磁透镜
来自 第一重 · 电子光学基础
开场:波长算得再准,也得先“聚”起来
上一篇我们把电子波长算到了小数点后四位,还挺得意:比可见光短了十万倍,看清原子指日可待。
可是波长再短,如果电子束是散的,那也就是一团雾——它照不出任何像。要成像,必须先把散开的电子拢到一点上。
光学显微镜靠凸透镜把光聚起来。但电子不是光,玻璃对它完全没用(电子撞上玻璃,只会被无情吃掉)。那拿什么来“聚”电子?
好在电子有个玻璃没有的本事——它带电。带电粒子在电场或磁场里会受力、会被“推着走”。所以只要造出一片能把电子往轴心推的场,就等于造出了一块透镜。
两条路:静电透镜 vs 磁透镜
顺着这个思路,透镜立刻就有了两个门派:
- 静电透镜——用静电场实现电子束会聚;
- 磁透镜——用非均匀轴对称磁场实现电子束会聚。
原则上两家都能干活。但真到了透射电镜里,局面就一边倒了:绝大多数透镜都是磁透镜,静电透镜只留在电子枪等少数配件上。为什么磁透镜赢得这么彻底?因为在“控制电子怎么动”这件事上,它的优势太明显:
| 要办的事 | 静电透镜 | 磁透镜 |
|---|---|---|
| 改变焦距 / 放大倍率 | 改变电子加速电压 | 调节线圈电流 |
| 供电电压量级 | 数万伏特(易击穿) | 通常 60~100 V |
| 像差 | 较大 | 较小 |
一句话概括:磁透镜是拧旋钮,静电透镜是动高压。哪个好伺候,一眼就看出来。再加上像差还更小,这仗没法打——所以本节只讲磁透镜。
磁透镜的真身:一个线圈
名字听着唬人,其实磁透镜的本质就是一个磁线圈。看动画 ①:金色虚线是电流 I,顺着箭头在线圈上环流;蓝色虚线是磁力线。用右手螺旋定则一比划,磁场方向就定了——线圈里那束磁力线笔直朝上跑,出了线圈再向四周鼓开、弯回另一头。
拆开看:电子是怎么被“拧”回轴心的
接下来这一段是本节最绕的地方——电子在磁场里究竟怎么被推回轴心。我们一步一步来,不跳步。
假设一束平行电子束自上向下射进磁透镜,盯住轴外的 A1 点。
那里的磁场并不是单纯“朝上”或“朝下”的,它是有方向的。为方便分析,把 A1 处的磁场拆成两个分量:
- Bz:沿轴方向、竖直向上的分量;
- Br:径向、朝外偏离轴心的分量。
电子带负电,用左手定则逐个算它受的洛伦兹力。先看 Bz:它和电子运动方向平行,而平行的磁场分量不产生洛伦兹力——所以这一步它“什么也没干”。
再看 Br:它垂直于运动方向,电子于是被推着朝纸面外偏(动画 ② 里那颗粉色小球)。
关键转折在这里:电子一旦朝纸面外动起来,它就不再只是“单纯向下”了。这时它同时切割 Bz 和 Br 两组磁力线,再用左手定则算一次,合力的方向指向该处磁力线的法线方向——就是动画 ② 里那支箭头 Faxi。而这个方向,正是朝着轴心的。
轴另一侧、与 A1 对称的 A2 点呢?那里的径向磁场是朝里的,所以电子朝纸面里螺旋。两条轨迹刚好呈轴对称。既然 A1、A2 的电子会聚到同一点,而磁透镜本身又是旋转对称的(从上往下看,转多少度都一样),结论就出来了:
所有射进磁透镜的电子,最后都落在轴上的同一个点 F。
动画 ③ 把这件事摆得很直白:上排是电子束在磁透镜里的轨迹,下排是光经过凸透镜的轨迹。放在一起看,两者几乎一模一样——磁透镜对电子的会聚,和凸透镜对光的会聚,本质上是同一件事。
一个不起眼的副作用:磁转角
细看动画 ③ 的上排会发现,电子束不只是在“收拢”,它同时还在转。这个转角叫磁转角。
它会不会坏事?多数情况下不会,可以当它不存在。只有少数场合必须认真对待——比如需要把正空间与倒空间的信息放在一起、对比分析样品的晶体学特征时,这个转角就会带来麻烦。
真要消掉也不难:把两个线圈反向串联。一个把像往一个方向拧,另一个往反方向拧,正好抵消。
也正因为平时不碍事,画光路图时大家有个约定俗成的简化:把螺旋会聚直接画成直线会聚。你在教科书上看到的那些笔直的电子束,就是这么来的。
短磁透镜:焦距的“旋钮”在哪里
上面讲的都是“定性”——知道它能把电子聚起来。但要真正用起来,得知道焦距到底是多少。
透射电镜里用的多是短磁透镜:焦距比磁场轴向作用范围大得多的那种。通俗说就是“磁场很薄、焦距很长”。它的焦距公式是:
式中各符号的含义:
| 符号 | 含义 | 单位 |
|---|---|---|
| f | 短磁透镜的焦距 | m |
| e | 电子电荷量 | C |
| m | 电子质量 | kg |
| V | 电子的加速电压 | V |
| R | 环形线圈的平均半径 | m |
| I | 单匝环形线圈中的电流 | A |
| N | 环形线圈的总匝数 | — |
这个式子里最该记住的不是前面那堆常数,而是末尾的 (IN)2——I 是电流,N 是匝数。把它跟左边的 f 连起来看:
回头对比开头的静电透镜:要改焦距得去动几万伏的高压。这里只是拧个小旋钮——差距就这么大。
还有一处容易忽略的细节:电流方向不影响焦距。把电流反向,f 的大小不变、会聚程度也不变,磁透镜始终是会聚透镜。唯一会跟着变的,是螺旋的方向:原来顺时针螺旋地会聚,现在改成逆时针。
一句话记住
- 透射电镜里几乎全用磁透镜:调电流就能变焦,供电只要几十伏,像差还更小。
- 磁透镜的本质是一个线圈,磁场方向用右手螺旋定则判断。
- 轴外电子受 Br 作用偏出纸面,随即切割磁力线,被 Faxi 拧回轴心——轨迹是螺旋线。
- 因为旋转对称,所有电子都会聚到轴上同一点 F,效果等同凸透镜。
- 螺旋带来“磁转角”,多数情况可忽略;作图时常简化为直线会聚。
- 短磁透镜焦距公式 (2-8):1/f 与 (IN)2 成正比,即焦距与电流平方成反比;电流方向只改螺旋方向,不改焦距。