靜電透鏡

靜電透鏡，是電子透鏡中的一種。由具有帶電導體所產生的靜電場來使電子束聚焦和成象的裝置。它廣泛套用於電子器件(如陰極射線示波管)和電子顯微鏡中。由多個靜電透鏡組成透鏡系統，它的主要作用是將電離室中大部分離子以很小的散角送至質量分析器。在旋轉對稱型的若干個導體電極上分別加上一定的直流電壓所形成的旋轉對稱靜電場。

基本介紹

• 中文名：靜電透鏡
• 外文名：Electrostatic lens
• 類別：電子透鏡的一種
• 性質：電子科技產品

電子透鏡簡介

電子透鏡有靜電透鏡、磁透鏡和複合電子透鏡等三種類型(或分為靜電透鏡、磁透鏡兩種類型)。在一般的電子束曝光系統中，除了電子槍外，基本上都採用磁透鏡。但是，在電子束微矩陣曝光以及新型電子顯示屏等系統中，靜電透鏡仍然有著一定的套用。

靜電透鏡一般由兩個或兩個以上的旋轉對稱圓筒形電極或開有小孔的金屬膜片電極構成，磁透鏡一般由軸對稱的永久磁鐵、有無磁路或有無極靴的電磁線圈構成，這些結構分別形成旋轉軸對稱的電場和磁場。由旋轉軸對稱靜電場和旋轉軸對稱靜磁場共同組成的複合場對於電子來說，同樣具有會聚作用，我們把這種由複合場形成的電子透鏡叫複合電子透鏡。

基本原理

兩個電位不等的同軸圓筒就構成了一個最簡單的靜電透鏡。圖6-3為靜電透鏡的原理圖，靜電場方向由正極指向負極，靜電場的等位面如圖中的虛線所示。當電子束沿中心軸射入時，電子的運動軌跡為等位面的法線方向，使平行入射的電子束匯聚於中心光軸上，這就形成了最簡單的靜電透鏡，透射電鏡中的電子槍就屬於這一類靜電透鏡。

靜電透鏡原理圖

幾種典型靜電透鏡

膜孔透鏡

膜孔透鏡結構非常簡單，在一個具有小孔的薄片(一般稱之為膜孔電極)的兩側設定不同的電位(或不同的電場強度，如圖中的E₁和E₂)，這就是膜孔透鏡，如圖2-11a-e所示。當然，要得到圖中的電場和電場分布，膜孔電極的兩側還應有輔助電極，顯然光有膜孔電極是不能形成透鏡的。

幾種膜孔透鏡電場和電子運動軌跡

圖2.11中給出了膜孔透鏡的五種情況。E₁和E₂分別為膜孔兩側的電場強度(箭頭表示其方向)，垂直虛線表示等位面；E₁=0和E₂=0表示該區域和膜孔電極間無電位差(即等電位，或是“0”電位)。穿過膜孔的曲線(帶箭頭)表示電子(帶電粒子)的運動軌跡。從圖中可看出，它們對電子都具有會聚或發散的透鏡功能。

單透鏡

單透鏡，一般它由三個電極組成，如圖2-12a-d所示。這種透鏡具有和常規光學中的凸透鏡那種能把入射光會聚的功能。所以可以說單透鏡就是凸透鏡，它也是一個會聚透鏡，其結構比膜孔透鏡稍複雜。其特點為：

①電極可以是圓筒式也可以是膜片式的，但呈對稱結構；

②最簡單的單透鏡只需要一個電位。圖2-12中各個電極的電位可以如表2-1所示變化。圖2-13是由直徑相同三圓筒電極組成的單透鏡的電子運動軌跡示意圖。顯然，V₁和V₂的電位關係無論怎樣變化，電子束總是會聚的。

浸沒透鏡

為了提高光學顯微鏡的解析度常常使用油浸透鏡，浸沒透鏡或浸沒電子透鏡和這種油浸透鏡十分相似。它由兩個電極組成(可以是圓筒、膜片，也可以是圓筒、膜片的組合)，如圖2-14所示。透鏡兩側的電位為常數，但電位不相等。圖2-14給出了浸沒透鏡的幾種電極結構形式。

圖2-15是三種結構形式浸沒透鏡的電子運動軌跡示意圖。圖中的a，b，e三種情形的電位均為V₁<V₂。

陰極透鏡

在電真空器件中幾乎都離不開陰極透鏡，同樣，電子束曝光機的電子槍也是一個陰極透鏡。圖2-16是陰極透鏡的示意圖。圖2-16a表示電極和電子運動的軌跡，圖2-16b表示陰極透鏡軸上的電位分布。

在圖2-16a中，1是陰極，和一般的電真空器件所不同是，在電子束曝光機中，陰極常處於負幾十千伏甚至幾百千伏的高壓狀態下；陰極加熱電壓為幾伏或十幾伏，該陰極加熱電源疊加在負高壓電源上(必須注意陰極加熱電源的供電系統與高壓電源的隔離)。2是柵極(也叫調製極)，其電位一般比陰極還負，柵極電位的變化可通過絕緣調節機構來實現。3是陽極，和一般的電真空器件所不同是，在電子束曝光機中，陽極處於零電位。

在電子束曝光機中，上述電極電位的安排，安全、方便，容易實現。結合圖2-16b中的電位分布，不難理解圖2-16a中陰極發射電子的運動軌跡。

在電子束曝光機中，人們已經非常注意了柵極電位對於束流和束斑的影響(圖2-17是柵極電位對陰極透鏡等位面影響的示意圖)，但是，陰、柵兩電極間的距離也同樣對於束流和束斑有著很大影響。

套用情況

在現代電子束曝光機中，電子光學系統已經幾乎不使用靜電透鏡了(電子槍除外)，但是在示波管、顯像管等其他一些真空顯示器件中仍有套用。