Lente electrostática - Electrostatic lens
Una lente electrostática es un dispositivo que ayuda en el transporte de partículas cargadas. Por ejemplo, puede guiar los electrones emitidos desde una muestra a un analizador de electrones , de forma análoga a la forma en que una lente óptica ayuda en el transporte de luz en un instrumento óptico. Los sistemas de lentes electrostáticos se pueden diseñar de la misma manera que los lentes ópticos, por lo que los lentes electrostáticos amplían o convergen fácilmente las trayectorias de los electrones. También se puede usar una lente electrostática para enfocar un haz de iones, por ejemplo para hacer un microhaz para irradiar células individuales .
Lente cilíndrica
Una lente cilíndrica consta de varios cilindros cuyos lados son paredes delgadas. Cada cilindro se alinea en paralelo al eje óptico en el que entran los electrones. Hay pequeños espacios entre los cilindros. Cuando cada cilindro tiene un voltaje diferente, el espacio entre los cilindros funciona como una lente. El aumento se puede cambiar eligiendo diferentes combinaciones de voltaje. Aunque se puede cambiar el aumento de las lentes de dos cilindros, esta operación también cambia el punto focal. Las lentes de tres cilindros logran el cambio de aumento mientras sostienen el objeto y las posiciones de la imagen porque hay dos espacios que funcionan como lentes. Aunque los voltajes tienen que cambiar dependiendo de la energía cinética del electrón , la relación de voltaje se mantiene constante cuando no se cambian los parámetros ópticos.
Mientras una partícula cargada está en un campo eléctrico, la fuerza actúa sobre ella. Cuanto más rápida sea la partícula, menor será el impulso acumulado. Para un haz colimado, la distancia focal se da como el impulso inicial dividido por el impulso acumulado (perpendicular) por la lente. Esto hace que la distancia focal de una sola lente sea función del segundo orden de la velocidad de la partícula cargada. Las lentes individuales conocidas por la fotónica no están fácilmente disponibles para los electrones.
La lente cilíndrica consta de una lente de desenfoque, una lente de enfoque y una segunda lente de desenfoque, siendo la suma de sus poderes de refracción cero. Pero debido a que hay cierta distancia entre las lentes, el electrón da tres vueltas y golpea la lente de enfoque en una posición más alejada del eje y así viaja a través de un campo con mayor fuerza. Esta indirecta lleva al hecho de que el poder de refracción resultante es el cuadrado del poder de refracción de una sola lente.
Lente Einzel
Una lente einzel es una lente electrostática que enfoca sin cambiar la energía del haz. Consiste en tres o más conjuntos de tubos cilíndricos o rectangulares en serie a lo largo de un eje.
Lente cuadrupolo
La lente cuadrupolo consta de dos cuadrupolos simples girados 90 ° entre sí. Sea z el eje óptico, entonces se puede deducir por separado para el eje xy el eje y que la potencia refractiva es nuevamente el cuadrado de la potencia refractiva de una sola lente.
Un cuadrupolo magnético funciona de manera muy similar a un cuadrupolo eléctrico, sin embargo, la fuerza de Lorentz aumenta con la velocidad de la partícula cargada. En el espíritu de un filtro de Viena , un cuadrupolo eléctrico magnético combinado es acromático alrededor de una velocidad dada. Bohr y Pauli afirman que esta lente conduce a la aberración cuando se aplica a iones con espín (en el sentido de aberración cromática), pero no cuando se aplica a electrones que también tienen espín. Ver el experimento de Stern-Gerlach .
Lente magnética
También se puede utilizar un campo magnético para enfocar partículas cargadas. La fuerza de Lorentz que actúa sobre el electrón es perpendicular tanto a la dirección del movimiento como a la dirección del campo magnético ( v x B ). Un campo homogéneo desvía las partículas cargadas, pero no las enfoca. La lente magnética más simple es una bobina en forma de rosquilla a través de la cual pasa el rayo, preferiblemente a lo largo del eje de la bobina. Para generar el campo magnético, se pasa una corriente eléctrica a través de la bobina. El campo magnético es más fuerte en el plano de la bobina y se debilita al alejarse de ella. En el plano de la bobina, el campo se vuelve más fuerte a medida que nos alejamos del eje. Por lo tanto, una partícula cargada más alejada del eje experimenta una fuerza de Lorentz más fuerte que una partícula más cercana al eje (asumiendo que tienen la misma velocidad). Esto da lugar a la acción de enfoque. A diferencia de las trayectorias de una lente electrostática, las trayectorias de una lente magnética contienen un componente en espiral, es decir, las partículas cargadas giran en espiral alrededor del eje óptico. Como consecuencia, la imagen formada por una lente magnética gira con respecto al objeto. Esta rotación está ausente para una lente electrostática. La extensión espacial del campo magnético se puede controlar usando un circuito magnético de hierro (u otro material magnéticamente blando). Esto hace posible diseñar y construir lentes magnéticos más compactos con propiedades ópticas bien definidas. La gran mayoría de los microscopios electrónicos que se utilizan en la actualidad utilizan lentes magnéticos debido a sus propiedades de imagen superiores y la ausencia de los altos voltajes que se requieren para los lentes electrostáticos.
Lentes multipolares
Los múltiples polos más allá del cuadrupolo pueden corregir la aberración esférica y en los aceleradores de partículas los imanes de flexión dipolo están realmente compuestos por una gran cantidad de elementos con diferentes superposiciones de multipolos.
Por lo general, la dependencia se da para la energía cinética en sí dependiendo de la potencia de la velocidad. Entonces, para una lente electrostática, la distancia focal varía con la segunda potencia de la energía cinética, mientras que para una lente magnetostática, la distancia focal varía proporcionalmente a la energía cinética. Y un cuadrupolo combinado puede ser acromático alrededor de una energía determinada.
Si un campo eléctrico longitudinal acelera una distribución de partículas con diferentes energías cinéticas, la dispersión relativa de la energía se reduce, lo que genera menos error cromático. Un ejemplo de esto está en el microscopio electrónico .
Espectroscopía electrónica
El reciente desarrollo de la espectroscopia electrónica permite revelar las estructuras electrónicas de las moléculas . Aunque esto se logra principalmente mediante analizadores de electrones, las lentes electrostáticas también juegan un papel importante en el desarrollo de la espectroscopia electrónica.
Dado que la espectroscopía electrónica detecta varios fenómenos físicos de los electrones emitidos por las muestras, es necesario transportar los electrones al analizador de electrones. Las lentes electrostáticas satisfacen las propiedades generales de las lentes.
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- E. Harting, FH Read, Electrostatic Lenses, Elsevier, Amsterdam, 1976.