中国科学技术大学：《束流光学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 非轴对称电子光学器件

第4章非轴对称电子光学器件 ·有关像差的基本概念 ·4.1偏转系统 ·4.2四极透镜 ·4.3静电柱面透镜 2

2 第4章 非轴对称电子光学器件 • 有关像差的基本概念 • 4.1 偏转系统 • 4.2 四极透镜 • 4.3 静电柱面透镜

回顾 轴对称透镜静电透镜 圆孔 浸没 浸没 类别： 膜片 透镜 及变种，如)单透镜（及变种，如）物镜 结构： 可能的 1 轴上 场分布 等 等

3 回顾

回顾 轴对称透镜磁透镜 类别： 长磁透镜 空心线圈透镜短磁透镜强短磁透镜永磁透镜 结构： 铁 可能的 轴上 场分布 B.(

4 回顾

轴对称透镜 回顾 径向轨迹方程 ('+子(W+2B)r=0 2m 在电子光学中，对于静电透镜(B.=0),则有 六≈为： f。=VVf fi=Vif" 在静电透镜中定义函数R(),R=Vr“简正焦距”F =0长a: 而对于磁透镜（设V=常数），则有 子≈Q:=8Bd:。=f=f=Wf 然后根据轴对称透镜的电磁场分布求的其焦距

5 回顾 然后根据轴对称透镜的电磁场分布求的其焦距

有关像差的基本概念（简单介绍） 前两章介绍了高斯轨迹方程和满足此类方程的粒子轨迹的 “理想”成像特性，结果堪称美妙.但实际生活往往与理想存在差 3.1像差概述此种差异. 像差即指任何不满足理想成像条件的因素造成的差异，或曰 实际轨迹与高斯轨迹的差异.此词亦来自光学，特指成像时“光线” (轨迹)与像平面的交点和高斯像点之差.显然，此种差异可能造 成：图像模糊— 这种交点不是一点，而是在理想像点四周均布的 许多点，又称分辨率下降；形状失真—许多交点向同一方向偏离 理想像点，又称畸变 按原因分，像差(Aberrations)可分为5类，下面依次列出各 类的中英文名称、所不满足的基本假设和可能的造成该种像差“凸 显”的直接原因：

6 有关像差的基本概念(简单介绍)

(1)几何像差(Geometric Aberration):不满足小量假设或旁 轴条件，运动方程有高阶项一 可能束流截面尺寸较大， (2)色差(Chromatism):不满足与纵向运动无耦合的假设 电子初始动量有明显不同（或加速电压波动）」 (3)机械误差(Mechanic Error)：不满足“理想场”假设 可能因制造、安装误差或外场干扰 (4)空间电荷误差(Space Charge Effect):不满足“单粒子” 假设，束流电子间有相互作用—可能电流密度较大 (5)衍射像差(Diffraction):不满足非波动性假设，电子固有 其波动性 可能因图像像素或膜孔孔径甚小 各类像差在一定条件下可以忽略，有些则可以克服.但多数像 差只能设法减少或加以补偿，不能完全消除，因为其“原因”是人力 无法消灭的客观存在.实测到的像差常是不止一类像差的综合表 现.在某些条件下，一类或少数像差可能凸显出来，成为“主要矛 盾”或“元凶首恶”.设计电子光学系统时，应有针对性地加以抑制 或补偿.像差大小是判断系统设计制造优劣得失的一个重要指标， 像差及如何对付的问题是电子光学深入研究的前沿课题之一】

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第4章非轴对称电子光学器件 第4章和第5章将研究以其他方式不同于轴对称场高斯轨迹 的电子运动 本章介绍的几种电子光学器件产生的电磁场不是轴对称的， 但一般有平面对称.很自然地，本章采用直角坐标系，仍以之轴为 “前进方向”，以x,y轴分别指向水平、垂直（或任意的）两个横向 设其中至少一个轴与之轴共同确定的平面是场的对称面.这种平 面对称型的场及适用的坐标系将在束流传输理论部分再仔细讨 论.好在直角坐标系是一种最简单、直观的坐标系，下文谈到的场 型仍各有“理想的”简化模型，故处理起来并无困难.一般而言，描 述平面对称型场，只有场的沿轴分布（如轴上电位及对之的各阶微 商)是不够的，至少还需要场对一个横向(x或y)的微商的沿轴分 布，后者仍在植上，例如兴 ,仅是之的函数；而场在另一横 t.V 向上的变化率由拉普拉斯方程和对称条件限定

8 第4章 非轴对称电子光学器件

4.1偏转系统 本节新谈的偏转系统与束流传输理论中将重点介绍的“弯转” 有所不同，在某种意义上属于轴对称电子光学系统的“附属系统”， 目的在于使束流在一个不大的范围内被偏移，以进行扫描或形成 图像，其最大偏转角很有限.故称为偏转，意指其具有“有限性”和 某种“临时性”.所以，本节中仍将之轴固定在该偏转系统“不工作” 时的理想粒子直线前进方向，于是x,y坐标随之的变化（即轨迹） 就描述了偏转的效果—】 此时它们并非“不理想”程度的标志.这 当然不同于束流传输中粒子理想轨道“弯转”，坐标系随之的情况 此种偏转的功能容易想像.在示波管、显像管、扫描电子显微 镜以及许多束流加工装置和粒子加速器的应用中，临时但要准确、 高质量的束流偏转举足轻重，不可或缺。 9 示波管

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显橡管原理示意图 电子枪 ✉☒E名 电子束 0 荧光屏 偏转线圈 行偏转线圈 偏转线圈是套在显像管 磁环 场偏转线园 颈部的部件，偏转线圈分为 中心调节环 行偏转线圈和场偏转线圈。 行偏转线圈产生的磁 场是垂直的，使显像管内的 电子束作水平方向偏转，把 线圈分为上下两部分，如图 (b)所示，其目的是为了获 得比较均匀的磁场。 场偏转线圈也分为两 ( (b) 个绕组，它们分别绕在铁氧 体磁环的左右两侧。如图(c) 所示。场偏转线圈产生水平 方向的磁场，使电子束作垂 直方向偏转。 行偏转线圈 场偏转线圈 e) (d) 10

10 偏转线圈是套在显像管 颈部的部件，偏转线圈分为 行偏转线圈和场偏转线圈。 行偏转线圈产生的磁 场是垂直的，使显像管内的 电子束作水平方向偏转，把 线圈分为上下两部分，如图 (b)所示，其目的是为了获 得比较均匀的磁场。 场偏转线圈也分为两 个绕组，它们分别绕在铁氧 体磁环的左右两侧。如图(c) 所示。场偏转线圈产生水平 方向的磁场，使电子束作垂 直方向偏转

定义“屏上”偏转位移量与偏转信号之比为偏转灵敏度.所 谓“好”的偏转系统，应该：偏转灵敏度较高，不用太强的信号即可 得到足够的位移：k与信号大小无关，此称为良好的偏转线性：k与 轨迹初始条件无关，故聚焦情况即“光斑”的形状大小不随偏转量 变化.后两项要求若未予满足，将分别造成偏转畸变（偏转线性不 良)或偏转散焦，二者统称为偏转像差.其分类与研究手段和前一 章相仿，本节略加讨论.其存在一般不可避免，“好”的偏转系统只 要求它足够小 示波管 11

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