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.