Электронная оптика - Electron optics

Магнитная линза

Электронная оптика математическая основа для расчета траекторий электронов вдоль электромагнитные поля. Период, термин оптика используется потому что магнитный и электростатический линзы действуют на пучок заряженных частиц аналогично оптические линзы на световой луч.

Расчеты электронной оптики имеют решающее значение для проектирования электронные микроскопы и ускорители частиц. в параксиальное приближение, траекторные расчеты могут быть выполнены с использованием матричный анализ переноса лучей.

An линза einzel, особый тип электростатической линзы. На этом рисунке показан путь электрона. Шесть пластин параллельны траектории полета, а средняя пластина находится под определенным потенциалом. (Эта диаграмма была сделана для положительных ионов и показывает положительное напряжение на центральной пластине. Для электронов это напряжение должно быть отрицательным.)

Электронные свойства

Электроны - это заряженные частицы (точечные сборы с масса покоя ) с вращение 1/2 (следовательно, они фермионы ). Электроны могут быть ускоренный подходящим электрический (или же магнитный ) полей, тем самым получая кинетическая энергия. При достаточном напряжении электрон может быть ускорен достаточно быстро, чтобы показать измеримый релятивистские эффекты. В соответствии с дуальность волновых частиц, электроны также можно рассматривать как волны материи с такими свойствами, как длина волны, фаза и амплитуда.

Геометрическая электронная оптика

Магнитные поля

Электроны взаимодействуют с магнитными полями согласно второму члену силы Лоренца: a перекрестное произведение между магнитным полем и скоростью электронов. В бесконечном однородном поле это приводит к круговое движение электрона вокруг направления поля с радиусом, определяемым как:

{ displaystyle r = { frac {mv _ { perp}} {eB}}}

куда р - радиус орбиты, м это масса электрона, ${ displaystyle v _ { perp}}$ - компонента скорости электрона, перпендикулярная полю, е - заряд электрона и B - величина приложенного магнитного поля. Электроны, у которых есть компонента скорости, параллельная магнитному полю, будут двигаться вдоль спиральный траектории.

Электрические поля

В случае приложения электростатического поля электрон будет отклоняться в сторону положительного градиента поля. Примечательно, что это пересечение силовых линий электростатического поля означает, что электроны, перемещаясь через электростатические поля, изменяют величину своей скорости, тогда как в магнитных полях изменяется только направление скорости.

Поскольку электроны могут проявлять нечастичные (волновые) эффекты, такие как дифракция, полный анализ путей электронов можно получить, решив Уравнение Максвелла - однако во многих ситуациях интерпретация частиц может обеспечить достаточное приближение с большим уменьшением сложности.

Еще одно свойство электронов состоит в том, что они сильно взаимодействуют с веществом, поскольку они чувствительны не только к ядру, но и к облаку электронных зарядов вещества. Следовательно, электроны требуют вакуум распространяться на любое разумное расстояние, например, желаемое в электронно-оптической системе.

Проникновение в вакуум продиктовано длина свободного пробега, мера вероятности столкновения электронов с веществом, приблизительные значения для которой могут быть получены из Статистика Пуассона.

Квантовая теория

Хотя это не очень распространено, также возможно получить эффекты магнитных структур для заряженных частиц, начиная с Уравнение Дирака.^[1]

Дифракционная электронная оптика

Субрелятивистский свободный электрон, распространяющийся в вакуум можно точно описать как де Бройль волна материи с длиной волны, обратно пропорциональной его продольному импульсу. В результате наличия заряда, переносимого электроном, электрические поля, магнитные поля или средний электростатический внутренний потенциал тонких, слабо взаимодействующих материалов могут придавать фазовый сдвиг волновому фронту электрона.^[2] С модуляцией по толщине нитрид кремния мембраны и устройства с программируемым фазовым сдвигом использовали эти свойства для применения пространственно изменяющихся фазовых сдвигов для управления пространственной интенсивностью и фазой электронной волны в дальней зоне. Подобные устройства применялись для произвольной формы электронного волнового фронта, исправления аберрации присущий электронные микроскопы, разрешите орбитальный угловой момент свободного электрона, и измерить дихроизм при взаимодействии свободных электронов с магнитными материалами или плазмонными наноструктурами.^[3]

Смотрите также

дальнейшее чтение

Хоукс, П. В. и Каспер, Э. (1994). Принципы электронной оптики. Академическая пресса. ISBN 9780080984162.
Поцци, Г. (2016). Частицы и волны в электронной оптике и микроскопии. Академическая пресса. ISBN 9780128048146.