симметрии. В случае же магнитных полей для этого применяются катушки, обтекаемые током, чаще всего оснащаемые магнитопроводами, имеющими осевую симметрию.

Конфигурация элементов, образующих электронно-оптические системы аксиально-симметричного типа, может быть весьма разнообразной, но среди них можно выделить типичные и наиболее часто встречающиеся, которые и будут рассмотрены далее. Наряду с аксиально-симметричными используются в ряде случаев поля, и не обладающие осевой симметрией (цилиндрические, квадрупольные, периодические фокусирующие системы), однако подробное их рассмотрение выходит за рамки данного курса.

3.2. Электростатические линзы

На электрон, находящийся в электрическом поле, действует сила F = еЕ. Электрон, попадающий в поле в направлении его силовых линий, движется прямолинейно, если же вектор скорости электрона и силовые линии поля образуют некоторый угол, то траекторией движения электрона является парабола. Таким образом, уже в однородном электрическом поле происходит

преобразование электронного потока с хаотическим угловым распределением в параллельный поток электронов (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Преобразование электронного пучка в однородном электрическом

поле

3.2.1. Диафрагма с круглым отверстием

Простейшей электронной линзой является диафрагма с круглым отверстием радиусом R, помещенная между плоскопараллельными электродами с потенциалами U1 и U2. Если R значительно меньше d1 и d2 (расстояние между плоскостями и диафрагмой), то вдали от диафрагмы поле

будет однородным и его напряженность определится потенциалами соответствующих электродов и расстоянием между ними.

В некоторой же области вдоль оси z будет иметь место провисание

эквипотенциальных линий из области с большей напряженностью поля в область с меньшей напряженностью. Это соответствует образованию в области диафрагмы электронной линзы.

47

При этом возможны два случая фокусировки (рис. 3.2). В первом случае напряженность поля Е1 в пространстве слева от диафрагмы меньше, чем величина напряженности поля Е2 справа от нее. Такая электронная линза

Следует отметить, что однородные поля, примыкающие к линзе- диафрагме, в какой-то степени расфокусируют пучки и создают трудности для получения четкого изображения. Поэтому как самостоятельные элементы электронно-оптических систем диафрагмы применяются редко и

используются главным образом лишь как составные части более сложных устройств.

Рис. 3.2. Диафрагма с круглым отверстием: а) собирающая; б) рассеивающая.

3.2.2. Иммерсионная линза

Иммерсионной электронной линзой называется линза, у которой электронно-оптические показатели преломления, а, следовательно, и потенциалы справа и слева от линзы постоянны, но не равны (рис. 3.3). Такая линза может быть образована двумя диафрагмами с разными потенциалами, комбинацией цилиндра и диафрагмы, двух цилиндров и т.д. Во всех случаях между электродами, образующими линзу и имеющими различные потенциалы U1 и U2 создается аксиально-симметричное поле, являющееся электронной линзой. Можно отметить следующие свойства иммерсионных линз. Во-первых, такие линзы являются всегда собирающими. Во-вторых, они несимметричны, т.е. их фокусные расстояния f1 и f2 не равны и относятся

как

48

Кроме того, иммерсионная линза, создавая изображение, изменяет энергию электронного пучка.

Рис. 3.3. Схема иммерсионной линзы

На практике применяются, как правило, толстые иммерсионные линзы. (Отметим, что толстой называется линза, в которой протяженность действия электрического поля больше фокусного расстояния; противоположный случай соответствует тонкой линзе.)

С оптической точки зрения поле линзы состоит из двух частей – собирающей и рассеивающей, взаимное положение их определяется величинами соответствующих потенциалов. Результирующее собирающее действие иммерсионной линзы качественно вытекает из того факта, что в

любом случае электроны проходят собирающую область поля линзы с меньшими скоростями, чем рассеивающую.

3.2.3. Одиночная линза

Под одиночной линзой в электронной оптике понимается область аксиально-симметричного поля, у которого электронно-оптические показатели преломления, а, следовательно, и потенциалы справа и слева от линзы постоянны и равны между собой. Одиночная линза может быть

образована различными комбинациями из трех коаксиальных цилиндров (диафрагм). Некоторые примеры одиночных линз изображены на рис. 3.4.

Одиночная линза, также как и иммерсионная, всегда является собирающей. Кроме того, она симметрична, т.е. f1 = f2. Одиночная линза формирует изображение, не изменяя энергии электронного луча. Общее собирающее действие одиночной линзы объясняется тем, что, как и в случае иммерсионной линзы, электроны проходят собирающую область поля с меньшими скоростями, чем рассеивающую. На рис. 3.5 приведена

зависимость оптической силы линзы от отношения потенциалов среднего и крайнего электродов при постоянной величине U1.

Видно, что оптическая сила линзы растет гораздо быстрее в случае, когда U2 < U1, поэтому одиночные линзы, как правило, используются в этом режиме. При постоянной величине U2/U1 оптическая сила одиночной линзы зависит, главным образом, от расстояния между электродами и диаметра отверстия в среднем электроде, увеличиваясь с их уменьшением. Одиночные линзы, обычно толстые, находят широкое применение в электронно-лучевых приборах. Так, например, в электронных микроскопах при разности

49

потенциалов на электродах порядка нескольких киловольт можно получить линзы с фокусным расстоянием порядка нескольких миллиметров.

3.2.4. Иммерсионный объектив

Под иммерсионным объективом или катодной линзой понимают комбинацию электронной линзы с источником электронов – катодом. Если

перед катодом поместить диафрагму и подать на нее положительный потенциал, то получится простейший иммерсионный объектив, обладающий рассеивающим действием. Если необходимо сфокусировать электронный поток, то диафрагма, называемая модулятором, имеет небольшой отрицательный потенциал относительно катода (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Иммерсионный объектив

В такой системе поле в области модулятора-диафрагмы будет обладать собирающим действием, а в области анода – рассеивающим. Однако общее действие такого объектива будет собирающим, так как в первой области скорость электронов, испускаемых катодом, значительно меньше скоростей, набираемых ими в поле линзы при подходе к рассеивающей области.

50