基本介紹
- 中文名：磁透鏡
- 外文名：Magnetic lens
- 套用：粒子加速器、離子顯微鏡
- 類型：電磁學
- 屬於：光學儀器
- 原理：磁聚焦現象
概念,磁聚焦的原理,螺線管,磁透鏡與光學透鏡的比較,套用,離子顯微鏡,粒子加速器,
概念
磁透鏡是指能夠把勻速帶電粒子束會聚，並且把這樣的束程中的物體形成像的軸對稱磁場。這樣的磁場(磁透鏡)可以由螺線管、電磁鐵或永磁體產生。用於電子和離子顯微鏡、帶電粒子加速器及其他裝置中。
磁聚焦的原理
如果一個帶電粒子進入勻強磁場時，其速度v的方向與磁感強度B的方向成任意角度θ，則可將v分解成平行於B和垂直於B的兩個分量V∥和V⊥。因磁場的作用，垂直於B的速度分量V⊥雖不改變大小，卻不斷改變方向。在垂直於B的平面內作勻速圓周運動。平行於B的速度分量V∥不變，其運動是沿B方向的勻速直線運動。這兩種運動的合成，為螺旋線運動。此帶電粒子作螺旋運動時，螺旋線的半徑(即電子在磁場中作圓運動的迴旋半徑)為：
r=mV⊥/qB=mVsinθ/(qB)
粒子每轉一周前進的距離稱為螺距，用符號表示，則：
h=V∥T=2πmVcosθ/(qB)
上式中的T是粒子轉過一周所需的時間，稱為迴轉周期。
在勻強磁場中某點A處有一束帶電粒子，當帶電粒子的速度v與B的夾角很小、各粒子速率v大致相同時，這些粒子具有相同的螺距。經一個迴轉周期後，他們各自經過不同的螺距軌道重新會聚到A'點。發散粒子依靠磁場作用會聚於一點的現象稱為磁聚焦。它與光束經光學透鏡聚焦相類似。實際套用中，更多利用它產生的非勻強磁場聚焦。短線圈的作用類似光學中的透鏡，稱為磁透鏡。也可用於電子顯微鏡中。
螺線管
在物理學裡，術語螺線管指的是多重卷繞的導線，卷繞內部可以是空心的，或者有一個金屬芯。當有電流通過導線時，螺線管內部會產生均勻磁場。螺線管是很重要的元件·。很多物理實驗的正確操作需要有均勻磁場。螺線管也可以用為電磁鐵或電感器。
通電螺線管的極性跟電流方向間的關係，可以用右手螺旋定則來判斷。就是用右手握住螺線管，讓四根手指彎曲且跟螺線管中電流的方向一致，則大拇指所指的那端就是螺線管的N極。注意：右手螺旋定則中所說的“電流的方向”是指螺線管中“電流的環繞方向”，右手四根手指的彎曲方向應跟電流的環繞方向一致。
機電螺線管常見於電子彈珠檯、點陣式印表機、燃料噴射裝置等等。機電螺線管是由電磁感應線圈，卷繞於可移動的不鏽鋼或鐵材質的電樞（armature）外面，所組成的機電原件。當感應線圈乘載電流時，會有磁場產生，感應線圈變成一個電磁鐵，吸引或排斥電樞，造成電樞的移動。這機制所給出的機械力可以用來操控其它機械（像氣控閥或液壓閥）。機電螺線管給出的是近距離作用力；對於遠距離，作用力會顯得微弱。由於可以用控制電路直接控制，機電螺線管的反應時間非常快速。
磁透鏡與光學透鏡的比較
光學透鏡成像時，物距L1、象距L2、焦距f三者之間滿足右圖關係式：
由於光學透鏡的焦距f是不能改變的，要滿足成像條件，必須同時改變L1和L2。
圖1
圖1與光學透鏡相似，電磁透鏡成像時也必須滿足式。但磁透鏡的焦距可以通過改變線圈中通過電流的大小來調節。採用磁透鏡成像時，可以在固定L1的情況下，改變f和L2來滿足成像條件；也可以保持L2不變，改變f和L1來滿足成像條件。
套用
離子顯微鏡
E.W.彌勒於1951年發明的一種解析度極高、能直接用於觀察金屬表面原子的分析裝置，簡稱FIM。FIM(Field Ion Microscope)是最早達到原子解析度，也就是最早能看得到原子尺度的顯微鏡。
FIM(FieldIonMicroscope）是最早達到原子解析度，也就是最早能看得到原子尺度的顯微鏡。只是要用FIM看像，樣品得先處理成針狀，可不是粗針、細針都行喔，針的末端曲率半徑約在200~1000埃。（1埃=10-10米）把樣品置於真空極佳的空間中，藉由和低溫物的接觸將其溫度降到液態氮的溫度以下。在空間中放入成像氣體，可能為He、Ne、Ar等氣體，視不同樣品而定。等以上這些看像的事前工作都準備好，我們才加給樣品正高壓使附著在樣品上的成像氣體解離成帶正電的陽離子，帶正電的氣體離子接著被電場加速射出，打到接收器訊號被放大，以電子射到螢光螢幕，我們就能在螢幕上看到一顆一顆的原子亮點。
FIM是1956年Erwin W. Mueller發明。由FEM(Field Emission Microscope）發展來的。FEM的樣品同樣也得作成針狀，在真空的環境中成像，不過樣品上我們加的是負的高壓，樣品達到足夠的負高壓時，會放出電子打到螢光幕產生亮點，而這個亮點代表的並非一顆原子，是樣品上一片區域，這個區域電子在同樣的負高壓作用下都會射出電子。因為電子在橫向上 （和樣品表面平行的方向） 速度分量造成繞射的情況，使得FEM的解析度只能達到20到25埃（要看到原子解析度至少要小於1埃）。Erwin W. Mueller做了什麼事改善了解析度呢？他加了成像氣體用正高壓使其解離成陽離子，並被加速射到螢幕，成像氣體比電子重，而且在低溫的情況下，其橫向速度分量小多了，提高了解析度，FIM便如此產生了。在此最初的FIM之後，有人對影像明暗對比、真空情況、樣品冷卻處理等方面漸漸改善，使得其功能愈來愈良好。
粒子加速器
粒子加速器（particle accelerator）全名為“荷電粒子加速器”，是使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量的特種電磁、高真空裝置。是人為地提供各種高能粒子束或輻射線的現代化裝備。
