Электростатическая линза — это устройство, которое помогает в транспортировке заряженных частиц. [1] [2] [3] Например, она может направлять электроны, испускаемые образцом, в электронный анализатор , аналогично тому, как оптическая линза помогает в транспортировке света в оптическом приборе. Системы электростатических линз могут быть спроектированы так же, как оптические линзы, поэтому электростатические линзы легко увеличивают или сводят траектории электронов. Электростатическую линзу также можно использовать для фокусировки ионного пучка, например, для создания микропучка для облучения отдельных клеток .
Цилиндрическая линза состоит из нескольких цилиндров, боковые стороны которых представляют собой тонкие стенки. Каждый цилиндр выстраивается параллельно оптической оси, в которую входят электроны. Между цилиндрами имеются небольшие зазоры. Когда каждый цилиндр имеет разное напряжение, зазор между цилиндрами работает как линза. Увеличение можно изменять, выбирая различные комбинации напряжений. Хотя увеличение двух цилиндрических линз может быть изменено, фокусная точка также изменяется этой операцией. Три цилиндрические линзы достигают изменения увеличения, удерживая положение объекта и изображения, поскольку имеются два зазора, которые работают как линзы. Хотя напряжения должны изменяться в зависимости от кинетической энергии электронов , соотношение напряжений сохраняется постоянным, когда оптические параметры не изменяются.
Пока заряженная частица находится в электрическом поле, на нее действует сила. Чем быстрее частица, тем меньше накопленный импульс. Для коллимированного пучка фокусное расстояние задается как начальный импульс, деленный на накопленный (перпендикулярный) импульс линзой. Это делает фокусное расстояние одиночной линзы функцией второго порядка скорости заряженной частицы. Одиночные линзы, как известно из фотоники, нелегко доступны для электронов.
Цилиндрическая линза состоит из дефокусирующей линзы, фокусирующей линзы и второй дефокусирующей линзы, сумма преломляющих сил которых равна нулю. Но поскольку между линзами есть некоторое расстояние, электрон делает три оборота и попадает в фокусирующую линзу в положении, более удаленном от оси, и таким образом проходит через поле с большей силой. Эта непрямота приводит к тому, что результирующая преломляющая сила является квадратом преломляющей силы одной линзы.
Линза Эйнцеля — это электростатическая линза, которая фокусирует, не изменяя энергию луча. Она состоит из трех или более наборов цилиндрических или прямоугольных трубок, расположенных последовательно вдоль оси.
Квадрупольная линза состоит из двух отдельных квадруполей, повернутых на 90° относительно друг друга. Пусть z будет оптической осью, тогда можно вывести отдельно для осей x и y, что преломляющая способность снова является квадратом преломляющей способности одной линзы. [4]
Магнитный квадруполь работает очень похоже на электрический квадруполь, однако сила Лоренца увеличивается со скоростью заряженной частицы. В духе фильтра Вина , комбинированный магнитный, электрический квадруполь ахроматичен вокруг заданной скорости. Бор и Паули утверждают, что эта линза приводит к аберрации при применении к ионам со спином (в смысле хроматической аберрации), но не при применении к электронам, которые также имеют спин. См. эксперимент Штерна–Герлаха .
Магнитное поле также может использоваться для фокусировки заряженных частиц. Сила Лоренца, действующая на электрон, перпендикулярна как направлению движения, так и направлению магнитного поля ( v x B ). Однородное поле отклоняет заряженные частицы, но не фокусирует их. Простейшая магнитная линза представляет собой катушку в форме бублика, через которую проходит луч, предпочтительно вдоль оси катушки. Для создания магнитного поля через катушку пропускается электрический ток. Магнитное поле сильнее всего в плоскости катушки и слабеет по мере удаления от нее. В плоскости катушки поле усиливается по мере удаления от оси. Таким образом, заряженная частица, находящаяся дальше от оси, испытывает более сильную силу Лоренца, чем частица, находящаяся ближе к оси (при условии, что они имеют одинаковую скорость). Это приводит к фокусирующему действию. В отличие от траекторий в электростатической линзе, траектории в магнитной линзе содержат спиральную компоненту, т. е. заряженные частицы вращаются по спирали вокруг оптической оси. В результате изображение, формируемое магнитной линзой, поворачивается относительно объекта. Это вращение отсутствует для электростатической линзы. Пространственная протяженность магнитного поля может контролироваться с помощью магнитной цепи из железа (или другого магнитно-мягкого материала). Это позволяет проектировать и создавать более компактные магнитные линзы с четко определенными оптическими свойствами. Подавляющее большинство электронных микроскопов, используемых сегодня, используют магнитные линзы из-за их превосходных свойств изображения и отсутствия высоких напряжений, которые требуются для электростатических линз.
Мультиполи за пределами квадруполя могут корректировать сферическую аберрацию, а в ускорителях частиц дипольные поворотные магниты на самом деле состоят из большого числа элементов с различными суперпозициями мультиполей.
Обычно зависимость дается для самой кинетической энергии в зависимости от мощности скорости. Так, для электростатической линзы фокусное расстояние изменяется со второй степенью кинетической энергии, тогда как для магнитостатической линзы фокусное расстояние изменяется пропорционально кинетической энергии. А комбинированный квадруполь может быть ахроматичным вокруг заданной энергии.
Если распределение частиц с различной кинетической энергией ускоряется продольным электрическим полем, то относительный разброс энергии уменьшается, что приводит к меньшей хроматической ошибке. Примером этого является электронный микроскоп .
Недавнее развитие электронной спектроскопии позволяет выявлять электронные структуры молекул . Хотя это в основном достигается с помощью электронных анализаторов, электростатические линзы также играют значительную роль в развитии электронной спектроскопии.
Поскольку электронная спектроскопия обнаруживает несколько физических явлений из электронов, испускаемых образцами, необходимо транспортировать электроны в электронный анализатор. Электростатические линзы удовлетворяют общим свойствам линз.