第2章.电子光学基础(新)

电磁线圈 包上铁壳 装配极靴
O
O’ z
带铁壳和极靴的电磁透镜剖面图
2020/9/18
电磁透镜部件图
2020/9/18
电磁线圈与极靴
2020/9/18
B（z） 有极靴
没有极靴 无铁壳
z
2020/9/18
磁感应强度分布图
2.电磁透镜的像差
一.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。
2020/9/18
（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
2020/9/18
§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。
2020/9/18
1. 电 磁 透 镜的结构
• 首先看一下 电子在匀强磁场中的运动
2020/9/18
电子在匀强磁场中的运动
① V 平行于磁力线，e 匀速直线运动
2020/9/18
电子的运动速度
U
e
V
一个初速为0的电子
eU12m0V2 E
V 2eU m0
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
2020/9/18
电子波长的一般计算公式
V 2eU h h
m0
mv
2em0U
h普朗克常数（J.S） h6.62 5 1 4 0 34
12 .26
U
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。
m
m0
1
V
2
c
h
2em0U
2020/9/18
电压＞30KV时 波长的计算公式
h
2em0U(1
eU 2m0c2
)
相对论修正系数
(1
eU
1
)2
2m0c2
2020/9/18
加速电压＞30kV时电子波的波长
12.26
U(10.979106U)
不同加速电压下电子波的波长（经相对论修正）
加速电压 kV 75
100
200 500 1000
电子波长 Å 0.043 0.037 0.025 0.014 0.007
2020/9/18
§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
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
如何提高分辨率？
2020/9/18
§2－1 电子射线的特性
一. 电子的波粒两相性
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。
e 电荷的电量（C） e1.60 1 019
m0电荷静止时的质量（Kg） m09.111031
U加速电压（V）, λ电子波长（Å ）
2020/9/18
电压≤30kV的波长公式
12 .26
U
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。
2020/9/18
注意：当U＞30kV时
第二章 电子光学基础
§2－1 电子射线的特性 §2－2 电子枪 §2－3 电磁透镜
2020/9/18
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？
高，将自由电子加速到发
2020/9/18
射电子束流的程度。
场发射型电子枪阴极
2020/9/18
场发射式电子枪的优、缺点
优点：电子束斑细，较钨丝阴极（大于104 nm）
缩小了３个数量级。 发光效率高，较钨丝阴极（
106 A/cm2·s ）提高了３个数量级。
缺ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ：
要求更高的真空度。 造价昂贵，使用寿命2000h。
e
2020/9/18
电子在匀强磁场中的运动
② V 垂直于磁力线, e做匀速圆周运动
P
2020/9/18
电子在匀强磁场中的运动
③ V与磁力线斜交,e做圆锥螺旋线运动
2020/9/18
有软铁壳的电磁透镜
电子在磁透镜中的运动轨迹
2020/9/18
c)
有极靴的电磁透镜
电磁线圈
2020/9/18
电磁线圈 包上铁壳
远轴区 像平面Ⅰ
像平面Ⅱ
2Rs
P
2△rs
Δrs＝Rs / M
2020/9/18
物镜
近轴区
最小散焦斑
球差引起的散焦斑半径
rs
1 Cs3
4
式中：Cs是球差系数（定数）
α 是磁透镜的孔径半角
热电子发射型电子枪
电子枪有三个极 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。
2020/9/18
电子枪的构成
2020/9/18
LaB6单晶灯丝
2020/9/18
电子枪的工作原理
2020/9/18
2020/9/18
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
。
2020/9/18
2020/9/18
德布罗意波－物质波
h
mv
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。
2020/9/18
二. 电子波的波长
h
mv
• 从公式可知，波长是速度V 的函数，速
度越大，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。