Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"

Электронные линзы

Электро'нные ли'нзы, устройства, предназначенные для формирования пучков электронов, их фокусировки и получения с их помощью электроннооптических изображений объектов и деталей объектов (см. Электронная и ионная оптика , Электронный микроскоп ). Устройства, с использованием которых совершают такие же операции над пучками ионов, называются ионными линзами. В Э. л. и ионных линзах воздействие на электронные (ионные) пучки осуществляется электрическими или магнитными полями; эти линзы называются соответственно электростатическими или магнитными. Э. л. классифицируют по виду симметрии их поля и по его другим характерным признакам. Терминология, применяемая для характеристики Э. л., в ряде случаев заимствована из классической оптики световых лучей, что объясняется глубокой аналогией между последней и электронной (ионной) оптикой, а также соображениями наглядности и удобства.

  Простейшей осесимметричной электростатической Э. л. является диафрагма с круглым отверстием, поле которой граничит с одной или с обеих сторон с однородными электрическими полями (рис. 1 ). В зависимости от распределения потенциала она может служить собирающей (пучок заряженных частиц) или рассеивающей линзой. Если поля с обеих сторон осесимметричной электростатической Э. л. отсутствуют, т. е. к ней примыкают области пространства с постоянными потенциалами V₁ и V₂ , и если эти потенциалы различны, Э. л. называется иммерсионной (рис. 2 ); при одинаковых потенциалах линза носит название одиночной (такая линза состоит из 3 и более электродов). В результате прохождения электронов через иммерсионную линзу их скорости изменяются, одиночные линзы оставляют эти линзы неизменными. Иммерсионные и одиночные линзы – всегда собирательные.

  В некоторых электростатических Э. л. одним из электродов служит катод, испускающий электроны (катодные линзы). Линза подобного типа ускоряет испущенные катодом электроны и формирует из них электронный пучок. Катодная Э. л., состоящая лишь из двух электродов – катода и анода, не может сфокусировать электронный пучок, и с этой целью в в конструкцию линзы вводят дополнительный электрод, который называется фокусирующим (рис.3 ).

  Осесимметричные магнитные линзы выполняются в виде катушки из изолированной проволоки, обычно заключённой в железный панцирь для усиления и концентрации магнитного поля линзы. Для создания линз с очень малыми фокусными расстояниями необходимо максимально уменьшить протяжённость поля; с этой целью применяются полюсные наконечники (рис. 4 ). Поле магнитной линзы может возбуждаться также постоянным магнитом.

  Электродами т. н. цилиндрических электростатических Э. л. служат обычно диафрагмы со щелью или пластины, расположенные симметрично относительно средней плоскости линз (рис. 5 ). Название «цилиндрические» указывает, что подобные Э. л. действуют на пучки заряженных частиц так же, как цилиндрические светооптические линзы на световые пучки, фокусируя их лишь в одном направлении. Классификация цилиндрических Э. л. аналогична приведённой для осесимметричных Э. л. (существуют иммерсионные, одиночные, катодные и другие цилиндрические Э. л.) (рис. 6 ). Цилиндрическими могут быть и магнитные Э. л. (обычно с железным панцирем).

  Поля трансаксиальных электростатических Э. л. (рис. 7 ) обладают симметрией вращения относительно оси (ось х на рис. ), расположенной перпендикулярно к оптической оси системы z. В сечениях, параллельных средней плоскости yz такой линзы, эквипотенциальные поверхности имеют форму окружностей или, если поле ограничено, их частей, как и сечения сферических поверхностей обычных светооптических линз. Поэтому аберрации трансаксиальной линзы в направлении параллельном средней плоскости, сравнимы по величине с аберрациями светооптических линз, т. е. очень малы. Линейное изображение В¹ точечного или перпендикулярного к средней плоскости прямолинейного предмета практически не будет претерпевать аберрационного расширения.

  Особый класс Э. л. образуют квадрунольные электростатические и магнитные Э. л. Их поля имеют две плоскости симметрии, а векторы напряжённостей полей в области движения заряженных частиц почти перпендикулярны к их скоростям (рис. 8 ). Такие линзы фокусируют пучок в одном направлении и рассеивают его в другом, перпендикулярном к первому, создавая линейное изображение точечного предмета. Применяя две установленные одна за другой квадрупольные электростатические и магнитные Э. л. Их поля имеют две плоскости симметрии, а векторы напряженности полей в области движения заряженных частиц (рис. 8 ). Такие линзы фокусируют пучок в одном направлении и рассеивают его в другом, перпендикулярном к первому, создавая линейное изображение точечного предмета. Применяя две установленные одна за другой квадрупольные Э. л. (дублет) (рис. 9 ), поля которых повёрнуты одно по отношению к другому на 90° вокруг их общей оптической оси, можно получить систему, собирающую пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях и дающую при надлежащем выборе параметров Э. л. стигматическое изображение (точка отображается точкой). Квадрупольные Э. л. могут воздействовать на пучки заряженных частиц со значительно большими энергиями, а в случае магнитных линз – и с большими массами, чем осесимметричные Э. л.

