电子光学基础新.ppt

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1、课堂要点：1.电子波有何特性，加速电压＞30KV时，计算波长要考虑什么影响？2.电子枪有几种？分别有什么特性？3.电磁透镜的像差是怎样产生的，如何消除和减小像差？4.影响电磁透镜分辨率的主要原因是什么？如何提高分辨率？§2－1电子射线的特性电子是具有一定质量、带有一定电荷的基本粒子。和可见光相似，运动的电子具有粒子性与波动性。根据德布罗意的观点，每一运动着的微观粒子都有一个波与之相对应，这个波的波长与粒子运动速度、粒子质量之间存在着特定的关系。一.电子的波粒两相性德布罗意波－物质波h－普朗克常数公式表述了电子的波动性和粒子性之间的关系。二.电子波的波长从公式可知，波长是速度V的函数，速度越大

2、，波长越短。电子波的波长取决于电子运动速度V，而电子运动速度V受加速电子运动的电压U所控制。电子的运动速度一个初速为0的电子eUV在加速电压U作用下获得了运动速度V加速电压U和运动速度V之间的关系为电子波长的一般计算公式U加速电压（V）,λ电子波长（Å）h普朗克常数（J.S）e电荷的电量（C）m0电荷静止时的质量（Kg）电压≤30kV的波长公式公式说明：电子波长与加速电压的平方根成反比，加速电压越高，电子波长越短。注意：当U＞30kV时电子运动速度接近光速，即V≈C，这时电子质量m随着运动速度的增加而增大，m≠m0，上式不再适用，引入相对论进行修正。电压＞30KV时波长的计算公式相对论修正系

3、数加速电压＞30kV时电子波的波长不同加速电压下电子波的波长（经相对论修正）加速电压kV751002005001000电子波长Å0.0430.0370.0250.0140.007§2－2电子枪电子枪是产生电子束的装置，有两种类型1.热电子发射型发夹式钨灯丝高亮度LaB6单晶灯丝2.场发射型冷阴极场发射型热阴极场发射型1.热电子发射电子枪（1）阴极：发射电子。一般是由0.03-0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。阴极带有负高压。（2）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是阳极接地。（3）栅极：控制、稳定电子束流大小。阴极、阳极和栅极决定着电子发射的数目及其动能。热电子发射型电子枪电子枪有

4、三个极阴极（灯丝）控制极（栅极）阳极（加速极）三极电位关系阴极上加负高压（负几十kV~负几百kV）栅极比阴极更负（负100V~负500V）阳极是零电位。电子枪的构成LaB6单晶灯丝电子枪的工作原理2.场发射型电子枪场发射：在金属表面加一个强电场，金属表面的势垒就变浅，金属内部的电子穿过势垒从金属表面发射出来的现象。场发射型电子枪无栅极。它由一个阴极和两个阳极所组成，第一阳极施加一个低电压（相对于第二阳极来说），只有几kV，用以将阴极上的自由电子吸引出来，第二阳极上施加极高电压，100kV甚至更高，将自由电子加速到发射电子束流的程度。场发射型电子枪阴极场发射式电子枪的优、缺点优点：电子束斑细，

5、较钨丝阴极（大于104nm）缩小了３个数量级。发光效率高，较钨丝阴极（106A/cm2·s）提高了３个数量级。缺点：要求更高的真空度。造价昂贵，使用寿命2000h。§2－3电磁透镜电子是带负电的粒子，在电场力或者磁场力的作用下会发生偏折，用通电线圈产生磁场使电子线聚焦成像的装置叫电磁透镜。1.电磁透镜的结构首先看一下电子在匀强磁场中的运动电子在匀强磁场中的运动e①V平行于磁力线，e匀速直线运动②V垂直于磁力线,e做匀速圆周运动电子在匀强磁场中的运动P③V与磁力线斜交,e做圆锥螺旋线运动电子在匀强磁场中的运动有软铁壳的电磁透镜c)电子在磁透镜中的运动轨迹有极靴的电磁透镜电磁线圈电磁线圈包上铁壳

6、电磁线圈包上铁壳装配极靴带铁壳和极靴的电磁透镜剖面图OzO’电磁透镜部件图电磁线圈与极靴有极靴B（z）没有极靴无铁壳z磁感应强度分布图2.电磁透镜的像差电磁透镜的像差几何像差色差几何像差是透镜磁场几何形状缺陷所造成的，主要有球差和像散。色差是电子波的波长和能量发生一定变化所造成的。（1）球差：透镜的远轴区和近轴区对电子的折射能力不同所造成。远轴区对电子的折射能力强，近轴区对电子的折射能力弱。一个物点散射的电子经过透镜后不是被汇聚在一个像点上，而是汇聚在一定的轴向距离上，结果一个物点在像平面上得到一个散焦圆斑。散焦圆斑的直径2Rs。2Rs/M折算到物平面上Δrs＝Rs/M物镜像平面ⅡP像平面Ⅰ

7、最小散焦斑2Rs2△rs远轴区近轴区式中：Cs是球差系数（定数）α是磁透镜的孔径半角球差引起的散焦斑半径Δrs表示球差的大小,α越小,Δrs越小，透镜的分辨率越高。注意：球差是制造缺陷。（2）像散透镜磁场非旋转对称引起的（由于极靴圆孔的椭圆度，上下极靴不同轴，材料各向导磁率的差异，局部污染等）。结果使得磁透镜在相同径向距离，不同方向上的聚焦能力出现差别，结果象球差一样，一个物点散射的电子经过透镜后，在像平面上