Элементы электронной оптики кратко

Обновлено: 05.07.2024

ЭЛЕКТРО́ННАЯ И ИО́ННАЯ О́ПТИКА, раздел физики, в котором изучают законы распространения пучков заряженных частиц (электронов и ионов) в макроскопич. магнитных и электрич. полях. Развитие электронной оптики началось с изучения катодных лучей, с помощью которых было получено теневое изображение объекта. В результате экспериментов было обнаружено, что характер распространения этих лучей подобен распространению световых лучей в геометрич. оптике. Смещение изображения под действием магнитного поля показало, что катодные лучи представляют собой поток заряженных частиц (У. Крукс , 1879). Опыты по отклонению заряженных частиц совмещёнными электрич. и магнитными полями привели к открытию электрона (Дж.Дж. Томсон , 1897). Одним из первых электронно-лучевых приборов стала осциллографич. электронно-лучевая трубка (ЭЛТ; К. Ф. Браун , 1897). В 1899 нем. физик И. Э. Вихерт сфокусировал в ЭЛТ электронный пучок магнитным полем катушки с током. Исследования движения электронов в осесимметричном магнитном поле катушки с током показали, что она пригодна для формирования электронно-оптич. изображений и, следовательно, является электронной линзой. Создание линз и др. электронных устройств открыло путь к созданию электронных микроскопов , электронно-оптических преобразователей , технологич. электронно-лучевых установок и др. Конструирование спец. ЭЛТ для телевизионной и радиолокац. аппаратуры, для записи, хранения и воспроизведения информации привело к дальнейшему развитию разделов электронной оптики, связанных с управлением пучками заряженных частиц.

Область физики и техники, в которой изучаются вопросы формирования, фокусировки и отклонения пучков заряженных частиц и получения с их помощью изображений под действием электрических и магнитных полей в вакууме, называется электронной оптикой. Комбинируя различные электронно-оптические элементы — электронные линзы, зеркала, призмы, — создают электронно-оптические приборы, например электронно-лучевую трубку, электронный микроскоп, электронно-оптический преобразователь.

1. Электронные линзыпредставляют собой устройства, с помощью электрических и магнитных полей которых формируются и фокусируются пучки заряженных частиц. Существуют электростатические и магнитные линзы. В качествеэлектростатической линзыможет быть использовано электрическое поле с вогнутыми и выпуклыми эквипотенциальными поверхностями, например в системах металлических электродов и диафрагм, обладающих осевой симметрией. На рис. 240 изображена простейшая собирающая электростатическая линза, гдеА —точка предмета,В— ее изображение, пунктиром изображены линии напряженности поля.

Магнитная линзаобычно представляет собой соленоид с сильным магнитным полем, коаксиальным пучку электронов. Чтобы магнитное поле сконцентрировать на оси симметрии, соленоид помещают в железный кожух с узким внутренним кольцевым разрезом.

Если расходящийся пучок заряженных частиц попадает в однородное магнитное поле, направленное вдоль оси пучка, то скорость каждой частицы можно разложить на два компонента: поперечный и продольный. Первый из них определит равномерное движение по окружности в плоскости, перпендикулярной направлению поля (см. § 115), второй — равномерное прямолинейное движение вдоль поля. Результирующее движение частицы будет происходить по спирали, ось которой совпадает с направлением поля. Для электронов, испускаемых под различными углами, нормальные составляющие скоростей будут различны, т. е. будут различны и радиусы описываемых ими спиралей. Однако отношение нормальных составляющих скорости к радиусам спиралей за период вращения (см. § 115) будет для всех электронов одинаково; следовательно, через один оборот все электроны сфокусируются в одной и той же точке на оси магнитной линзы.

2. Электронный микроскоп — устройство, предназначенное для получения изображения микрообъектов; в нем в отличие от оптического микроскопа вместо световых лучей используют ускоренные до больших энергий (30—100 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума (примерно 0,1 мПа) электронные пучки, а вместо обычных линз — электронные линзы. В электронных микроскопах предметы рассматриваются либо в проходящем, либо в отраженном потоке электронов, поэтому различаютпросвечивающие и отражательные электронные микроскопы.

На рис. 241 приведена принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа. Электронный пучок, формируемый электронной пушкой 1, попадает в область действияконденсорной линзы2,которая фокусирует на объекте3электронный пучок необходимого сечения и интенсивности. Пройдя объект и испытав в нем отклонения, электроны проходят вторую магнитную линзу —объектив4 —и собираются ею в промежуточное изображение5.Затем с помощью проекционной линзы6на флуоресцирующем экране достигается окончательное изображение7.

