Lente eletrostática - Electrostatic lens
Uma lente eletrostática é um dispositivo que auxilia no transporte de partículas carregadas. Por exemplo, pode guiar os elétrons emitidos de uma amostra para um analisador de elétrons , de forma análoga à forma como uma lente óptica auxilia no transporte de luz em um instrumento óptico. Os sistemas de lentes eletrostáticas podem ser projetados da mesma forma que as lentes ópticas, de modo que as lentes eletrostáticas aumentam ou convergem facilmente as trajetórias dos elétrons. Uma lente eletrostática também pode ser usada para focalizar um feixe de íons, por exemplo, para fazer um micro feixe para irradiar células individuais .
Lente do cilindro
Uma lente cilíndrica consiste em vários cilindros cujas laterais são paredes finas. Cada cilindro se alinha paralelamente ao eixo óptico no qual os elétrons entram. Existem pequenas lacunas colocadas entre os cilindros. Quando cada cilindro tem uma voltagem diferente, o intervalo entre os cilindros funciona como uma lente. A ampliação pode ser alterada escolhendo diferentes combinações de voltagem. Embora a ampliação de duas lentes cilíndricas possa ser alterada, o ponto focal também é alterado por esta operação. Três lentes cilíndricas permitem a mudança da ampliação enquanto seguram as posições do objeto e da imagem porque há duas lacunas que funcionam como lentes. Embora as tensões devam mudar dependendo da energia cinética do elétron , a relação de tensão é mantida constante quando os parâmetros ópticos não são alterados.
Enquanto uma partícula carregada está em um campo elétrico, a força atua sobre ela. Quanto mais rápida a partícula, menor é o impulso acumulado. Para um feixe colimado, o comprimento focal é dado como o impulso inicial dividido pelo impulso acumulado (perpendicular) pela lente. Isso torna a distância focal de uma única lente uma função da segunda ordem da velocidade da partícula carregada. As lentes simples, como conhecidas pela fotônica, não estão facilmente disponíveis para elétrons.
A lente cilíndrica consiste em uma lente de desfocagem, uma lente de foco e uma segunda lente de desfocagem, com a soma de seus poderes de refração sendo zero. Mas, como há alguma distância entre as lentes, o elétron dá três voltas e atinge a lente de foco em uma posição mais distante do eixo e, assim, viaja por um campo com maior força. Esse caráter indireto leva ao fato de que o poder refrativo resultante é o quadrado do poder refrativo de uma única lente.
Lente Einzel
Uma lente einzel é uma lente eletrostática que foca sem alterar a energia do feixe. Consiste em três ou mais conjuntos de tubos cilíndricos ou retangulares em série ao longo de um eixo.
Lente quadrupolo
A lente quadrupolar consiste em dois quadrupolos únicos virados 90 ° um em relação ao outro. Seja z o eixo óptico, então pode-se deduzir separadamente para os eixos xey que o poder refrativo é novamente o quadrado do poder refrativo de uma única lente.
Um quadrupolo magnético funciona de forma muito semelhante a um quadrupolo elétrico, porém a força de Lorentz aumenta com a velocidade da partícula carregada. No espírito de um filtro de Wien , um quadrupolo elétrico magnético combinado é acromático em torno de uma determinada velocidade. Bohr e Pauli afirmam que essa lente leva à aberração quando aplicada a íons com spin (no sentido de aberração cromática), mas não quando aplicada a elétrons que também têm spin. Veja o experimento Stern – Gerlach .
Lente magnética
Um campo magnético também pode ser usado para focalizar partículas carregadas. A força de Lorentz atuando no elétron é perpendicular à direção do movimento e à direção do campo magnético ( v x B ). Um campo homogêneo desvia partículas carregadas, mas não as focaliza. A lente magnética mais simples é uma bobina em forma de donut através da qual o feixe passa, de preferência ao longo do eixo da bobina. Para gerar o campo magnético, uma corrente elétrica é passada através da bobina. O campo magnético é mais forte no plano da bobina e fica mais fraco ao se afastar dele. No plano da bobina, o campo fica mais forte à medida que nos afastamos do eixo. Assim, uma partícula carregada mais longe do eixo experimenta uma força de Lorentz mais forte do que uma partícula mais próxima do eixo (assumindo que elas tenham a mesma velocidade). Isso dá origem à ação de focalização. Ao contrário dos caminhos em uma lente eletrostática, os caminhos em uma lente magnética contêm um componente em espiral, ou seja, as partículas carregadas espiralam em torno do eixo óptico. Como consequência, a imagem formada por uma lente magnética é girada em relação ao objeto. Esta rotação está ausente para uma lente eletrostática. A extensão espacial do campo magnético pode ser controlada usando um circuito magnético de ferro (ou outro material magneticamente macio). Isso torna possível projetar e construir lentes magnéticas mais compactas com propriedades ópticas bem definidas. A grande maioria dos microscópios eletrônicos em uso atualmente usa lentes magnéticas devido às suas propriedades de imagem superiores e à ausência das altas tensões que são necessárias para lentes eletrostáticas.
Lentes multipolares
Multipolos além do quadrupolo podem corrigir a aberração esférica e em aceleradores de partículas os ímãs de flexão dipolo são realmente compostos de um grande número de elementos com diferentes superposições de multipolos.
Normalmente, a dependência é dada para a própria energia cinética dependendo da potência da velocidade. Portanto, para uma lente eletrostática, a distância focal varia com a segunda potência da energia cinética, enquanto para uma lente magnetostática a distância focal varia proporcionalmente à energia cinética. E um quadrupolo combinado pode ser acromático em torno de uma determinada energia.
Se uma distribuição de partículas com energias cinéticas diferentes é acelerada por um campo elétrico longitudinal, a propagação de energia relativa é reduzida, levando a menos erros cromáticos. Um exemplo disso está no microscópio eletrônico .
Espectroscopia de elétrons
O desenvolvimento recente da espectroscopia eletrônica permite revelar as estruturas eletrônicas das moléculas . Embora isso seja realizado principalmente por analisadores de elétrons, as lentes eletrostáticas também desempenham um papel significativo no desenvolvimento da espectroscopia eletrônica.
Como a espectroscopia eletrônica detecta vários fenômenos físicos dos elétrons emitidos das amostras, é necessário transportar os elétrons para o analisador de elétrons. As lentes eletrostáticas satisfazem as propriedades gerais das lentes.
Veja também
Referências
Leitura adicional
- E. Harting, FH Read, Electrostatic Lenses, Elsevier, Amsterdam, 1976.