Электростатические линзы для управления заряженными частицами.
Electrostatic lens
Электростатические линзы: принцип работы, применение для транспортировки заряженных частиц (электронов, ионов) и фокусировки пучков. Устройство и аналогия с оптикой.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Электростатическая линза – это устройство, которое облегчает транспортировку заряженных частиц. Например, она может направлять электроны, испускаемые образцом, к электронному анализатору, подобно тому, как оптическая линза облегчает транспортировку света в оптическом приборе. Системы электростатических линз могут быть спроектированы аналогично оптическим линзам, поэтому электростатические линзы легко увеличивают или фокусируют траектории электронов. Электростатическая линза также может использоваться для фокусировки ионного пучка, например, для создания микропучка для облучения отдельных клеток.
An electrostatic lens is a device that assists in the transport of charged particles. For instance, it can guide electrons emitted from a sample to an electron analyzer, analogous to the way an optical lens assists in the transport of light in an optical instrument. Systems of electrostatic lenses can be designed in the same way as optical lenses, so electrostatic lenses easily magnify or converge the electron trajectories. An electrostatic lens can also be used to focus an ion beam, for example to make a microbeam for irradiating individual cells.
Цилиндрическая линза
Цилиндрическая линза состоит из нескольких цилиндров, стенки которых представляют собой тонкие слои. Каждый цилиндр выстроен параллельно оптической оси, в которую входят электроны. Между цилиндрами имеются небольшие зазоры. Если на каждом цилиндре поддерживается разное напряжение, зазор между цилиндрами функционирует как линза. Изменяя комбинации напряжений, можно изменять увеличение. Хотя увеличение, создаваемое двумя цилиндрическими линзами, можно изменить, эта операция также изменяет фокусную точку. Три цилиндрические линзы позволяют изменять увеличение, сохраняя положение объекта и изображения, поскольку два зазора функционируют как линзы. Хотя напряжения должны изменяться в зависимости от кинетической энергии электронов, отношение напряжений остается постоянным при неизменных оптических параметрах. На заряженную частицу действует сила, находясь в электрическом поле. Чем быстрее частица, тем меньше накопленный импульс. Для коллимированного пучка фокусное расстояние определяется как начальный импульс, деленный на накопленный (перпендикулярный) импульс, создаваемый линзой. Это делает фокусное расстояние одиночной линзы функцией второго порядка скорости заряженной частицы. Одиночные линзы, известные из фотоники, нелегко доступны для электронов. Цилиндрическая линза состоит из дефокусирующей линзы, фокусирующей линзы и второй дефокусирующей линзы, сумма преломляющих способностей которых равна нулю. Однако, из-за расстояния между линзами, электрон совершает три оборота и попадает в фокусирующую линзу в точке, более удаленной от оси, и, следовательно, проходит через поле с большей напряженностью. Эта непрямота приводит к тому, что результирующая преломляющая способность равна квадрату преломляющей способности одиночной линзы.
A cylinder lens consists of several cylinders whose sides are thin walls. Each cylinder lines up parallel to the optical axis into which electrons enter. There are small gaps put between the cylinders. When each cylinder has a different voltage, the gap between the cylinders works as a lens. The magnification is able to be changed by choosing different voltage combinations. Although the magnification of two cylinder lenses can be changed, the focal point is also changed by this operation. Three cylinder lenses achieve the change of the magnification while holding the object and image positions because there are two gaps that work as lenses. Although the voltages have to change depending on the electron kinetic energy, the voltage ratio is kept constant when the optical parameters are not changed. While a charged particle is in an electric field force acts upon it. The faster the particle the smaller the accumulated impulse. For a collimated beam the focal length is given as the initial impulse divided by the accumulated (perpendicular) impulse by the lens. This makes the focal length of a single lens a function of the second order of the speed of the charged particle. Single lenses as known from photonics are not easily available for electrons. The cylinder lens consists of defocusing lens, a focusing lens and a second defocusing lens, with the sum of their refractive powers being zero. But because there is some distance between the lenses, the electron makes three turns and hits the focusing lens at a position farther away from the axis and so travels through a field with greater strength. This indirectness leads to the fact that the resulting refractive power is the square of the refractive power of a single lens.
Одиночная линза
Одиночная линза — это электростатическая линза, фокусирующая пучок без изменения его энергии. Она состоит из трех или более последовательно расположенных вдоль оси наборов цилиндрических или прямоугольных трубок.
An einzel lens is an electrostatic lens that focuses without changing the energy of the beam. It consists of three or more sets of cylindrical or rectangular tubes in series along an axis.
