磁透镜

2020-12-18 18:04:51 浏览:1095

定义

磁透镜是指能够把匀速带电粒子束会聚,并且把这样的束程中的物体形成像的轴对称磁场。这样的磁场(磁透镜)可以由螺线管、电磁铁或永磁体产生。用于电子和离子显微镜、带电粒子加速器及其他装置中。

原理

如果一个带电粒子进入匀强磁场时,其速度V的方向与磁感强度B的方向成任意角度θ,则可将V分解成平行于B和垂直于B的两个分量V∥和V⊥。因磁场的作用,垂直于B的速度分量V⊥虽不改变大小,却不断改变方向。在垂直于B的平面内作匀速圆周运动。平行于B的速度分量V∥不变,其运动是沿B方向的匀速直线运动。这两种运动的合成,为螺旋线运动。此带电粒子作螺旋运动时,螺旋线的半径(即电子在磁场中作圆运动的回旋半径)为:

粒子每转一周前进的距离称为螺距,用符号表为:

上式中的T是粒子转过一周所需的时间,称为回转周期。

在匀强磁场中某点A处有一束带电粒子,当带电粒子的速度V与B的夹角很小、各粒子速率V大致相同时,这些粒子具有相同的螺距。经一个回转周期后,他们各自经过不同的螺距轨道重新会聚到A'点。发散粒子依靠磁场作用会聚于一点的现象称为磁聚焦。它与光束经光学透镜聚焦相类似。实际应用中,更多利用它产生的非匀强磁场聚焦。短线圈的作用类似光学中的透镜,称为磁透镜。也可用于电子显微镜中。

磁透镜与光学透镜对比

光学透镜成像时,物距L1、象距L2、焦距f三者之间满足牛顿公式:

由于光学透镜的焦距f是不能改变的,要满足成像条件,必须同时改变L1和L2

与光学透镜相似,电磁透镜成像时也必须满足此式。但磁透镜的焦距可以通过改变线圈中通过电流的大小来调节。采用磁透镜成像时,可以在固定L1的情况下,改变f和L2来满足成像条件;也可以保持L2不变,改变f和L1来满足成像条件。

与光学透镜一样,磁透镜亦有其固有的缺陷,如:球差、色差、像散等等。因此,磁透镜的实际分辨率远较某理论分辨率低,目前最好的磁透镜的点分辨率可达1.4埃,原则上可以看到原子的排列。

应用

1、离子显微镜

Erwin W. Mueller于1951年发明的一种分辨率极高、能直接用于观察金属表面原子的分析装置,简称FIM。FIM(Field Ion Microscope)最早达到原子分辨率,也就是最早能看得到原子尺度的显微镜。只是要用FIM看像,样品得先处理成针状,针的末端曲率半径约在200~1000埃。(1埃=10-10米)把样品置于真空极佳的空间中,借由和低温物的接触将其温度降到液态氮的温度以下。在空间中放入成像气体,可以为He、Ne、Ar等气体,视不同样品而定。之后给样品正高压使附着在样品上的成像气体解离成带正电的阳离子,带正电的气体离子接着被电场加速射出,打到接收器讯号被放大,以电子射到荧光屏幕,我们就能在屏幕上看到一颗一颗的原子亮点。

2、粒子加速器

粒子加速器(particle accelerator)全名为“荷电粒子加速器”,是使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置。是人为地提供各种高能粒子束或辐射线的现代化装备。

日常生活中常见的粒子加速器有用于电视的阴极射线管及X光管等设施。一部分低能加速器用于核科学和核工程,其余的则广泛用于从化学、物理及生物的基础研究。一直到辐射化学,射线照相、活化分析、离子注入、射线治疗、同位素生产、消毒杀菌、焊接与熔炼、种子及食品的射线处理以及国防等国民经济的各个领域。应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成了上千种新的人工放射性核素,高能加速器的发展又使人们发现了包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子。

参考文献

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[3] Gillespie G H,Hill B W,Brown N A,et al. Proceedings of the XVⅢInternational Linear Accelerator Conference . 1996
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