  Лит. см. при ст. Электронная и ионная оптика .

  В. М. Кельман, И. В. Родникова.

Рис. 9. Дублет из двух квадрупольных электростатических линз, поля которых повёрнуты вокруг оптической оси z системы одно относительно другого на угол 90°.

Рис. 6. Сечения электродов электростатических цилиндрических линз плоскостью, проходящей через ось г перпендикулярно к средней плоскости: а – цилиндрическая (щелевая) диафрагма; б – иммерсионная цилиндрическая линза; в – одиночная цилиндрическая линза; г – катодная цилиндрическая линза; V1, V2 – потенциалы соответствующих электродов.

Рис. 1. Диафрагма с круглым отверстием (собирающая): 1 – электрод-диафрагма; 2 – сечения эквипотенциальных поверхностей электростатического поля плоскостью рисунка; 3 – траектория электронов; F – фокус линзы. Однородное поле пимыкает к диафрагме слева. При эквипотенциалях проставлены соответствующие им значения потенциалов в произвольных единицах, причём принято, что потенциал равен нулю там, где равна нулю скорость частиц; V = 30 – потенциал электрода. Продольная составляющая E z напряженности E электрического поля тормозит электроны, поперечная составляющая Er – их фиксирует.

Рис. 8. Сечения квадрупольных электростатической (а) и магнитной (б) электронных линз, перпендикулярные направлению движения пучка заряженных частиц: 1 – электроды; 2 – силовые линии полей.

Рис. 7. Электростатическая трансаксиальная линза с электродами в виде двух соосных цилиндров и с кольцевыми щелями для пропускания пучка частиц: 1 – цилиндрические электроды; 2 – траектории заряженных частиц; V1 и V2 – потенциалы электродов. Пучок, выходящий из точки А предмета, после прохождения поля линзы становится астигматическим и образует два линейных изображения В и B'. При определённом подборе параметров линза может давать стигматическое (точка в точку) изображение.

Рис. 4. Магнитная линза с полюсными наконечниками: 1 – катушка возбуждения; 2 – панцирь; 3 – наконечники. Панцирь служит магнитопроводом. Полюсные наконечники концентрируют магнитное поле на небольшом участке вблизи оптической оси линзы z.

Рис. 3. Катодная электронная линза: 1 – катод; 2 – фокусирующий электрод; 3 – анод; тонкие линии – такие же сечения эквипотенциальных поверхностей, как и на предыдущих рисунках. На верхней шкале проставлены значения потенциалов (на катоде потенциал принят равным нулю); О – одна из точек катода, испускающая электроны; заштрихованное пространство – сечение области, занятой потоком электронов.

Рис. 5. Электростатические цилиндрические линзы: а – диафрагма со щелью; б – иммерсионная линза, составленная из двух пар пластин. В области прохождения заряженных частиц поля линз не изменяются в направлении, параллельном щелям диафрагм или зазорам между пластинами соседних электродов.

Рис. 2. Иммерсионные электронные линзы, состоящие из двух диафрагм (а) и двух цилиндров (б): тонкие линии – сечения эквипотенциальных поверхностей плоскостью рисунка; кривые со стрелками – траектории заряженных частиц; V1 и V2 – потенциалы электродов.

Электронные приборы

Электро'нные прибо'ры, приборы для преобразования электромагнитной энергии одного вида в электромагнитную энергию другого вида, осуществляемого посредством взаимодействия электронов (движущихся в вакууме, газе или полупроводнике) с электромагнитными полями. К Э. п. относятся электровакуумные приборы (кроме ламп накаливания) и полупроводниковые приборы .

