к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Электронные линзы

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 симметрии (осе-симметричные, цилиндрические, квадрупольные и др.) и по др. характерным признакам.

Магнитные электронные линзы. 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.


5116-80.jpg

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-магнитостатическая электронная линза: 1 -постоянный магнит; 2 - магнитопровод; 3-межполюсный зазор; 4-кривая распределения напряжённости поля рассеяния на оси вне линзы; 5-кривая распределения напряжённости поля в линзе; в - блок из двух магнитостатических линз: 1 - постоянный магнит; 2-магнитопровод; 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

5116-81.jpg к-рый приводит к равенству:

5116-82.jpg

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 магнитодвижущая сила (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:

5116-83.jpg

где е, те, e - заряд, масса и энергия электронов соответственно, B(z) - осевое распределение индукции магн. поля. Предмет и изображение в слабой линзе расположены вне поля, и её кардинальные элементы определяются так же, как в световой оптике (рис. 2, а). Для определения фокальных точек и главных плоскостей достаточно знать две траектории (т.е. 2 линейно независимых решения ур-ний (9) в ст. Электронная и ионная оптика). Эти траектории (главные лучи) входят в поле Э.л. параллельно оптич. оси-одна из пространства предметов, а другая и из пространства изображений - и пересекают ось z в точках фокусов F0 и Fi. Касательные к лучам в точках фокусов и продолжения параллельных оси участков этих же лучей, пересекаясь, определяют координаты главных плоскостей Hi и H0. (В отличие от световой оптики, главные плоскости Э.л. расположены на оси в обратной последовательности.) Известное положение фокусов и главных плоскостей позволяет построить изображение. Построение изображения В предмета А проводится по методу Листинга с помощью двух главных лучей, состоящих из отрезков прямых, к-рые не везде совпадают с реальными лучами (рис. 2, а). Оба выходят из точки предмета А -один параллельно оси z (1), другой (2) - через точку фокуса F0· Луч 1 преломляется в главной плоскости Hi и далее идёт через фокус Fi; луч 2 проходит через фокус F0, преломляется плоскостью H0 и далее идёт параллельно оси z. Точка их пересечения в пространстве изображений дает сопряжённую точку В. Как и в световых линзах, для тонких линз выполняется ур-ние Ньютона Z0Zi=f0fi, где Z0 и Zi - расстояния от предмета и от изображения до соответствующих точек фокусов; f0 и fi - фокусные расстояния в пространстве предметов и изображений соответственно.

5117-1.jpg

Рис. 2. Построение изображения В предмета А в фокусирующих полях электронных линз при помощи главных лучей 1 и 2 и кардинальных элементов- фокальных F0, Fi и главных H0, Hi плоскостей: а - предмет и изображение находятся вне поля линзы и выполняется условие Z0Zi=f0fi; б-предмет и изображение находятся в колоколообразном поле B(z)=Bm(1+(z/a)2)-1, Вт-максимальная индукция поля, d-полуширина кривой распределения поля; в-предмет и изображение находятся в поле любой формы.

Аберрации магн. линзы зависят от её МДС и положения плоскости предметов относительно фокусирующего поля. В частности, сферическая и хроматическая аберрации уменьшаются, если МДС увеличивать и эту плоскость приближать к центру линзы, где индукция поля максимальна. Поэтому в целях уменьшения аберраций в электронной оптике чаще используют линзы с большой МДС, в к-рых предмет и изображение расположены в поле линзы.

Кривая распределения индукции поля В (z) на оси z магн. линз имеет колоколообразную форму (рис. 2,б), причём наибольшая крутизна падения индукции поля по обе стороны от максимума наблюдается у линз, у к-рых отсутствует насыщение полюсов. С появлением насыщения меняется форма кривой B(z), она становится более широкой и пологой, т.е. уменьшается крутизна боковых ветвей кривой. Для расчёта линз используют семейство аппроксимирующих поле функций B(z) = Bm [l +(z/a)2 ]-m, крутизна падения боковых ветвей к-рых зависит от параметра m. Здесь Вт - макс. индукция поля, а-параметр, связанный соотношением a = d/5117-2.jpg с полушириной d кривой распределения индукции поля. Полуширина d определяется следующим образом: z = d при B(z) = (1/2т. Др. аппроксимирующая функция, к-рую тоже используют для ненасыщенных линз, B(z) = Bm/ch(z/a)с полушириной d= a.arch 2, убывает по экспоненте при больших z.