Разрешающая способность электронного микроскопа ограничивается, с одной стороны, волновыми свойствами (дифракцией) электронов, с другой — аберрациями электронных линз. Согласно теории, разрешающая способность микроскопа пропорциональна длине волны, а так как длина волны применяемых электронных пучков (примерно 1 пм) в тысячи раз меньше длины волны световых лучей, то разрешение электронных микроскопов соответственно больше и составляет 0,01 — 0,0001 мкм (для оптических микроскопов приблизительно равно 0,2 — 0,3 мкм). С помощью электронных микроскопов можно добиться значительно больших увеличений (до 10 6 раз), что позволяет наблюдать детали структур размерами 0,1 нм.

3. Электронно-оптический преобразователь— это устройство, предназначенное для усиления яркости светового изображения и преобразования невидимого глазом изображения объекта (например, в инфракрасных или ультрафиолетовых лучах) в видимое. Схема простейшего электронно-оптического преобразователя приведена на рис. 242. Изображение предметаАс помощью оптической линзы1проецируется на фотокатод2.Излучение от объекта вызывает с поверхности фотокатода фотоэлектронную эмиссию, пропорциональную распределению яркости проецированного на него изображения. Фотоэлектроны, ускоренные электрическим полем (3 —ускоряющий электрод), фокусируются с помощью электронной линзы4на флуоресцирующий экран5,где электронное изображение преобразуется в световое (получается окончательное изображениеА").Электронная часть преобразователя находится в высоковакуумном сосуде6.

Из оптики известно, что всякое увеличение изображения связано с уменьшением его освещенности. Достоинство электронно-оптических преобразователей заключается в том, что в них можно получить увеличенное изображение А" даже большей освещенности, чем сам предметА, так как освещенность определяется энергией электронов, создающих изображение на флуоресцирующем экране. Разрешающая способность каскадных (нескольких последовательно соединенных) электронно-оптических преобразователей составляет 25—60 штрихов на 1 мм. Коэффициент преобразования — отношение излучаемого экраном светового потока к потоку, падающему от объекта на фотокатод, — у каскадных электронно-оптических преобразователей достигает10 6 . Недостаток этих приборов — малая разрешающая способность и довольно высокий темновой фон, что влияет на качество изображения.

21.1.На плоскопараллельную стеклянную пластинку (n=1,5) толщиной 6 см падает под углом 35° луч света. Определить боковое смещение луча, прошедшего сквозь эту пластинку.[1,41 см]

21.2.Необходимо изготовить плосковыпуклую линзу с оптической силой 6 дптр. Определить радиус кривизны выпуклой поверхности линзы, если показатель преломления материала линзы равен 1,6. [10 см]

21.3.Определить, на какую высоту необходимо повесить лампочку мощностью 300 Вт, чтобы освещенность расположенной под ней доски была равна 50 лк. Наклон доски составляет 35°, а световая отдача лампочки равна 15 лм/Вт. Принять, что полный световой поток, испускаемый изотропным точечным источником света, Ф₀ = 4I. [2,42 м]

Электронная оптика изучает движение электронов в электрических и магнитных полях. В силу того, что поведение электронных пучков в электромагнитных полях напоминает ход световых лучей в прозрачных средах, рассматриваемая теория приобрела характерное название - "электронная оптика".

Необходимым условием перемещения электронов в виде пучка на большое расстояние является создание на их пути вакуума, поскольку в этом случае средняя длина свободного пробега электронов между столкновениями с газовыми молекулами будет значительно превышать расстояние, на которое они должны перемещаться. Для этих целей достаточно поддерживать в рабочей камере вакуум приблизительно 10-4 Па. Источником электронов служит металл (обычно вольфрам), из которого после его нагревания в результате термоэлектронной эмиссии испускаются электроны. С помощью электрического поля поток электронов можно ускорять и замедлять, а также отклонять в любых направлениях, используя электрические и магнитные поля.

Схема управления потоком электронов представлена на рис. 1. Источником электронов служит подогреваемый катод К. Управляющая сетка 4 формирует и ускоряет (или замедляет) поток электронов. В поперечном электрическом поле, напряженность которого Е, электрон приобретает за время движения в нем Δt импульс

где m – масса электрона, V – параллельная вектору Е составляющая скорости электрона, е – заряд электрона. При этом угол отклонения электрона от первоначального направления движения составит q:

здесь V^- составляющая скорости электрона, перпендикулярная Е.