  Протекающие в Э. п. процессы чрезвычайно разнообразны. Так, в электронных лампах и вакуумных приборах СВЧ (клистронах , магнетронах , лампах бегущей волны и т. д.) электроны, испускаемые катодом, взаимодействуют с постоянным и переменным электрическими полями. В результате взаимодействия с постоянным полем кинетическая энергия электронов увеличивается; в результате взаимодействия с переменным полем постоянный электронный поток превращается в переменный и часть кинетической энергии электронов преобразуется в энергию электрических колебаний. В вакуумных индикаторах и электроннолучевых приборах электроны ускоряются постоянным электрическим полем и бомбардируют мишень (например, экран, покрытый люминофором ); при взаимодействии электронов с мишенью часть их кинетической энергии преобразуется в электромагнитную энергию (например, световую). В вакуумных фотоэлектронных приборах (вакуумных фотоэлементах , фотоэлектронных умножителях и др.) электроны, эмитируемые фотокатодом под действием оптического излучения, ускоряются постоянным электрическим полем и направляются на анод. В результате энергия оптического излучения преобразуется в энергию электрического тока, текущего в анодной цепи такого Э. п. В рентгеновских трубках энергия электронов, ускоренных на пути от катода к аноду (антикатоду), при ударе электронов об анод частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения. В ионных приборах (газоразрядных приборах) электроны, ускоренные постоянным электрическим полем, сталкиваются с молекулами газа и либо ионизируют их, либо переводят в возбуждённое состояние. Такие газоразрядные приборы, как ртутные вентили , газотроны , тиратроны , таситроны , по принципу преобразования энергии аналогичны электровакуумным диодам и триодам; основное отличие состоит в том, что в газоразрядных приборах ионы газа нейтрализуют пространственный заряд потока электронов и этим обеспечивают прохождение через прибор огромных токов (например, в ртутных вентилях – до тысяч а) при сравнительно малых анодных напряжениях (15– 20 в). В газоразрядных источниках света и индикаторах газоразрядных каждая возбуждённая молекула газа при переходе в равновесное состояние излучает световую энергию. В люминесцентных лампах световую энергию излучают молекулы люминофора, возбуждённые ультрафиолетовым излучением разряда. В квантовых газоразрядных приборах (газовых лазерах , квантовых стандартах частоты и др.) возбуждённые молекулы газа, взаимодействуя с электромагнитными колебаниями, усиливают их при своём переходе в невозбуждённое состояние.

  Преобразование энергии в полупроводниковых приборах основано на том, что в полупроводнике, как и в вакууме, можно создавать постоянные электрические поля и осуществлять управление движением носителей заряда . В основе работы полупроводниковых приборов лежат следующие электронные процессы и явления: эффект односторонней проводимости при протекании тока через запирающий слой электронно-дырочного перехода (р – n- перехода) или потенциального барьера на границе металл—полупроводник (см. Шотки диод ); туннельный эффект ; явление лавинного размножения носителей в сильных электрических полях; акусто-, оптико-, термоэлектрические эффекты в диэлектрических и полупроводниковых материалах и т. д. На использовании эффекта односторонней проводимости основана работа полупроводниковых диодов . В транзисторах для усиления электрических колебаний используют т. н. транзисторный эффект – управление током запертого перехода с помощью тока отпертого перехода. В Ганна диодах и лавинно-пролётных полупроводниковых диодах лавинное умножение в р —n -переходах, обусловленное ударной ионизацией атомов носителями, используется для генерации электрических колебаний. В светоизлучающих диодах электрическая энергия преобразуется в энергию оптического излучения на основе явления инжекционной электролюминесценции .

  Э. п. находят применение в радиотехнике, автоматике, связи, вычислительной технике, астрономии, физике, медицине и т. д, – практически во всех областях науки и техники. Мировая промышленность ежегодно выпускает (70-е гг.) свыше 10 млрд. Э. п. различных наименований.

  Лит.: Власов В. Ф., Электронные и ионные приборы, 3 изд., М., 1960; Кушманов И. В., Васильев Н. Н., Леонтъев А. Г., Электронные приборы, М., 1973.

  В. Ф. Коваленко

Электронные призмы

Электро'нные при'змы, электроннооптические (соответственно ионные призмы – ионнооптические) системы, предназначенные для отклонения пучков заряженных частиц или для разделения таких частиц по энергии и массе. Э. п. получили своё название в рамках общей аналогии между электронной и ионной оптикой и оптикой световых лучей. Среди многочисленных типов Э. п. наиболее близкими аналогами светооптических призм являются те Э. п., которые оставляют падающий на них параллельный пучок заряженных частиц параллельным и после отклонения. Простейшей электростатической Э. п. такого типа служит телескопическая система, составленная из двух цилиндрических иммерсионных электронных линз (рис. 1 ). Задний линейный фокус АВ первой линзы совпадает с передним линейным фокусом второй. Электростатическое поле телескопической системы «двухмерно» (оно не изменяется в направлении, параллельном оси х ) и симметрично относительно средней плоскости ху, вблизи которой движутся частицы. Параллельный пучок падает на телескопическую систему под большим углом J₁ к оси у и выходит под углом J₂ , сохраняя свою параллельность. При этом выполняется равенство

sin J₂ / sin J₁ = ,

где V₁ — потенциал первого  участка Э. п. и пространства перед ним, V₂ – потенциал последнего участка призмы и пространства за ним. Как известно, потенциал электростатический можно определять с точностью до произвольной постоянной, принимая его равным нулю там, где это диктуется соображениями удобства. В данном случае, как и в большинстве задач электронной и ионной оптики, потенциал принимают равным нулю там, где равна нулю скорость частиц. При этом условии электроннооптический преломления показатель n_э = . Т. о., отклонение пучка заряженных частиц в телескопической системе подчиняется закону, совершенно аналогичному Снелля закону преломления в световой оптике. Для увеличения дисперсии применяют сложную Э. п., состоящую из двух телескопических систем, расположенных под углом друг к другу. Такие Э. п. служат диспергирующими элементами в электронных спектрометрах.