Аппроксимирующие функции позволяют вычислить оптич. параметры линз. Их подставляют в параксиальные ур-ния траекторий электронов, вычисляют главные лучи и определяют кардинальные элементы линз. На рис. 2, в представлены главные лучи и построение изображений для предмета, находящегося в поле линзы: главный луч 1, касательная к к-рому в точке плоскости предмета A(z=z0)параллельна оси z, и луч 2, касательная к к-рому в сопряжённой точке изображения В (z = zi) параллельна той же оси. Главная плоскость Hi проходит через точку пересечения двух касательных к главному лучу 1 в сопряжённых точках предмета и изображения. Плоскость H0 проходит через точку пересечения таких же касательных к лучу 2. Кардинальными элементами являются также точки мнимых фокусов F0 и Fi, в к-рых с оптич. осью пересекаются касательные к лучам 2 и 1 в точках предмета и изображения соответственно. Построение изображения В предмета А производится, как и в случае 2a, с помощью касательных к реальным лучам, состоящих из отрезков прямых, исходящих из точек предмета. Один - параллельно оси z, другой проходит через точку фокуса F0 (рис. 2, в). Такое построение остаётся в силе для любых координат предмета z0, если положение кардинальных элементов фиксированное. В противном случае для каждого положения предмета необходимо заново находить кардинальные элементы.

Существует класс полей, в к-рых координаты кардинальных элементов не зависят от положения предмета, находящегося, как и его изображение, в пределах поля. В Э.л. с такими полями выполняется ур-ние Ньютона и поля этих линз наз. ньютоновыми. Из приведённых выше аппроксимирующих функций к ньютоновым полям относится функция простого колоколообразного поля при m=1: B(z) = Bm [l +(z/d)2]-1. С помощью этой функции исследовано поведение сильных линз. В частности, показано, что в пределах одного поля может быть неск. фокусов и изображений при достаточно больших Вт и d и, следовательно, одно поле может работать как неск. линз. Его кардинальные элементы (рис. 2, б)определяются с помощью главных лучей 1 и 2, асимптоты к-рых параллельны оптич. оси. Главные плоскости H0 и Hi проходят через точки пересечения асимптот и касательных к соответствующим лучам в реальных точках фокусов F0 и Fi. Узловые точки находятся на главных плоскостях. Кардинальные элементы поля, работающего как одна линза, вычисляются по ф-лам:

5117-3.jpg

Из ф-л для фокусных расстояний следует, что макс. оптич. сила достигается при w = 2. С помощью функции простого колоколообразного поля получены аналитич. выражения для коэф. аберраций, напр. установлено, что коэф. сферич. аберрации минимален при w = 25117-4.jpg

Аппроксимирующие функции используются гл. обр. для оценки парамеров линз и не всегда пригодны для точных расчётов. Для расчёта с высокой точностью полей, траекторий электронов, кардинальных элементов и коэф. аберраций на ЭВМ разработаны спец. пакеты программ.

Электростатические осесимметричные линзы делятся на иммерсионные, одиночные и катодные. Они состоят из неск. электродов разл. формы, находящихся под разн. потенциалами. Это - диафрагмы с круглыми отверстиями, полые цилиндры, конусы и т. п. Простейшей линзой является о д и н о ч н а я д и а ф р а г м а, поле к-рой с одной или с двух сторон граничит с однородными электрич. полями. В зависимости от приложенного к диафрагме потенциала и направления примыкающих полей она может быть как собирающей, так и рассеивающей. На рис. 3 представлено поле собирающей линзы, к к-рому с одной стороны примыкает однородное поле. На электроде и эк-випотенциалях в условных единицах указаны их потенциалы. За нулевой принят потенциал, при к-ром энергия электронов равна нулю. Продольная составляющая напряжённости поля Ez тормозит, а радиальная составляющая Er фокусирует электроны.

5117-5.jpg

Рис. 3. Электростатическая линза-диафрагма с круглым отверстием (собирающая): 1 - электрод-диафрагма; 2-эквипотенциальные поверхности; 3-траектории электронов; F-фокус линзы.

