Elektronų spindulio valdymas. Elektronų pluošto fokusavimo būdai
Panagrinėkime elektringųjų dalelių judėjimą vienalyčiuose elektriniame ir magnetiniame laukuose.
Elektriniame lauke dalelę, kurios krūvis q ir masė m, veikia jėga 
o dalelė juda su pagreičiu 
Jos judėjimas toks pat, kaip ir gravitaciniame lauke. Bendru atveju dalelė juda paraboline trajektorija.
Magnetiniame lauke dalelę veikia Lorenco jėga (5.11), kuri suteikia dalelei pagreitį
(6.64)
Matome, kad pagreičio vektorius 
ir 
Jei dalelė įlekia į magnetinį lauką stačiu kampu (t. y. 
, 
), tai jos trajektorija esti apskritimas, kurio plokštuma statmena magnetiniam laukui, o jėga 
visą laiką nukreipta į to apskritimo centrą (įcentrinė jėga). To apskritimo spindulį R galime nustatyti prisiminę įcentrinės jėgos išraišką 
Taigi
(6.65)
Iš čia nustatome, kad
(6.66)
Matome, kad apskritimo spindulys tiesiai proporcingas dalelės greičiui v ir atvirkščiai proporcingas magnetinio srauto tankiui B. Žinodami v, B bei išmatavę R, galime iš (6.66) nustatyti dalelės krūvio ir masės santykį q/m (specifinį krūvį).
 |
Teigiamą krūvį turinčios dalelės trajektorija vienalyčiame statmename brėžinio plokštumai į skaitytoją nukreiptame magnetiniame lauke pavaizduota 127 pav.,a) o neigiamą krūvį – 127 pav.,b). Sukimosi kryptis priklauso nuo krūvio ženklo. Kaip matyti iš 127 pav., neigiamą krūvį turinčios dalelės sukimosi kryptis susijusi su magnetinio lauko 
kryptimi pagal dešininio sraigto taisyklę, o teigiamą – pagal kairinio sraigto taisyklę. Taigi besisukančios dalelės magnetinis momentas abiem atvejais esti nukreiptas prieš lauką. Pasinaudoję (6.66), lengvai apskaičiuojame sukimosi apskritimu periodą:
(6.67)
Matome, kad periodas nepriklauso nei nuo dalelės greičio, nei nuo apskritimo spindulio, o priklauso tik nuo magnetinio srauto tankio B ir nuo santykio q/m.
Dabar tarkime, kad dalelė įlekia į magnetinį lauką ne statmenai jam, o tam tikru kampu. Kampą tarp 
ir 
pažymėkime a. Greičio vektorių 
išskaidykime į dvi dedamąsias: lygiagrečią magnetiniam laukui 
ir jam statmeną 
(128 pav.).
+
Krūvį veikianti Lorenco jėga
(6.68)
nes 
Matome, kad šiuo atveju Lorenco jėgos išraiška (6.68) sutampa su (5.11), tik joje vietoje 
reikia rašyti 
kurios modulis 
Todėl dalelė suksis apskritimu, kurio spindulys
 |
(6.69)
o jos sukimosi periodas aprašomas (6.67) formule. Lygiagrečioji magnetiniam laukui dedamoji 
nekinta, nes šia kryptimi veikiančios Lorenco jėgos dedamoji lygi nuliui. Taigi atstojamasis dalelės judėjimas šiuo atveju susideda iš sukimosi statmenoje magnetiniam laukui plokštumoje ir tolygaus judėjimo išilgai lauko. Tai reiškia, kad dalelė juda spiraline linija, kurios spindulys aprašomas (6.69), o žingsnis
(6.70)
 |
Spiralės ašis nukreipta magnetinio lauko kryptimi (129 pav.).