  В магнитной Э. п. с «двухмерным» полем роль цилиндрических линз играют поля рассеяния на краях магнитных полюсов. При определённом угле падения пучка на призму эти поля образуют телескопическую систему (рис. 2 ).

  Лит.: Арцимович Л. А., Лукьянов С. Ю., Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях, М., 1972; Кельман В. М., Явор С. Я., Электронная оптика, 3 изд., Л., 1968; Призменные бета-спектрометры и их применение, Вильнюс, 1971; Применение призменных бета-спектрометров, Вильнюс, 1974.

  В. М. Кельман, И. В. Родникова.

Рис. 1. Телескопическая система, состоящая из двух цилиндрических иммерсионных электростатических линз: 1, 2 – электроды, составляющие первую по ходу пучка цилиндрическую линзу, 2, 3 – вторую линзу; ломаные линии со стрелками – проекции траекторий заряженных частиц на плоскости yz и ху; А В– линейный фокус. (Название «цилиндрический» применительно к электронным линзам указывает на то, что они могут действовать на электронный пучок так же, как цилиндрическая светооптическая линза на световой пучок.)

Рис. 2. Отклонение пучка заряженных частиц магнитной призмой: 1 – полюса магнита призмы; 2 – пучок заряженных частиц; АВ – линейный фокус.

Электронные теории в органической химии

Электро'нные тео'рии в органи'ческой хи'мии, теории, рассматривающие строение, физические свойства и реакционную способность органических соединений на основе представлений о распределении электронной плотности в атомах и молекулах, а также о смещениях её при химических реакциях.

  Э. т. возникли на рубеже 19 и 20 вв. вскоре после открытия электрона. В первых Э. т. представления о существовании электростатических связей в неорганических соединениях были механически перенесены на неполярные органические соединения. Эти теории не смогли объяснить многие экспериментальные факты органической химии и потому уступили место теориям, базирующимся на представлениях о существовании ковалентных связей (немецкий учёный И. Штарк, 1908—15, Г. Льюис , 1916—23). Образование ковалентной связи, осуществляемое, по Льюису, общей для двух атомов электронной парой (дублетом), впоследствии было интерпретировано в рамках квантовой механики как эффект перекрывания электронных плотностей взаимодействующих атомов (см. Химическая связь ,Валентность ).

  Концепция ковалентной связи оказалась наиболее плодотворной в органической химии. Созданными в 20—30-е гг. на её основе Э. т. было объяснено строение большого числа органических соединений и установлена зависимость между свойствами этих соединений и их строением, чему способствовали появившиеся в это время квантовохимического представления о различных типах ковалентной связи (см. Сигма– и пи-связи , Семиполярная связь ).

  Наибольшее распространение в этот период получили используемые и поныне Э. т., развивавшиеся английскими химиками Т. Лоури, Р. Робинсоном , К. Инголдом , а также Л. Полингом . Введённые ими в рамках так называемой теории электронных смещений представления о статическом и динамическом смещениях электронных пар (индуктивный, мезомерный, индуктомерный и электромерный эффекты) широко используются для объяснения, а в некоторых случаях и для предсказания свойств и реакционной способности разнообразных органический соединений. Английские химики предложили также классификацию органических реакций в соответствии с механизмом электронных смещений и механизмом электростатической ориентации реагентов при их взаимодействии – нуклеофильным, электрофильным и радикальным (см. Органическая химия , Сопряжение связей , Мезомерия , Нуклеофильные и электрофильные реагенты ). Теория электронных смещений позволила объяснить выравнивание связей в цепях сопряжения (в частности, равноценность связей в бензоле), передачу влияния заместителя по системе сопряжённых связей, порядок замещения в ароматическом кольце при наличии в нём заместителя (см. Ароматические соединения , Ориентации правила ) и многие другие закономерности, экспериментально установленные в органической химии, например Марковникова правило , Эльтекова правило .

  Э. т. развивались в тесной связи как с классической химического строения теорией, так и с квантовой химией, являющейся основой всех современных электронных теорий.

  Лит. см. при статьях Органическая химия , Химического строения теория , Валентность . Химическая связь .

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"