5117-7.jpg

Рис. 4. Электростатические иммерсионные линзы, состоящие из двух диафрагм (а) и двух цилиндров (б). Тонкие линии - эквипотенциали, кривые со стрелками- траектории заряженных частиц, V1 и V2 - потенциалы электродов.



Э.л. наз. и м м е р с и о н н ы м и, если потенциалы V крайних электродов разные, т. к. (по аналогии со световой оптикой) показатели преломления, пропорциональные 5117-6.jpg, в этом случае по обе стороны линзы будут разные. На рис. 4 изображены иммерсион. линзы с плоскими и цилиндрич. электродами. Фокусные расстояния и потенциалы иммерсионных линз в пространстве предметов f0, V0 и изображений fi, Vi связаны соотношением: f0/fi= -5117-8.jpg . Если оба фокусных расстояния многократно превышают осевую протяжённость поля линзы (тонкая линза), то её оптич. силу можно вычислить по ф-ле

5117-9.jpg

где F - осевое распределение потенциала, Ф' - осевое распределение производной по z.

В отличие от магн. Э. л., в к-рых. скорость электронов меняется только по направлению, в электростатич. линзах, напр. в иммерсионных, скорость электронов изменяется и по величине. Последовательность иммерсионных линз, ускоряющих электроны, образует ускоритель электронов прямого действия. Форма его электродов - цилиндрическая или коническая (рис. 5) - экранирует электронный пучок от влияния паразитных электрич. и магн. полей. Энергия, приобретаемая электронами в таком ускорителе, может достигать неск. МэВ.

5117-10.jpg

Рис. 5. Ускоритель прямого действия, состоящий из последовательности иммерсионных линз, электроды к-рых в форме усечённых конусов экранируют электронный пучок от внешних полей: 1 -источник электронов ( им может быть кроссовер электронной пушки); 2- электроды; 3 - электронный пучок; V1, V2, ··· - промежуточные потенциалы электродов; U-ускоряющее напряжение.


Линза, крайние электроды к-рой имеют одинаковые потенциалы V1, наз. одиночной (рис. 6). Потенциал среднего электрода V2 может быть как меньше, так и больше V1. Если V2<V1, электроны пучка в начале поля линзы рассеиваются, в средней части собираются, а на выходе снова рассеиваются. Однако общий эффект всего поля линзы - собирающий. При V2 > V1 все происходит наоборот, однако и в этом случае общий эффект - собирающий. Если в области седловой точки поля (рис. 6) потенциал F ниже потенциала, при к-ром энергия электронов равна нулю, происходит отражение электронов и линза работает как электронное зеркало. Плоскости предмета и изображения одиночной линзы находятся вне поля, и её кардинальные элементы определяются так же, как в слабых магн. линзах (рис. 2, а), и так же проводится построение изображения.

5117-11.jpg

Рис. 6. Электростатическая одиночная электронная линза: 1 - внешние электроды; 2-внутренний электрод; 3-седловая точка; 4-траектория электрона; V1, V2-потенциалы электродов.


В катодной линзе предмет является катодом (источником электронов) и одновременно электродом оптич. системы. Её наз. иммерсионным объективом, т. к. показатели преломления по обе стороны линзы различные. В объективе происходит ускорение электронов, испущенных термо-, фото-, автокатодом или катодом вторичной эмиссии, и формирование его изображения. Иммерсионный объектив, состоящий из катода и анода, не может фокусировать электронные пучки, поэтому вводят дополнит. фокусирующий электрод (рис. 7) или применяют магн. фокусирующее поле.

5117-12.jpg5117-13.jpg

Рис. 7. Электростатическая катодная электронная линза: 1-катод; 2 -фокусирующий электрод; 3 - анод. Тонкие линии-эквипотенциали; О-одна из точек катода. Заштрихованное пространство - сечение области, занятой потоком электронов, испущенных точкой О.

Другие типы Э. л. Магн. и электростатич. цилиндрич. Э.л. фокусируют пучки заряж. частиц в одной плоскости и по своему действию подобны цилиндрич. линзам световой оптики. Электростатич. цилиндрич. Э.л. состоят из щелевых диафрагм или продольных пластин - электродов, расположенных симметрично относительно средней плоскости (рис. 8 и 9), и действуют (по аналогии с осесим-метричной оптикой) как одиночные диафрагмы или иммерсионные, катодные и одиночные линзы.