Elektringųjų dalelių judėjimo elektriniame ir magnetiniame laukuose dėsningumais remiamasi konstruojant elektrinius ir magnetinius lęšius, kuriais galima valdyti elektronų spindulius.
 |
Paprasčiausią elektroninį lęšį sudaro du laidūs bendraašiai cilindrai, tarp kurių sudarytas potencialų skirtumas (130 pav.). Tarpe tarp cilindrų nubraižytos išlenktos linijos vaizduoja ekvipotencialinius paviršius. Tarkime, iš taško P lekiantis elektronas atsidūrė taške A. Ten jį veikia jėga F, nukreipta statmenai ekvipotencialiniam paviršiui. Statmenoji cilindrų ašiai tos jėgos dedamoji F^ kreipia elektrono trajektoriją ašies link. Tiesa, elektronui atsidūrus dešinėje tarpo tarp cilindrų pusėje jį veiks priešingos krypties jėga -F¢^ ir elektrono trajektorija kryps priešinga kryptimi, tačiau šią kelio elektriniame lauke dalį elektronas pralėks greičiau (nes jam suteikia pagreitį ta pačia kryptimi nukreipta jėgos dedamoji F||), taigi trajektorija vistiek išliks nukreipta ašies link ir elektronas ją kirs taške P¢. Ten ir bus taško P atvaizdas.
Apskritai elektrono judėjimas elektriniame lauke, kurio ekvipotencialinių paviršių forma tokia pati, kaip optinio lęšio forma, yra labai panašus į šviesos spindulio eigą lęšyje. Tokie elektroniniai lęšiai naudojami elektronų pluoštams fokusuoti.
 |
Elektronų pluoštą fokusuoti galima ir panaudojant magnetinį lauką. Vieno fokusavimo būdo vienalyčiame magnetiniame lauke schema pavaizduota 131 pav. Kaitinamo katodo K emituojami elektronai pagreitinami elektrinio lauko, sudaryto tarp katodo ir diafragmos D1. Diafragmoje D2 yra žiedo formos skylė. Pro ją pralėkę elektronai su B kryptimi sudaro pastovų kampą a. Tarp diafragmos D1 ir ekrano E elektronai juda magnetiniame lauke. Jų trajektorija yra spiralinė linija, kurios žingsnis h aprašomas (6.70) formule. Nulėkę sveiką žingsnių skaičių n, elektronai vėl susirinks tame pačiame taške. Taigi elektronų fokusavimo sąlygą šiuo atveju galima užrašyti taip:
(6.71)
131 pav., a) pavaizduotu atveju n=1, o 131pav., b) – n=2. Nuolatiniam magnetiniam laukui B sudaryti naudojamas solenoidas, į kurį įdedamas šis fokusavimo įrenginys.
Elektronų pluoštą galima sufokusuoti ir panaudojant trumpos ritės magnetinį lauką. Norėdami suprasti tokio magnetinio lęšio veikimo principą, panagrinėkime elektrono judėjimą vienos vijos su srove magnetiniame lauke (132 pav.). Tegu iki lęšio elektronas juda statmenai vijos plokštumai. Įlėkusį į magnetinį lauką elektroną veikia Lorenco jėga. Magnetinio srauto tankio 
vektorių išskaidykime į lygiagrečiąją elektrono trajektorijai dedamąją Bt ir statmenąją jai Bn. Lorenco jėga yra statmena Bn ir nukreipta statmenai brėžinio plokštumai į mus (132 pav. neparodyta). Šiai jėgai veikiant elektronas įgyja į mus nukreiptą greitį v (paveiksle neparodytas), kuris yra statmenas magnetinio lauko dedamajai Bt, tad atsiranda lęšio ašies link nukreipta Lorenco jėga fL=evBt, ir elektronas ima artėti prie ašies. Kitoje vijos plokštumos pusėje (dešinėje 132 pav.) Bn kryptis priešinga, taigi Lorenco jėga mažina į mus nukreiptą greitį v. Tačiau kol šis greitis dar nelygus nuliui elektroną tebeveikia Lorenco jėga fL, ir jo trajektorija dar labiau priartėja prie lęšio ašies. Elektronas kerta tą ašį tam tikrame taške F – magnetinio lęšio židinyje.
Praktikoje esti naudojama ne viena vija, o iš kelių vijų suvyniota trumpa ritė.