При попадании электрона в магнитное поле, вектор индукции В которого направлен под углом к скорости электрона V (рис. 1), он под действием силы Лоренца будет двигаться по спирали, радиус которой

здесь и - соответственно параллельная и перпендикулярная магнитному полю составляющие скорости электрона.

Аналогию между преломлением световых лучей и пучка электронов иллюстрирует рис. 2.

На рис. 2а луч света после входа в оптически более плотную среду после преломления на границе раздела приближается к нормали к поверхности. Углы падения i и преломления r связаны законом преломления:

где n1 и n2 – абсолютные показатели преломления первой и второй сред соответственно; V1 и V2 – скорости света в этих средах. Электронный аналог закона преломления показан на рис. 2б. Электрон после входа в область большего потенциала φ2 приближается к нормали к эквипотенциальной поверхности в результате увеличения составляющей его скорости, вдоль нормали к этой поверхности. Из условия постоянства поперечной составляющей скорости следует

Рассмотренный физический механизм изменения траектории электрона при движении в электростатическом поле справедлив для любой формы эквипотенциальных поверхностей. В любом случае, при пересечении электроном эквипотенциальной поверхности из области меньшего потенциала в область большего потенциала траектория электрона отклоняется к нормали к эквипотенциальной поверхности в данной точке (рис. 2в). Если изменить направление градиента электрического поля на противоположное, т.е. электрон будет перемещаться из области большего потенциала в область меньшего потенциала, траектория электрона отклоняется в противоположную сторону. Изменяя конфигурацию эквипотенциальных поверхностей относительно вектора скорости электронов, можно формировать траекторию их движения по необходимому закону. Таким образом, эквипотенциальные поверхности электростатического поля можно приближенно считать аналогами границ раздела оптических сред с разными показателями преломления, т.е. линзами.

Такая аналогия наводит на мысль, что простейшую электростатическую линзу можно сделать, если взять два полых проводящих цилиндра, поместить их близко друг к другу и приложить между ними разность потенциалов φ1 – φ2. Эквипотенциальные поверхности в зазоре между этими цилиндрами будут изгибаться, как показано на рис. 3, поскольку нормальная к оси линзы составляющая силы, действующей на свободный заряд, вблизи стенок больше, чем в середине цилиндров. Это различие обусловлено наличием свободного от зарядов зазора между концами цилиндров. Степень влияния зазора и, следовательно, кривизна эквипотенциальных поверхностей зависят от длины цилиндров. В случае, когда цилиндры имеют бесконечную длину, эквипотенциальные поверхности оказываются параллельными друг другу.

Принцип фокусировки электронного луча неоднородным магнитным полем короткой катушки иллюстрирует рис. 4. В общем случае вектор скорости электрона V направлен под некоторым углом α к оси катушки (линии ОС). Разложим вектор скорости электрона в точке А (рис. 4) на осевую и радиальную составляющие (Vz и Vr соответственно). Соответствующие составляющие вектора индукции магнитного поля В в этой точке обозначим Вz и Вr. Векторы Vz и Вr обусловливают составляющую силы Лоренца Fτ(рис. 4, справа, вверху). Сила Fτ вызывает вращение электронов вокруг оси ОС, т.е. появляется азимутальная составляющая скорости Vτ, которая совместно с Вz образует силу Fr, направленную к оси катушки. Нетрудно убедиться в том, что после пересечения плоскости О1О2, несмотря на изменение направления радиальной составляющей магнитного поля на противоположное, поперечная сила Fτ по-прежнему отклоняет электроны к оси ОС. Изменяя индукцию магнитного поля, можно добиться пересечения траекторий всех электронов в точке С, обеспечивая тем самым фокусировку электронного потока.

С помощью аксиального магнитного поля можно сделать и толстую магнитную линзу (в толстой магнитной линзе все траектории электронов располагаются внутри нее).

Между распространением световых лучей и движением частиц вещества имеется глубокая аналогия. Внешне эта аналогия проявляется в сходстве формы светового луча с траекторией частицы, движущейся в силовом поле. Например, форма луча во втором случае миража (§ 14) похожа на форму траектории снаряда, брошенного под углом к поверхности земли.

Наиболее общим проявлением этой аналогии служит тот факт, что в механике имеется принцип наименьшего действия, соответствующий оптическому принципу Ферма.

