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静電レンズは荷電粒子の輸送を補助する装置である。[1] [2] [3]例えば、光学レンズが光学機器内で光の輸送を補助するのと同様に、静電レンズはサンプルから放出された電子を電子分析装置に導くことができる。静電レンズのシステムは光学レンズと同じように設計できるため、静電レンズは電子の軌道を簡単に拡大または収束させることができる。静電レンズはイオンビームを集束させるためにも使用でき、例えば個々の細胞を照射するためのマイクロビームを作ることができる。
シリンダーレンズ
シリンダーレンズは、側面が薄い壁の複数のシリンダーで構成されています。各シリンダーは、電子が入射する光軸と平行に並んでいます。シリンダーの間には小さな隙間があります。各シリンダーに異なる電圧をかけると、シリンダー間の隙間がレンズとして機能します。異なる電圧の組み合わせを選択することで、倍率を変更できます。2つのシリンダーレンズの倍率は変更できますが、この操作によって焦点も変わります。3 つのシリンダーレンズでは、レンズとして機能する 2 つの隙間があるため、物体と像の位置を保持しながら倍率を変更できます。電圧は電子の運動エネルギーに応じて変更する必要がありますが、光学パラメータが変更されていない場合は、電圧比は一定に保たれます。
荷電粒子が電界内にある間、その粒子には力が作用します。粒子が高速であるほど、蓄積される衝撃は小さくなります。平行ビームの場合、焦点距離は、初期衝撃をレンズによる蓄積された (垂直) 衝撃で割った値として与えられます。これにより、単一レンズの焦点距離は、荷電粒子の速度の 2 次関数になります。フォトニクスで知られている単一レンズは、電子には簡単には利用できません。
シリンダーレンズは、デフォーカスレンズ、フォーカスレンズ、および 2 番目のデフォーカスレンズで構成され、それらの屈折力の合計はゼロです。ただし、レンズ間に距離があるため、電子は 3 回転して軸から離れた位置でフォーカスレンズに当たり、より強いフィールドを通過します。この間接性により、結果として得られる屈折力は、単一レンズの屈折力の 2 乗になります。
アインツェルレンズ
アインツェルレンズは、ビームのエネルギーを変えずに焦点を合わせる静電レンズです。軸に沿って直列に並んだ 3 組以上の円筒形または長方形のチューブで構成されます。
四重極レンズ
四極子レンズは、互いに90°回転した2つの四極子で構成されています。zを光軸とすると、x軸とy軸について個別に屈折力が単一のレンズの屈折力の2乗であることが推測できます。[4]
磁気四重極は電気四重極と非常によく似た働きをしますが、ローレンツ力は荷電粒子の速度とともに増大します。ウィーン フィルターの精神では、磁気四重極と電気四重極を組み合わせたものは、特定の速度付近では色収差がありません。ボーアとパウリは、このレンズをスピンを持つイオンに適用すると収差 (色収差の意味で) が生じるが、スピンを持つ電子に適用すると収差が生じないと主張しています。シュテルン・ゲルラッハの実験を参照してください。
磁気レンズ
磁場は荷電粒子を集束させるためにも使用できます。電子に作用するローレンツ力は、運動方向と磁場の方向の両方に垂直です ( v x B )。均一な磁場は荷電粒子を偏向させますが、集束はさせません。最も単純な磁気レンズはドーナツ型のコイルで、ビームはコイルの軸に沿って通過するのが望ましいです。磁場を生成するには、コイルに電流を流します。磁場はコイルの平面で最も強く、コイルから離れるほど弱くなります。コイルの平面では、軸から離れるほど磁場が強くなります。したがって、軸から遠い荷電粒子は、軸に近い粒子よりも強いローレンツ力を受けます (速度が同じであると仮定した場合)。これにより集束作用が生じます。静電レンズの経路とは異なり、磁気レンズの経路には螺旋状の要素が含まれます。つまり、荷電粒子は光軸の周りを螺旋状に回ります。その結果、磁気レンズによって形成される画像は、物体に対して回転します。この回転は静電レンズには存在しません。磁場の空間的範囲は、鉄 (または他の磁性軟質材料) の磁気回路を使用して制御できます。これにより、光学特性が明確に定義された、よりコンパクトな磁気レンズを設計および構築できます。現在使用されている電子顕微鏡の大部分は、優れた画像特性と静電レンズに必要な高電圧が不要なことから、磁気レンズを使用しています。
多極レンズ
四極子を超える多重極子は球面収差を補正することができ、粒子加速器では、双極子偏向磁石は実際には多重極子の異なる重ね合わせを持つ多数の要素で構成されています。
通常、運動エネルギー自体の依存性は速度の累乗に応じて与えられます。したがって、静電レンズの場合、焦点距離は運動エネルギーの 2 乗で変化しますが、静磁気レンズの場合、焦点距離は運動エネルギーに比例して変化します。また、複合四極子は、特定のエネルギー付近で色消しが可能です。
異なる運動エネルギーを持つ粒子の分布が縦方向の電場によって加速されると、相対的なエネルギーの広がりが減少し、色誤差が減少します。この例としては、電子顕微鏡が挙げられます。
電子分光法
電子分光法の最近の発展により、分子の電子構造を明らかにすることが可能になりました。これは主に電子分析装置によって達成されますが、静電レンズも電子分光法の発展において重要な役割を果たしています。
電子分光法は、サンプルから放出された電子からいくつかの物理現象を検出するため、電子を電子分析装置に輸送する必要があります。静電レンズは、レンズの一般的な特性を満たしています。
参照
参考文献
- ^ DWO Heddle ( 2000 年 12 月 13 日)。静電レンズシステム、第 2 版。CRCプレス。ISBN 978-1-4200-3439-4。
- ^ ジョン・オルロフ（2008年10月24日）。荷電粒子光学ハンドブック、第2版。CRC Press。ISBN 978-1-4200-4555-0。
- ^ A El-Kareh (2012 年 12 月 2 日)。電子ビーム、レンズ、光学系。エルゼビアサイエンス。ページ54–。ISBN 978-0-323-15077-4。
- ^ Joshi (2010). 工学物理学. Tata McGraw-Hill Education. ISBN 9780070704770。
さらに読む
- E. Harting、FH Read、「静電レンズ」、Elsevier、アムステルダム、1976 年。