Электромагнитные линзы

Для фокусировки пучков заряженных частиц и строительство с их помощью изображений используются электрические и магнитные поля, которые имеют осевую симметрию. В зависимости от используемого поля, линза может быть электромагнитной или электростатичной. В электронных микроскопах и электронографах используются в основном электромагнитные линзы.

Электромагнитная линза представляет собой катушку с боль-шим количеством витков, через которую пропускают постоянный ток.

Существует два вида линз: длинные и короткие. У длинной линзы длина значительно больше, чем ширина. Примером использования такой линзы является лабораторная работа по определению отношения заряда электрона к его массе методом Буша, в которой с помощью магнитного поля фокусируют пучок электронов.

Для изменения величины изображения используют короткие магнитные линзы, то есть такие, длина которых значительно меньше ширины. Схематичный разрез такой линзы и форма её силовых линий показаны на рис.2а.

Поле короткой линзы подобно полю одного витка, лишь с той разницей, что напряжённость поля увеличивается в соответствующее число раз.

Чтобы усилить действие поля в середине катушки и сконцентрировать его в меньшей области, катушку располагают на сердечнике из магнитомягкого материала и устанавливают специальные наконечники (рис.2б). Наконечники дают возможность сконцентрировать магнитное поле катушки в небольшом пространстве между полюсными наконечниками.

Рис.2. Схематический разрез и силовое поле короткой линзы.

Для коаксиальных пучков, то есть для тех, которые образуют с осью линзы малые углы, фокусное расстояние для линз без сердечника можно рассчитать с помощью выражения:

= × × dz, (2)

где: e – заряд электрона, m – масса электрона, U – ускоряющее поле,

H – напряжённость магнитного поля линзы на оптической оси z.

Если изменять напряжённость магнитного поля, изменяя вели-чину тока, который проходит через линзу, то можно изменять фокусное расстояние линзы. Все магнитные линзы являются собирающими.

В данной работе для получения дифракционной картины используется электронный микроскоп ЭМ-5, схематичный разрез которого дан на рис.3.

Для получения электронного луча, в электронном микроскопе используется электронная пушка (аналогичная электронной пушке электронно-лучевой трубки осциллографа). Высоковольтное ускоря-ющее электроны поле (~ 50 – 100 kV) прикладывается между катодом и анодом пушки. Ускоренные электроны движутся (после прохождения конденсора) параллельным пучком внутри колоны в сторону исследуемого образца, помещённого на предметном столике. Для нормальной работы микроскопа, воздух из колоны откачивается до высокого вакуума (10^-4 – 10^{-5 мм рт. ст.) с помощью непрерывно работающих форвакуумного и высоковакуумного насосов. Как видно из формулы (2), фокусное расстояние зависит от ускоряющего поля и от напряжённости магнитного поля. Поэтому для повышения качества работы микроскопа необходима высокая стабилизация ускоряющего поля и напряжённости магнитных полей линз. Всё это обеспечивается специальными блоками, которые являются составными частями электронного микроскопа или электронографа.}

Рис.3. Схематичный разрез колоны электронного микро- скопа ЭМ-5: 1 – электронная пушка; 2 – конденсорная линза; 3 – стигматор; 4 – объективная линза; 5 – первая проекционная линза; 6 – вторая проекционная линза; 7 – фотокамера.