Принцип наименьшего действия состоит в том, что материальное тело всегда движется по такой траектории, для которой интеграл от кинетической энергии тела по времени имеет минимальное значение.

Этот интеграл (его называют действием может быть записан следующим образом:

где масса тела, и времена, соответствующие началу и концу пути. Так как элемент пути то можно записать и иначе:

Поскольку масса постоянна, минимум действия совпадает с минимумом

Последний интеграл похож на интеграл в принципе Ферма, но имеется одно существенное различие, смысл которого станет ясен позднее. В принципе Ферма фигурирует показатель преломления, т. е. величина, обратно пропорциональная скорости, а в принцип наименьшего действия входит сама скорость.

В течение столетий эта аналогия считалась имеющей лишь принципиальное значение. Однако за последние годы развился целый раздел физики, служащий основой для практического использования указанной аналогии. Этот раздел носит название электронной оптики.

В электронной оптике для получения изображений предметов используются не световые лучи, а электронные пучки, испускаемые или отражаемые этими предметами. Так же как и в обычных оптических приборах, в электроннооптических приборах пучок электронов, выходящий из одной точки предмета, сводится в одну точку изображения. С этой целью применяются электронные линзы и зеркала. Электронные линзы бывают двух типов: электрические и магнитные.

Из формулы (13) нетрудно получить, обозначая через Г:

Скорость электрона при переходе из одной области в другую изменяется, что аналогично изменению скорости света при переходе из одной среды в другую.

Напомним, что для световых лучей

Рис. 45. Преломление электронного пучка.

Формулы (15) и (16) весьма похожи, но в правой части для электронов входит обратное отношение скоростей. Указанное различие и послужило одной из причин гибели корпускулярной теории света, созданной Ньютоном ( же различие было отмечено выше при написании принципа наименьшего действия. Закон преломления электронного пучка может быть выведен из этого принципа точно таким же способом, как закон преломления светового луча из принципа Ферма.

Несмотря на большое принципиальное значение указанного различия, практически мы можем написать закон преломления электронного пучка совершенно так же, как и для световых лучей, определив только другим образом показатель преломления. Для электронов мы будем считать

Если бы мы могли создать такое распределение потенциалов, чтобы в области, имеющей форму линзы, потенциал имел постоянное

значение а в остальном пространстве значение то такая электрическая линза действовала бы совершенно аналогично оптической и можно было бы применять формулу линзы (7), вставив в нее вместо его выражение (17).

Такие резкие скачки потенциалов создаются двойными электрическими слоями. Двойной электрический слой образуют, например, две металлические сетки, обладающие разными потенциалами.

Рис. 46. Собирающая электрическая линза.

Рис. 47. Рассеивающая электрическая линза.

На практике пользуются другими способами для преломления электронных пучков. На рис. 46 изображены сечения эквипотенциальных поверхностей у простой круглой диафрагмы С, помещенной между двумя электродами Рис. 46 и 47 соответствуют двум различным случаям: в первом диафрагма имеет тот же потенциал, что и катод во втором диафрагма имеет тот же потенциал, что и анод а.

Рис. 48. Сложная электрическая линза

В первом случае круглая диафрагма действует на электронный пучок, выходящий из катода, как собирающая линза. Во втором случае та же диафрагма действует как рассеивающая линза. В обоих случаях получаются криволинейные электронные траектории, соответствующие постепенному преломлению электронных пучков на эквипотенциальных поверхностях.

Еще большее сходство с обычными линзами наблюдается в случае электронной тшнзы, состоящей из двух или трех близко расположенных диафрагм. На рис. 48 изображены эквипотенциальные поверхности и ход электронных пучков в таких линзах.

Во всех электрических линзах существенным является осевая симметрия поля. В собирающих линзах возникают радиальные электрические силы, величина которых возрастает по мере удаления от оси. Эти силы возвращают электроны, удаляющиеся от оси, и собирают их в одну точку.

Рис. 49. Сила, действующая на электрон в магнитной линзе.

Для получения сильно действующих короткофокусных электростатических линз приходится прикладывать к их электродам большие разности потенциалов и принимать меры, предохраняющие от электрического пробоя.

Действие магнитной линзы несколько сложнее, чем действие электрической. В качестве магнитной линзы используется просто соленоид, создающий продольное магнитное поле. Магнитное поле соленоида действует только на компоненту скорости электрона, перпендикулярную к направлению поля (т. II, § 67). Если под углом к направлению поля вылетает электрон, то сила Лоренца, на него действующая, будет тем больше, чем больше соответствующая компонента его скорости. Перпендикулярная к полю компонента будет тем больше, чем больше угол между направлением вылета электрона и (рис. 49). В отличие от электрической линзы в магнитной линзе сила, действующая на электрон, перпендикулярна к направлению его движения в каждой точке.

