1.5.4. Конструкции магнитных линз.

Важнейшее практическое применение магнитные линзы находят в электронной микроскопии. Одна из существенных методических задач при их конструировании, также как и в обычной оптике, это разработка короткофокусных электронных линз. Согласно равенству (50.4) фокусное расстояние f≈1/B²l, где l –протяженность магнитного поля на оптической оси z. Из курса общей физики известно, что индукция магнитного поля на оси бесконечно тонкого кольцевого тока с силой NI (все витки соленоида собраны в точку, т.е. L/R 0) равна:

, (51.4)

где N-полное число витков соленоида; I-сила тока в витке; R-радиус витков.

Следовательно, фокусное расстояние тонкой магнитной линзы на основе короткого соленоида пропорционально его радиусу и обратно пропорционально квадрату числа ампер витков. Поскольку уменьшать длину соленоида с большим числом ампер витков (NI) сильно нельзя, то используют бронирование катушек (соленоидов) железным панцирем с узким кольцевым зазором с внутренней стороны соленоида.

На рис. 22.5,а показана схема устройства магнитной линзы стандартной конструкции. Она состоит из катушек намотанных медной проволокой симметрично относительно оптической оси (т.е. оси электронного пучка) и окруженных оболочкой (панцирем) из магнитно - мягкого железа с узким зазором внутри катушки, в котором создается фокусирующее поле. Цилиндрические части линзы из железа по обе стороны от зазора называют полюсными наконечниками. Через обмотку линзы течет постоянный ток, величина которого и определяет оптическую силу линзы.

а б

Рис. 23.4, а). Магнитная электронная линза стандартной конструкции; 1-электронный пучок; 2-железный панцирь (экран); 3-обмотка из медной проволоки. б). Полюсные наконечники магнитной линзы.

При изучении свойств таких линз установлено, что их фокусное расстояние можно выразить следующей эмпирической формулой:

f= , (52.4)

где D-диаметр отверстия полюсных наконечников; S-ширина зазора между ними (рис. 22.5,б). Параметр возбуждения линзы: К=(NI)²/U, где U-ускоряющая разность потенциалов. Коэффициент k-почти не зависит от величины S/D, но изменяется при изменении К. Например для К=100. k=36, а для K=10, k=24. Типичные параметры таких линз используемых в формирующей системе: N=1000, I=1A, K=33. Следовательно, если при 30 кВ необходимо иметь фокусное расстояние 20 мм, размеры полюсных наконечников должны соответствовать (S+D)=20 мм. Линзы стандартной конструкции с полюсными наконечниками одинакового диаметра (рис. 22.5) обычно используют в качестве конденсоров для формирования электронного пучка.

Определенные преимущества имеют линзы с большой разницей в диаметре верхних и нижних полюсных наконечников (рис.23.5,а). Такие линзы создают слабое магнитное поле на поверхности образца, что облегчает сбор медленных вторичных электронов, которые можно использовать для растрового изображения поверхности. Большой диаметр верхнего полюсного наконечника выгоден также с точки зрения размещения отклоняющих катушек системы сканирования. Другим преимуществом линзы является то, что её эффективный центр лежит близко к передней поверхности линзы, в результате при данном фокусном расстоянии имеется больше пространства между образцом и линзой.

а б

Рис.24.4. а). Магнитная линза с малым отверстием в нижнем полюсном наконечнике.

б). Объективная магнитная линза с разделенными полюсами.

В отличие от линз стандартной конструкции объектные линзы являются сильными линзами (т.е. короткофокусными). Они являются наиболее важными в просвечивающих электронных микроскопах (ПЭМ). Наиболее распространенными являются линзы с разделенными полюсами (рис. 23.5,б), в которых верхний и нижний полюсный наконечники имеет свои собственные катушки управление током, в которых, происходит независимо. Пространство, занимаемое обмотками магнитных линз, можно уменьшить, пропуская большой ток через обмотку с относительно малым числом витков. Однако линзы такой конструкции требуют водяного охлаждения и не имеют железного экрана, который в обычной линзе способствует устранению неоднородностей магнитного поля. Вследствие этого необходима очень высокая точность при изготовлении катушек линзы. Наиболее перспективными в разработке компактных микроскопов с очень высоким разрешением, являются линзы с использованием сверхпроводящих обмоток.