Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

Чтобы использовать все электроны, испускаемые нитью, необ­ ходимо, прежде всего, ускорять электроны достаточно высоким напряжением. Нить испускает определенное число электронов в еди­ ницу времени. Все эти электроны должны оттягиваться от нити. Если напряжение мало, то около нити образуется электронное обла­ ко, которое будет препятствовать эмиссии. По мере увеличения на­ пряжения облако постепенно рассасывается и термоэлектронный ток растет. Наконец, мы доходим до напряжения, при котором элек­ тронное облако не образуется. Дальнейшее увеличение напряжения уже не приведет к нарастанию термоэлектронного тока — мы до­ стигли тока насыщения. При этом условии и должна работать элек­ тронная пушка. Итак, достаточное напряжение обеспечит отвод от нити всех ее электронов.

Далее перед техникой встает задача увеличить выход электронов нити. Вольфрамовые катоды во много раз перекрыты в отношении эмиссионных свойств торированными и оксидными катодами. Торированный катод — это вольфрамовая проволочка, покрытая тон­

которую нанесен слой окислов щелочноземельных металлов. Этот катод уже при 900 °С дает ток, получаемый от вольфрама при 2400 °С.

В современных электронных приборах оксидный катод при­ меняется с косвенным подогревом: катод изготовляется в виде тру­ бочки, внутрь которой вставляется вольфрамовая спираль, разо­ греваемая током.

§ 169. Электронные линзы

Электрические и магнитные поля позволяют управлять электрон­ ным пучком. Однако их действие не ограничивается возможностями отклонения пучка от первоначального направления. При помощи различных полей можно параллельный пучок электронов сделать сходящимся или расходящимся, можно расходящийся из одной точки пучок свести в другую точку. Весьма простые системы полей позволяют изготовить «линзы» для электронного пучка. Становится возможным создание большой области науки — электронной опти­ ки, наиболее существенным достижением которой является электрон­ ный микроскоп.

Вспомним свойства обычной световой двояковыпуклой линзы. Если поместить с одной ее стороны предмет, то с другой стороны линзы возникнет увеличенное или уменьшенное изображение пред­ мета. Это происходит по той причине, что все лучи, выходящие из какой-либо точки объекта, собираются в одну точку изображения; при этом все точки изображения попадают в одну и ту же плоскость, перпендикулярную к оси симметрии линзы. Простое геометрическое построение, проделанное на рис. 193, показывает, почему линза

работает таким способом: упавший на нее луч отклоняется на угол, пропорциональный расстоянию h между осью симметрии и точкой пересечения луча с линзой. Построение произведено для точки

Рис. 193.

предмета, лежащей на оси симметрии. Но такой же результат будет верен и для других точек. Следует оговориться (как это, впрочем, делается и в оптике), что рассуждения справедливы для тонких линз и пучков, расходящихся в пределах малого телесного угла.

Покажем теперь, что роль линз с успехом выполняют электри­

ческие и магнитные поля с осевой симметрией. Такие поля можно

ill!"

іI И Ш

i l l !

получить от заряженных электричеством пластинок с круглым от­ верстием, от цилиндрических конденсаторов, витков тока и плоских катушек. Существует большое число систем, ведущих себя как линзы по отношению к электронному лучу. Нам достаточно для по­

в одной из пластин которого сделано круглое отверстие (рис. 194). Если электронный пучок будет падать на это отверстие со стороны

однородного поля, то он будет фокусироваться. Действительно, когда электрон попадет в область неоднородного поля, то на него будет действовать сила, перпендикулярная к эквипотенциальным " поверхностям и, следовательно, образующая угол с осью симметрии. Раскладывая эту силу на две, мы видим, что имеется радиальная составляющая, прижимающая электроны к оси. Однако это­ го было бы недостаточно, что­ бы рассмотренная система играла роль линзы. Нужно еще, чтобы радиальная состав­ ляющая поля была пропор­ циональна расстоянию между осью симметрии и точкой по­ падания электрона в плос­

кость отверстия. Несложный вывод показывает, что так оно и есть. Радиальная составляющая напряженности электрического по­

зательства рассмотрим маленький цилиндр, расположенный, как показано на рис. 195 (расстояние /—2 считаем бесконечно малым). Так как внутри цилиндра зарядов нет, то разность потоков через

ются на ось симметрии, сделав виток спирали. Фокусирующие свойст­ ва катушки несомненны. Можно доказать, что угол отклонения луча пропорционален расстоянию этого луча от оси симметрии. Магнит­ ная катушка меняет азимут электронной траектории, значит, изоб­ ражение предмета в такой линзе будет повернуто. Однако и этот поворот не искажает электронно-оптического изображения.

Итак, если предмет рассеивает или излучает электронные лучи, то, поставив по ходу этих рассеянных электронов электрическую или магнитную линзу, мы можем получить «электронное изображение»

предмета. Если в плоскость изображения поставить фотопластин­ ку или светящийся экран, то возникнет своеобразная «картина» предмета, яркая в тех точках, которые излучают или рассеивают много электронов, темная в тех местах, которые соответствуют отсутствию рассеяния и излучения в предмете. Так как можно по­ строить системы электронных линз, дающие увеличенное изображе­ ние предмета, то становится возможным осуществление электронного микроскопа.

§ 170. Электронный микроскоп

Электронный микроскоп, т. е. такой микроскоп, в котором роль лучей света играют электронные лучи, обладает исключительными, еще до конца не исчерпанными возможностями непосредственного «разглядывания» объекта. Дело заключается в том, что возможности увеличения объекта, рассматриваемого в электронном микроскопе, вообще говоря, неограниченны. В то же время оптический микроскоп может дать увеличение не более чем в 2000—3000 раз.

Чтобы понять причины этого различия, нам нужно познакомить­ ся с понятием разрешающей способности микроскопа. Вопрос ста­ вится следующим образом: каковы условия раздельного видения двух близких точек?

Представим себе, что перед щелью или круглым отверстием нахо­ дится идеально точечный источник света. После того как свет прой­ дет через отверстие, возникнет дифракционная картина. Линза, по­ ставленная позади отверстия, не соберет лучи в одну точку. На­ против, возникнет размытый кружок (или полоса, смотря по тому, идет ли речь о круглом отверстии или щели), окруженный чередую­ щимися темными и светлыми кольцами. На стр. 333 мы вычислили величину этого размытия для щели. Радиус диска, которым изобра­ зится точка после дифракции от отверстия, был приведен на стр. 334. Он равен 1.22А.//Я.

Каждый оптический прибор обязательно имеет входное отвер­ стие — объектив. Дифракция на объективе является неизбежным обстоятельством, и любая светящаяся точка в фокальной плоскости прибора расплывается в светлый кружок. Угловой размер радиаль­

фокусного расстояния и диаметра объектива. Для микроскопа эта формула дает лишь порядок величины, так как предмет близок к объ­ ективу и нельзя считать пучок лучей параллельным. Однако мы не станем вдаваться в детали, так как интересны лишь качественные оценки.

Если две светящиеся точки, которые наблюдаются в микроскоп, настолько близки, что светлые диски их изображений находятся своими центрами ближе друг к другу, чем на расстоянии, равном радиусу диска, то раздельное видение этих двух точек становится невозможным.