Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Применение электрического поля для изменения траектории заряженного пучка частиц. Электростатическое отклонение структурного элемента.
Applying an electric field to change the trajectory of a charged particle beam
electrostatic deflection of a structural element
В электромагнетизме электростатическое отклонение – это способ изменения траектории пучка заряженных частиц посредством электрического поля, приложенного поперек направления движения частиц. Эта техника называется электростатической, поскольку напряженность и направление приложенного поля изменяются медленно по сравнению со временем, необходимым частицам для прохождения через поле, и, следовательно, для каждой отдельной частицы можно считать, что поле не изменяется (является статичным).
In electromagnetism, electrostatic deflection refers to a way of modifying the path of a beam of charged particles by the use of an electric field applied transverse to the path of the particles. The technique is called electrostatic because the strength and direction of the applied field changes slowly relative to the time it takes for the particles to transit the field, and thus can be considered not to change (be static) for any single particle.
Пояснение
Сила Лоренца действует на любую заряженную частицу при электростатическом отклонении. Электростатическое отклонение использует частный, упрощенный случай этого общего эффекта, ограничивая поле электрическим полем. Электрическое поле оказывает на частицу силу, пропорциональную напряженности поля и заряду частицы. Направление приложенной силы совпадает с направлением электрического поля для положительных зарядов и противоположно ему для отрицательных зарядов. При электростатическом отклонении приложенное электрическое поле ориентировано таким образом, чтобы оно лежало в плоскости, перпендикулярной начальному направлению пучка. Частицы ускоряются этой силой пропорционально своему заряду. Траектория движения частиц зависит от их поперечного ускорения и скорости при входе в отклоняющее поле. Следовательно, для точного управления направлением важно, чтобы частицы в пучке имели одинаковое отношение заряда к массе и двигались с постоянной скоростью.
The Lorentz force acts on any charged particle in an electrostatic deflection. Electrostatic deflection uses a special, simplified case of this general effect by limiting the field to an electric field. An electric field applies a force on a particle that is proportional to the strength of the field and to the charge on the particle. The direction of the applied force is the same as the direction of the electric field for positive charges and opposite for negative charges. For electrostatic deflection, the applied electric field is arranged so that it lies in the plane perpendicular to the initial direction of the stream. The particles are accelerated by this force in proportion to the charge of the particles. The path the particles follow depends on their sideways acceleration and their velocity when they enter the deflecting field. Therefore, it is important for good control of the direction that the particles in the stream have a uniform charge to mass ratio and that they move at a uniform speed.
Применение
Наиболее распространенным применением этой техники является управление траекторией потока электронов в вакууме. Одно из применений – в небольших электронно-лучевых трубках для осциллоскопов. В этих трубках электрическое поле создается двумя наборами парных электродов, установленных под прямым углом, между которыми протекает электронный поток. Такая конструкция позволяет независимо отклонять луч в двух измерениях (обычно воспринимаемых как вверх/вниз (вертикальное) и вправо/влево (горизонтальное)). Электроды обычно называют отклоняющими пластинами. Традиционно электроны сначала проходят через вертикальные отклоняющие пластины, что обеспечивает несколько более высокую чувствительность из-за большего времени прохождения от вертикальных отклоняющих пластин до фосфорного экрана по сравнению с горизонтальными отклоняющими пластинами. В высокоскоростных осциллоскопах отклоняющие пластины часто представляли собой сложные структуры, объединяющие ряд подпластин с линией электрической задержки. Путем согласования скорости распространения электрического сигнала со скоростью движения электронов достигается максимальная полоса пропускания (частотная характеристика). Эта техника хорошо работает, когда удается создать достаточно однородный поток, как обсуждалось выше. Поэтому она также используется для управления потоками макроскопических частиц, например, в проточной цитометрии. Другое применение было найдено в одном типе струйных принтеров. Электростатическое отклонение очень эффективно для малых углов отклонения, но хорошо известно, что оно уступает магнитному отклонению при отклонении заряженного пучка частиц на большие углы – например, более 10 градусов. Это связано с тем, что аберрации отклонения становятся значительными с увеличением угла отклонения, что снижает способность к точной фокусировке луча. Кроме того, при электростатическом отклонении давно практикуется введение луча посередине между заряженными отклоняющими пластинами, чтобы максимально избежать краевых полей. Однако вычислительные методы показали, что аберрации отклонения можно значительно уменьшить, если луч вводить со смещением в сторону притягивающей пластины. В этом случае луч стремится следовать линиям равного потенциала, а сила отклонения направлена перпендикулярно направлению луча. Таким образом, все электроны в луче отклоняются под одним и тем же углом. Возникает индуцированный астигматизм, который можно скорректировать. Эта идея отклонения была протестирована и подтверждена. Сообщается, что углы отклонения в 50 градусов возможны без заметных аберраций отклонения. Оптимальное смещение при введении луча составляет примерно 1/3 зазора между пластинами в сторону отклоняющей пластины, а полезный диаметр луча также составляет примерно 1/3 зазора.
The most common use for this technique is controlling the path of a stream of electrons in a vacuum. One application is in small cathode ray tubes for oscilloscopes. In these tubes the electric field is created by two sets of paired electrodes, mounted at right angles, that the electron stream flows between. This arrangement allows independent deflection of the beam in two dimensions (usually perceived as up/down (vertical) and right/left (horizontal)). The electrodes are commonly called deflection plates. Traditionally, the electrons pass through the vertical deflection plates first, yielding slightly higher sensitivity because of the longer travel time from the vertical deflection plates to the phosphor screen as compared to the horizontal deflection plates. In very high speed oscilloscopes, the deflection plates were often complex structures, combining a series of sub plates with an electrical delay line. By matching the propagation speed of the electrical signal with the transit speed of the electrons, maximum bandwidth (frequency response) was achieved. The technique works well whenever a sufficiently uniform stream can be created, as discussed above. Therefore, it has been used in controlling macroscopic particle streams, for instance in fluorescence activated cell sorting, as well. Another application was in one type of inkjet printer. Electrostatic deflection is very useful for small deflection angles but is well known to be inferior to magnetic deflection for deflecting a charged particle beam into large angles say over 10 degrees. The reason is that deflection aberrations become large as the deflection angle increases. This reduces the ability to finely focus the beam. Also in electrostatic deflection it has long been the practice to inject the beam midway between the charged deflection plates so as to avoid the fringe fields as much as possible. However it was found by computation methods that deflection aberrations would be significantly reduced if the beam were injected offset toward the attracting plate. That way the beam tends to follow equipotentials and the deflection force is normal to the beam direction. Thus offset, all the electrons in the beam are deflected into the same angle. There is an induced astigmatism that is correctable. This deflection idea has been tested and verified. Deflection angles of 50 degrees are reportedly possible without measurable deflection aberration. Optimal injection offset is approximately 1/3 of the plate gap toward the deflecting plate. The useful beam diameter is also approximately 1/3 of the gap.