Возникает вращательное движение электрона вокруг оси, параллельной направлению поля. Радиус, окружности, описываемой электроном, пропорционален перпендикулярной к полю компоненте скорости, но время одного оборота, пропорциональное отношению радиуса к скорости, будет одинаковым для всех электронов, вылетевших под разными углами.

На вращательное движение, вызванное магнитным полем, наложится поступательное движение, связанное с наличием у электрона компоненты скорости, параллельной полю. Поэтому электроны будут описывать винтовые линии, изображенные на рис. 50.

Приближенно можно считать продольную компоненту скорости не зависящей от угла вылета электрона. Тогда независимо от угла

Рис. 50. Траектория электронов в магнитной линзе

Электрические и магнитные линзы обладают тем преимуществом, что, изменяя напряжение на диафрагмах или силу тока в соленоиде, мы можем плавно менять фокусные расстояния этих линз.

Электроннооптические приборы находят все большее применение в самых различных областях науки и техники (автоматика, телевидение, вакуумная техника и т. д.). К числу наиболее интересных приборов принадлежат электронные преобразователи изображений и электронный микроскоп.

Рис. 51. Схема электронного преобразователя изображений.

На рис. 51 показана упрощенная схема электронного преобразователя изображений. На чрезвычайно тонкий полупрозрачный фотокатод К дается при помощи обычной линзы изображение предмета Падающие лучи вызывают фотоэффект на катоде К. В результате фотоэффекта из катода вылетают электроны, причем благодаря малой толщине катода часть из них летит вправо.

Число вырванных электронов будет пропорционально количеству падающего в данную точку излучения. Таким образом, изображение предмета на катоде К будет испускать электроны так же, как изображение на белом экране испускает видимые лучи. Между катодом К и анодом А наложено напряжение, ускоряющее электроны, которые ударяются об экран, покрытый светящимся под действием

электронных ударов веществом. Находящаяся между катодом и анодом электронная линза фокусирует электронные пучки, выходящие из точек катода, в точки на светящемся экране. В данном случае изображение предмета на фотокатоде служит предметом, испускающим электронные лучи, фокусируемые электронной линзой. В результате мы наблюдаем изображение предмета на светящемся экране.

Электронный преобразователь может быть использован для самых различных целей. Прежде всего изображение на фотокатоде может быть получено в инфракрасных или ультрафиолетовых лучах, невидимых глазом, а затем преобразовано в видимое изображение на светящемся экране. Для этого нужно только, чтобы фотокатод был чувствителен к этим лучам.

Рис. 52. Сравнение электронного и светового микроскопов.

Рассматривание предметов в инфракрасных и ультрафиолетовых лучах позволяет часто обнаружить ряд новых деталей в их строении (например, у микроскопических животных). Кроме того, инфракрасные лучи хорошо проходят через туман (см. ниже); поэтому, пользуясь инфракрасными лучами, можно при помощи электронного преобразователя видеть сквозь туман далекие предметы. Последнее очень важно в навигации и авиации.

На рис. 53 изображен советский электронный микроскоп, сконструированный под руководством А. А. Лебедева. В этом микроскопе используются электроны, ускоренные разностью потенциалов, равной 50 000 в. В электронных микроскопах достигнуты увеличения,

во много раз превышающие увеличения световых микроскопов. В настоящее время уже используются увеличения в несколько десятков, тысяч раз (в самом микроскопе). Получающиеся при этом изображения обладают настолько большой четкостью, что допускают еще дополнительное увеличение в несколько раз при помощи обычного фотоувеличителя. В результате общее полезное увеличение превышает При таком увеличении можно различить на объекте детали, имеющие размеры порядка см, т. е. отдельную молекулу. На рис. 1 в конце книги приведено электронное изображение кристалла вируса. На снимке виден спиралеобразный характер роста кристалла.

До сих пор электронный микроскоп нашел себе применение главным образом для исследования мельчайших деталей в структуре поверхностей твердых тел и для изучения строения различных микроорганизмов. В частности, при помощи электронного микроскопа впервые были получены фотографии фильтрующихся вирусов.

Рис. 53. Советский электронный микроскоп.

Читайте также: