soczewka elektronowa

soczewka elektronowa,

odpowiednio ukształtowany obszar pola magnet. (s.e. magnetyczna) lub pola elektr. (s.e. elektrostatyczna) skupiający przechodzącą przezeń wiązkę obdarzonych ładunkiem cząstek (elektronów, jonów); działa w podobny sposób jak soczewka szklana, skupiająca wiązkę promieni świetlnych.

Do wytworzenia s.e. magnetycznych o symetrii osiowej wykorzystuje się cewki elektr., osłonięte płaszczem z materiału magnet., z nabiegunnikami składającymi się z 2 części i koncentrującymi pole magnet. w niewielkiej przerwie między tymi częściami. Ogniskowe magnet. s.e. są proporcjonalne do masy elektronu (lub innej naładowanej cząstki) i do napięcia przyspieszającego, a odwrotnie proporcjonalne do strumienia indukcji magnetycznej. Skonstruowanie s.e. magnet. o krótkiej ogniskowej wymaga stosowania silnych pól magnet., czyli cewek o bardzo dużej liczbie zwojów, przez które płynie prąd elektr. o dużym natężeniu. Obudowa cewek musi więc być zwykle chłodzona wodą. S.e. magnet. nie stosuje się do skupiania wiązek jonów (ich ogniskowe byłyby za duże). Współczesne s.e. magnet., stosowane np. w mikroskopach elektronowych, mają ogniskowe rzędu 1 mm. Ponieważ siła Lorentza działająca na naładowaną cząstkę, poruszającą się w polu magnet., ma kierunek prostopadły zarówno do wektora prędkości cząstki, jak i do wektora indukcji magnet., tory elektronów w s.e. magnet. są spiralne i nie leżą w jednej płaszczyźnie (inaczej niż tory promieni świetlnych w soczewce szklanej). Tworzony przez s.e. obraz jest zatem nie tylko powiększony, ale i obrócony względem przedmiotu o pewien kąt, zależny od wielkości pola magnetycznego. Z praw Maxwella wynika, że osiowosymetryczne s.e. mogą być jedynie soczewkami skupiającymi. Nie można zatem, tak jak w optyce świetlnej, minimalizować aberracji sferycznej poprzez łączenie soczewek skupiających i rozpraszających. Dla zmniejszenia szkodliwego wpływu s.e. na obraz stosuje się bardzo małe przesłony (o średnicach od kilku do kilkudziesięciu µm).

Innym rodzajem magnet. s.e. są pola magnet. wytwarzane przez tzw. układy wielobiegunowe (multipole — kwadrupole, sextupole, oktupole), w postaci symetrycznie rozmieszczonych par cewek elektr.; osie cewek są prostopadłe do osi opt. s.e. (średniego kierunku wiązki elektronów). Soczewki te nie mają symetrii osiowej, ich ogniskowe są zazwyczaj większe niż s.e. z nabiegunnikami. Umożliwiają one korygowanie aberracji sferycznej pochodzącej z działania s.e. z nabiegunnikami i z tego względu są coraz częściej stosowane w układach elektronoopt. nowoczesnych mikroskopów elektronowych.

Dużo rzadziej stosuje się s.e. z uzwojeniami nadprzewodzącymi.

Układy stosowane do wytwarzania s.e. elektrostatycznych mają wiele odmian konstrukcyjnych. Często stosuje się układ zawierający 3 elektrody (w postaci metal. przesłon z otworami), z których 2 zewn. są uziemione lub mają potencjał dodatni, a środkowa ma duży potencjał ujemny. Ogniskowe takich soczewek są wprost proporcjonalne do średnicy otworu centralnej elektrody i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu różnicy potencjałów między elektrodami skrajnymi i środkową, nie zależą natomiast od masy przechodzących przez soczewki cząstek. Dlatego też są stosowane do kształtowania wiązek jonów.

Opisem własności s.e. i układów odchylających tory cząstek zajmuje się optyka elektronowa. S.e. stosuje się m.in.: w kineskopach, mikroskopach elektronowych, spektrometrach jonów wtórnych, urządzeniach do elektronolitografii, polerkach jonowych.

Skupiające działanie cewek elektr. odkrył 1926 niem. fizyk H. Busch i już na pocz. lat 30. XX w. użyto ich do budowy pierwszych mikroskopów elektronowych (E. Ruska). Pierwsze soczewki elektrostatyczne otrzymali 1932 H. Brüche i H. Johannson; stosowano je w niektórych mikroskopach elektronowych, okazały się jednak niepraktyczne z uwagi na szybkie zanieczyszczanie się maleńkich przesłon.

Jan Kozubowski