静电透镜

电子透镜

静电透镜，是电子透镜中的一种。由具有带电导体所产生的静电场来使电子束聚焦和成象的装置。它广泛应用于电子器件(如阴极射线示波管)和电子显微镜中。由多个静电透镜组成透镜系统，它的主要作用是将电离室中大部分离子以很小的散角送至质量分析器。在旋转对称型的若干个导体电极上分别加上一定的直流电压所形成的旋转对称静电场。

电子透镜简介

电子透镜有静电透镜、磁透镜和复合电子透镜等三种类型(或分为静电透镜、磁透镜两种类型)。在一般的电子束曝光系统中，除了电子枪外，基本上都采用磁透镜。但是，在电子束微矩阵曝光以及新型电子显示屏等系统中，静电透镜仍然有着一定的应用。

静电透镜一般由两个或两个以上的旋转对称圆筒形电极或开有小孔的金属膜片电极构成，磁透镜一般由轴对称的永久磁铁、有无磁路或有无极靴的电磁线圈构成，这些结构分别形成旋转轴对称的电场和磁场。由旋转轴对称静电场和旋转轴对称静磁场共同组成的复合场对于电子来说，同样具有会聚作用，我们把这种由复合场形成的电子透镜叫复合电子透镜。

基本原理

两个电位不等的同轴圆筒就构成了一个最简单的静电透镜。图6-3为静电透镜的原理图，静电场方向由正极指向负极，静电场的等位面如图6-3中的虚线所示。当电子束沿中心轴射入时，电子的运动轨迹为等位面的法线方向，使平行入射的电子束汇聚于中心光轴上，这就形成了最简单的静电透镜，透射电镜中的电子枪就属于这一类静电透镜。

几种典型静电透镜

膜孔透镜

膜孔透镜结构非常简单，在一个具有小孔的薄片(一般称之为膜孔电极)的两侧设置不同的电位(或不同的电场强度，如图2-11中的E1和E2)，这就是膜孔透镜，如图2-11中a~e所示。当然，要得到图2-11中的电场和电场分布，膜孔电极的两侧还应有辅助电极，显然光有膜孔电极是不能形成透镜的。

图2-11中给出了膜孔透镜的五种情况。E1和E2分别为膜孔两侧的电场强度(箭头表示其方向)，垂直虚线表示等位面；E1=0和E2=0表示该区域和膜孔电极间无电位差(即等电位，或是“0”电位)。穿过膜孔的曲线(带箭头)表示电子(带电粒子)的运动轨迹。从图2-11中可看出，它们对电子都具有会聚或发散的透镜功能。

单透镜

单透镜，一般它由三个电极组成，如图2-12中a~d所示。这种透镜具有和常规光学中的凸透镜那种能把入射光会聚的功能。所以可以说单透镜就是凸透镜，它也是一个会聚透镜，其结构比膜孔透镜稍复杂。其特点为：

①电极可以是圆筒式也可以是膜片式的，但呈对称结构；

②最简单的单透镜只需要一个电位。图2-12中各个电极的电位可以如表2-1所示变化。图2-13是由直径相同三圆筒电极组成的单透镜的电子运动轨迹示意图。显然，V1和V2的电位关系无论怎样变化，电子束总是会聚的。

浸没透镜

为了提高光学显微镜的分辨率常常使用油浸透镜，浸没透镜或浸没电子透镜和这种油浸透镜十分相似。它由两个电极组成(可以是圆筒、膜片，也可以是圆筒、膜片的组合)，如图2-14所示。透镜两侧的电位为常数，但电位不相等。图2-14给出了浸没透镜的几种电极结构形式。

图2-15是三种结构形式浸没透镜的电子运动轨迹示意图。图2-15中的a，b，e三种情形的电位均为V12。

阴极透镜

在电真空器件中几乎都离不开阴极透镜，同样，电子束曝光机的电子枪也是一个阴极透镜。图2-16是阴极透镜的示意图。图2-16中a表示电极和电子运动的轨迹，图2-16中b表示阴极透镜轴上的电位分布。

在图2-16中a，1是阴极，和一般的电真空器件所不同是，在电子束曝光机中，阴极常处于负几十千伏甚至几百千伏的高压状态下；阴极加热电压为几伏或十几伏，该阴极加热电源叠加在负高压电源上(必须注意阴极加热电源的供电系统与高压电源的隔离)。2是栅极(也叫调制极)，其电位一般比阴极还负，栅极电位的变化可通过绝缘调节机构来实现。3是阳极，和一般的电真空器件所不同是，在电子束曝光机中，阳极处于零电位。

在电子束曝光机中，上述电极电位的安排，安全、方便，容易实现。结合图2-16中b的电位分布，不难理解图2-16中a阴极发射电子的运动轨迹。

在电子束曝光机中，人们已经非常注意了栅极电位对于束流和束斑的影响(图2-17是栅极电位对阴极透镜等位面影响的示意图)，但是，阴、栅两电极间的距离也同样对于束流和束斑有着很大影响。

应用情况

在现代电子束曝光机中，电子光学系统已经几乎不使用静电透镜了(电子枪除外)，但是在示波管、显像管等其他一些真空显示器件中仍有应用。

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