III. Elektronová optika KOTLÁŘSKÁ 12. BŘEZNA 2008 Úvodem • S elektrony lze pracovat v přiblížení geometrické optiky, pokud se pohybují v dostatečně plavných polích • Na příkladu elektrostatických polí prozkoumáme konstrukci centrovaných soustav v paraxiální aproximaci • Magnetické čočky jsou ale mnohem zajímavější • I elektronové optické soustavy trpí vadami zobrazení … Vlastně několik reklamních obrázků V dnešní době je elektronová mikroskopie standardní a rozšířenou laboratorní technikou. Variant konstrukce je velký počet. Celý obor se stále rozvíjí. Elektronové svazky se využívají i v technologii, například pro elektronovou litografii. Transmisní elektronový mikroskop Transmisní elektronový mikroskop Typy zobrazení Obrázky ze SEM (neomezená hloubka ostrosti ´ optika) Řádkovací elektronový mikroskop: náš dnešní úhel pohledu Částicová paprsková optika Využití elektronů pro geometrickou optiku s vysokým rozlišením napadlo lidstvo teprve potom, co vlnové vlastnosti elektronu byly již dobře známy. Paprsková ( geometrická ) optika částic Paprsková ( geometrická ) optika částic Paprsková ( geometrická ) optika částic Elektron jako vlna Realistické vlnové délky elektronů v mikroskopu Realistické vlnové délky elektronů v mikroskopu Realistické vlnové délky elektronů v mikroskopu Trajektorie ve vnějších polích Trajektorie ve vnějších polích Trajektorie ve vnějších polích Trajektorie ve vnějších polích Trajektorie ve vnějších polích Teoretický návrh dílů pro elektronovou optiku Od neurčité představy, že elektrické či magnetické pole vychýlí elektronové paprsky žádoucím směrem přejdeme k návrhu optických elementů. Dva kroky ve studiu optického dílu Dva kroky ve studiu optického dílu Dva kroky ve studiu optického dílu Dva kroky ve studiu optického dílu Dva kroky ve studiu optického dílu Dva kroky ve studiu optického dílu Dva kroky ve studiu optického dílu I. Určení průběhu potenciálu V principu velmi jednoduchý úkol: vyřešit Lapaceovu rovnici s Dirichletovou okrajovou podmínkou. Tato část celého postupu však klade největší nároky na použité numerické metody. Bez nich nelze počítat s úspěchem. Řešení Laplaceovy rovnice Řešení Laplaceovy rovnice Řešení Laplaceovy rovnice Řešení Laplaceovy rovnice Řešení Laplaceovy rovnice Řešení Laplaceovy rovnice Numerické metody: Metoda sítí Numerické metody: Metoda konečných prvků Numerické metody: Metoda konečných prvků Numerické metody: Metoda konečných prvků Numerické metody: Metoda konečných prvků Numerické metody: Metoda konečných prvků Znázornění triangulace v metodě konečných prvků Znázornění triangulace v metodě konečných prvků Numerické metody: Metoda konečných prvků Numerické metody: Metoda konečných prvků Numerické metody: Metoda konečných prvků Numerické metody: Metoda konečných prvků Numerické metody: Metoda konečných prvků Metoda konečných elementů II. Určení průběhu paprsků Omezíme se nejprve na osově symetrickou paraxiální oblast. Tam je všechno plně zvládnuto. Zobrazení je tam dokonalé. Paraxiální elektronová optika Paraxiální elektronová optika Realisace paraxiální oblasti Realisace paraxiální oblasti Realisace paraxiální oblasti Paraxiální paprsková rovnice Paraxiální paprsková rovnice Paraxiální paprsková rovnice Paraxiální rovnice: vlastnosti paraxiálního zobrazení Paraxiální rovnice: vlastnosti paraxiálního zobrazení Paraxiální rovnice: vlastnosti paraxiálního zobrazení Paraxiální rovnice: vlastnosti paraxiálního zobrazení Paraxiální rovnice: vlastnosti paraxiálního zobrazení Paraxiální rovnice: vlastnosti paraxiálního zobrazení Elektronové čočky jsou vždy spojky Elektronové čočky jsou vždy spojky Ukázky skutečných výpočtů Kvalita současného zpracování je plně profesionální. Výpočty tohoto typu zrychlují o řády konstrukční práce. Ukázka výpočtu elektrostatické čočky Ukázka výpočtu elektrostatické čočky Ukázka výpočtu elektrostatické čočky Ukázka výpočtu elektrostatické čočky Termoemisní zdroj LaB[6 ]Termoemisní zdroj LaB[6 ]Termoemisní zdroj LaB[6 ]Termoemisní zdroj LaB[6 ]Termoemisní zdroj LaB[6 ]TFE zdroj TFE zdroj Magnetické čočky Magnetické čočky a jiné součásti převládají v praxi. Jejich pochopení je ale obtížnější. Zde jen několik poznámek. Magnetická čočka Magnetická čočka Magnetická čočka Magnetická čočka (Ruskův náčrtek) Magnetická čočka: jak funguje Magnetická čočka: jak funguje Magnetická čočka: jak funguje Magnetická čočka: jak funguje Magnetická čočka: jak funguje Moderní magnetická čočka Mez rozlišení pro elektronový mikroskop … také elektronový mikroskop strádá vadami optického zobrazení, dokonce hůře, než světelné přístroje Vady zobrazení elektronové čočky Vady zobrazení elektronové čočky: chromatická vada Vady zobrazení elektronové čočky: otvorová vada Vady zobrazení elektronové čočky: otvorová vada Vady zobrazení elektronové čočky: otvorová vada Ohybová vada Ohybová vada Ohybová vada Ohybová vada Je tedy otvorová vada nepřekonatelná? Je tedy Otvorová vada je překonatelná Brno a elektronový mikroskop … tedy Armin Delong a elektronový mikroskop The end Figure 3. Comparison of image formation.