Квадропольная линза
Квадропольная линза состоит из двух одиночных квадрополей, развернутых друг относительно друга на 90°. Если принять z за оптическую ось, то можно независимо для осей x и y вывести, что преломляющая сила снова равна квадрату преломляющей силы одиночной линзы. Магнитный квадрополь работает очень похоже на электрический квадрополь, однако сила Лоренца возрастает со скоростью заряженной частицы. Подобно фильтру Вина, комбинированный магнитный и электрический квадрополь является ахроматическим вблизи определенной скорости. Бор и Паули утверждают, что эта линза вызывает аберрацию при использовании с ионами, обладающими спином (в смысле хроматической аберрации), но не при использовании с электронами, которые также имеют спин. См. эксперимент Штерна — Герлаха.
The quadrupole lens consists of two single quadrupoles turned 90° with respect to each other. Let z be the optical axis then one can deduce separately for the x and the y axis that the refractive power is again the square of the refractive power of a single lens. A magnetic quadrupole works very similar to an electric quadrupole, however the Lorentz force increases with the velocity of the charged particle. In spirit of a Wien filter, a combined magnetic, electric quadrupole is achromatic around a given velocity. Bohr and Pauli claim that this lens leads to aberration when applied to ions with spin (in the sense of chromatic aberration), but not when applied to electrons which also have a spin. See Stern–Gerlach experiment.
Магнитная линза
Магнитное поле также может быть использовано для фокусировки заряженных частиц. Сила Лоренца, действующая на электрон, перпендикулярна как направлению движения, так и направлению магнитного поля (vxB). Однородное поле отклоняет заряженные частицы, но не фокусирует их. Простейшая магнитная линза представляет собой катушку в форме пончика, через которую проходит пучок, предпочтительно вдоль оси катушки. Для создания магнитного поля через катушку пропускают электрический ток. Магнитное поле наиболее сильное в плоскости катушки и ослабевает по мере удаления от неё. В плоскости катушки поле усиливается при удалении от оси. Таким образом, заряженная частица, находящаяся дальше от оси, испытывает большую силу Лоренца, чем частица, находящаяся ближе к оси (при условии, что они имеют одинаковую скорость). Это и обеспечивает фокусировку. В отличие от траекторий в электростатической линзе, траектории в магнитной линзе имеют спиральную составляющую, то есть заряженные частицы спирально движутся вокруг оптической оси. Как следствие, изображение, сформированное магнитной линзой, повернуто относительно объекта. Такого поворота нет в электростатической линзе. Пространственное распределение магнитного поля можно контролировать, используя магнитную цепь из железа (или другого магнитно-мягкого материала). Это позволяет проектировать и создавать более компактные магнитные линзы с чётко определёнными оптическими свойствами. Подавляющее большинство электронных микроскопов, используемых сегодня, применяют магнитные линзы благодаря их превосходным характеристикам формирования изображения и отсутствию высоких напряжений, необходимых для электростатических линз.
A magnetic field can also be used to focus charged particles. The Lorentz force acting on the electron is perpendicular to both the direction of motion and to the direction of the magnetic field (vxB). A homogeneous field deflects charged particles, but does not focus them. The simplest magnetic lens is a donut shaped coil through which the beam passes, preferably along the axis of the coil. To generate the magnetic field, an electric current is passed through the coil. The magnetic field is strongest in the plane of the coil and gets weaker moving away from it. In the plane of the coil, the field gets stronger as we move away from the axis. Thus, a charged particle further from the axis experiences a stronger Lorentz force than a particle closer to the axis (assuming that they have the same velocity). This gives rise to the focusing action. Unlike the paths in an electrostatic lens, the paths in a magnetic lens contain a spiraling component, i. e. the charged particles spiral around the optical axis. As a consequence, the image formed by a magnetic lens is rotated relative to the object. This rotation is absent for an electrostatic lens. The spatial extent of the magnetic field can be controlled by using an iron (or other magnetically soft material) magnetic circuit. This makes it possible to design and build more compact magnetic lenses with well defined optical properties. The vast majority of electron microscopes in use today use magnetic lenses due to their superior imaging properties and the absence of the high voltages that are required for electrostatic lenses.
Электроспектроскопия
Недавнее развитие электронной спектроскопии делает возможным изучение электронной структуры молекул. Хотя это в основном достигается с помощью электронных анализаторов, электростатические линзы также играют важную роль в развитии электронной спектроскопии. Поскольку электронная спектроскопия регистрирует различные физические явления, связанные с электронами, испускаемыми образцами, необходимо обеспечить транспортировку этих электронов к электронному анализатору. Электростатические линзы соответствуют общим свойствам линз.
The recent development of electron spectroscopy makes it possible to reveal the electronic structures of molecules. Although this is mainly accomplished by electron analysers, electrostatic lenses also play a significant role in the development of electron spectroscopy. Since electron spectroscopy detects several physical phenomena from the electrons emitted from samples, it is necessary to transport the electrons to the electron analyser. Electrostatic lenses satisfy the general properties of lenses.