5117-14.jpg

Рис. 8. Электростатические цилиндрические электронные линзы: а-диафрагма со щелью; б-иммерсионная линза, состоящая из двух пластин. В области прохождения заряженных частиц поле линз не изменяется в направлении, параллельном щелям диафрагм или зазорам между пластинами соседних электродов.

5117-15.jpg

Рис. 9. Сечение электродов электростатических цилиндрических линз плоскостью, проходящей через ось z перпендикулярно средней плоскости; a-цилиндрическая (щелевая) диафрагма; б-иммерсионная цилиндрическая линза; в-одиночная цилиндрическая линза; г-катодная цилиндрическая линза; V1 и V2 - потенциалы соответствующих электродов.

Поля трансаксиальных электростатич. линз обладают симметрией вращения относительно оси (ось x на рис. 10), к-рая перпендикулярна оптич. оси. Пучок, выходящий из точки А предмета, после фокусировки полем линзы становится астигматическим и образует два линейных изображения В и В'. Однако при надлежащем подборе параметров Э. л. изображение может стать стигматическим.

Квадрупольные магн. и электростатич. линзы имеют поля с двумя взаимно перпендикулярными плоскостями симметрии. Векторы напряжённости полей в области распространения электронного пучка почти перпендикулярны скоростям электронов (рис. 11). Благодаря этому фокусирующее действие на пучки электронов многократно возрастает по сравнению с осесимметричным полем. Одна квадрупольная Э.л. не создаёт стигматич. изображения, она действует в одной меридиональной плоскости как собирающая, а в другой, ей перпендикулярной, как рассеивающая линза. Два последовательно расположенных и надлежащим образом ориентированных по азимуту квадруполя (дублет, рис. 12) создают стигматич. изображение, но с дисторсией, т. к. увеличения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях разные. Стигматич. изображение без дисторсии получается с помощью двух дублертов. Благодаря большой оптич. силе квадрупольные системы способны фокусировать пучки заряж. частиц с большими энергиями, а в случае магн. линз - и с большими массами, чем осесимметричные системы.


5117-16.jpg

Рис. 10. Электростатическая трансаксиальная электронная линза с электродами в виде двух соосных цилиндров с кольцевыми щелями для прохождения пучка электронов; 1-цилиндрические электроды; 2-траектории электронов; V1 и V2 - потенциалы электродов.



5117-17.jpg

Рис. 11. Сечения квадрупольных электростатической (а) и магнитной (б)электронных линз, перпендикулярные направлению движения пучка электронов: 1-электроды; 2-силовые линии полей; 3 - магнитный полюс; 4 - обмотка возбуждения.


5117-18.jpg

Рис. 12. Дублет из двух квадрупольных электростатических линз, поля к-рых повернуты вокруг оптической оси z системы одно относительно другого на угол 90°.

Литература по

  1. Косслет В., Введение в электронную оптику, пер. с англ., M., 1950; Явор С. Я., Фокусировка заряженных частиц квадрупольными линзами, M., 1968; Арцимович Л. А., Лукьянов С. Ю., Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях, M., 1972; Grivet P. [а.о.], Electron Optics, 2 ed., pt 1-2, Oxf., 1972; Баранова Л. А., Явор С. Я., Электростатические электронные линзы, M., 1986; см. также лит. при ст. Электронная и ионная оптика. П. А. Стоянов.

    к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

    Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
    При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 1011 раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
    Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

    НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
    Рыцари теории эфира
     03.12.2019 - 22:04: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Марины Мелиховой - Карим_Хайдаров.
    03.12.2019 - 11:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
    30.11.2019 - 19:55: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
    30.11.2019 - 18:13: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
    29.11.2019 - 08:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Декларация Академической Свободы - Карим_Хайдаров.
    27.11.2019 - 08:31: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
    27.11.2019 - 08:30: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
    27.11.2019 - 08:27: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
    23.11.2019 - 12:17: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
    19.11.2019 - 09:07: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
    18.11.2019 - 19:10: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
    Bourabai Research Institution home page

    Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution