы.

электронно-оптич. устройства, предназнач. для создания электрич. и магн. полей определ. конфигурации и используемые для фокусировки электронных пучков. Различают электростати ч. Э. л., магнитные линзы и комбинированные Э. л.

электрич. и магн. поля определ. конфигурации для фокусировки электронных пучков (электростатич. линзы, магн. линзы, комбинир. Э.л.). Существуют также ионные линзы.