电子显微1-电磁透镜概览.ppt

* * 电子光学与几何光学 成像介质：几何光学——利用光学透镜 会聚 光线 电子光学——利用电场、磁场 会聚 电子束 折 射 面：几何光学——利用旋转对称面（如球面） 电子光学——利用旋转对称电磁场产生的等位面 表征参量：几何光学——光传播路径—光线—焦点、焦距 电子光学——电子运动轨迹—射线—焦点、焦距 电镜中电子光学系统的附加限制条件 2.电子轨迹相对于旋转对称轴斜率极小，即张角很小，一般为10-2 ~ 10-3rad 1.电子轨迹离轴距离很小，远小于电子束沿轴距离 电、磁场与时间无关，且处于真空中，即真空中静场； 忽略电子束本身的空间电荷和电流分布； 入射电子束轨迹必须满足离轴条件： 电子透镜比较 1）电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力，使其会聚或发散，从而达到成象的目的。 由静电场制成的透镜—— 静电透镜 由磁场制成的透镜 —— 磁透镜 2）磁透镜和静电透镜相比有如下的优点 注：目前电子显微镜的物镜主要是磁透镜 磁透镜 静电透镜 1. 改变线圈中的电流强度可很方便的控制焦距和放大率； 2. 无击穿，供给磁透镜线圈的电压为60到100伏； 3. 像差小。 1. 需改变很高的加速电压才可改变焦距和放大率； 2. 静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿； 3. 像差较大。 一、电子在静电场中的运动 电场加速作用： 加速电压大小决定电子运动的速度！ 当电子运动方向与电场方向不在一条直线上，电场力的作用不仅改变电子运动的能量，而且也改变电子的运动方向 折射作用： 初速度为0，零电位--→V电位 ——电场使运动电子发生折射 ——电子光学折射定律 电子在电场中的运动与静电透镜 等电位区的电位分别为V1 、V2 电子在V1 、V2电位区中运动轨迹为直线 从V1区进入V2区，通过等位面AB时，运动方向突变 ∵电场对电子作用力方向沿等电位面法线，低电位指向高电位 ∴沿切线方向电场力分量=0 则： 切向速度分量保持不变 ---→ 等式方程 V1 θ γ V2 A B v2 v1 起始点电位为0 电子初速度为0 说明：等位面对电子起到折射作用。 由低入高，则电子轨迹趋向法线；若由高入低，则远离法线。 V1 θ γ V2 A B v2 v1 静电透镜的两种形式：二极式 三极式 与一定形状的光学介质界面（如玻璃凸透镜的旋转对称弯曲折射界面）可以使光线聚焦成像相似， 一定形状的等电位曲面簇也可使电子束聚焦成像。 产生这种旋转对称等电位曲面簇的电极装置即为静电透镜。 静电透镜 阴极尖端附近的自由电子在阳极作用下获得加速度； 控制极附近的电场(推着电子)对电子起会聚作用； 阳极附近的电场对电子有“拉”作用，即有发散作用，但因这时电子的速度很大，所以发散作用较小。 静电透镜结构——由电极组成 ● 阴极: 零电位 ● 阳极: 正电位 ● 控制极: 负电位 电子在阳极附近，如B点： F→Fz,Fr (Fr背离对称轴的方向) 发散作用。 但由于电子的速度已经很大，故发散作用较小。 静电透镜——受力分析 电子在控制极附近时(A点)： 电场强度矢量E垂直于电场等位面，指向电位低的方向，电子受到的作用力F与E的方向相反： F→Fz,Fr (Fz 平行轴, Fr指向轴) 电场力使电子向轴靠近，会聚作用。 A B 静电透镜——结论 会聚作用大于发散作用：静电透镜总是会聚透镜； 静电透镜需要强电场，在镜筒内容易导致击穿和弧光放电：因此电场强度不能太高，静电透镜焦距较长，不能很好的矫正球差； 主要用于电子枪中，使电子束会聚成形。 电子在磁场中运动，受到磁场的作用力—洛仑兹力(左手定则)： 电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况： 平行： 电子不受磁场影响； 垂直： 电子在与磁场垂直的平面做匀速圆周运动； 交角θ：电子运动轨迹是一螺旋线。 电子在磁场中的运动 电子在磁场中的运动与电磁透镜 A点和C点位置的受力分解 A Bz Br Ft V V B Br C Bz Br B Ft Vt Bz 电子的轨迹是： 即旋转又折射 磁透镜 短线圈磁透镜 包壳磁透镜 极靴磁透镜 特殊磁透镜 例如：轴对称磁场系统(通电流的圆柱形线圈) 旋转对称的磁场对电子束有聚焦成像作用，产生这种旋转对称磁场的线圈装置。 短磁透镜 短磁透镜 磁场沿轴延伸的范围远小于焦