ОКНО В НЕВИДИМОЕ (ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП)

МАГНИТНЫЕ ЛИНЗЫ

Ассмотрим теперь магнитные линзы.

Подобно телам, заряженным электричеством, маг­ниты тоже создают вокруг себя поле сил — магнитное поле. Это поле можно сделать «видимым», если насы­пать вокруг магнита, лежащего на стекле, железные опилки. При лёгком встряхивании стекла опилки, под действием магнитных сил, расположатся вдоль опреде­лённых линий, сделав их как бы видимыми (рис. 14). Такие линии называются силовыми линиями, т. е. линиями, вдоль которых действуют магнитные силы.

Магнитно'е поле создаётся не только пру помощи естественных или искусственных магнитов, представляю­щих собой куски железа. Оно создаётся также электри-

Ческим током. Чтобы в этом убедиться, поднесите к проводу, по которому идёт электрический ток, компас. Вы увидите, что стрелка компаса отклоняется. Особенно сильное магнитное поле создают проводники, намотан­ные в виде многослойных спиралей. Их называют к а - тушками. В этом случае силовые линии идут почти параллельным потоком внутри катушки; выходя из неё, они расходятся «веером» и затем смыкаются друг с дру­гом (рис. 15).

Чем сильнее ток, который проходит через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее её магнитное поле.

Это поле можно ещё значительно усилить, если по­местить внутри катушки железный сердечник. В этом случае магнитное поле тока намагнитит железный сер­дечник и в результате магнитное поле катушки усилится во много раз.

Магнитное поле действует не только на магнитные стрелки и железные опилки, оно действует и на провод­ники, по которым идёт электрический ток. Это явление нашло себе широчайшее практическое применение. При­мером этого являются электромоторы. Вращение валов

Моторов объясняется как раз действием магнитного поля на уложенную в пазы якоря обмотку, по которой идёт ток.

Но ведь ток, идущий по проводнику, представляет со­бой движение электронов. И если магнитное поле дей­ствует на электроны, движущиеся в проводнике, то по­чему оно не может действовать на электроны, которые движутся свободно, например, на электроны, пролета­ющие в разреженном пространстве электронно-лучевой трубки.

Так в действительности и происходит. Электрон­ные лучи отклоняются в трубке под действием магнитного поля в сторону. Рассмотрим это интересное явление ближе.

Расположим катушку с током, которая создаёт маг­нитное поле, так, как это изображено на рисунке 16. На рисунке показано, как изменил электронный луч, проходящий через магнитное поле, направление своего движения. Электронный луч изогнулся. Таким образом под действием магнитного поля, направленного перпен­дикулярно к движению электронов, электроны движутся

Витии

По окружности. Это значит, что электронные лучи «преломляются».

Преломляющее действие магнитного поля на электрон­ные лучи оказывается тем более сильным, чем сильнее магнитное поле и чем меньше скорость электронов в электронном луче. Это значит, что в случае, изображён­ном на рисунке, искривление электронного луча будет тем больше, чем сильнее магнитное поле и чем медленнее ле­тят электроны. Когда магнитные силы направлены пер­пендикулярно к движению электронов, электронный луч искривляется сильнее всего. Именно этот случай и пока­зан на рисунке 16. Но любое, даже самое сильное магнит­ное поле совсем не действует на электроны, которые летят строго вдоль магнитных силовых линий.

Что же, однако, будет, если электроны влетят в маг­нитное поле не перпендикулярно к нему, но и не вдоль него, а под некоторым промежуточным углом?

Чтобы осуществить этот наиболее важный для нас случай, расположим электронно-лучевую трубку не попе­рёк, а вдоль оси катушки, создающей магнитное поле, т. е. «запрячем» электронно-лучевую трубку внутрь ка­тушки. В этом случае внутри катушки окажется и место вылета расходящегося пучка электронов (отверстие в аноде), и место их падения на флюоресцирующий экран.

Направление

До включения тока в катушке, т. е. до создания внутри неё магнитного поля, электронные лучи будут падать на флюоресцирующий экран расходящимся пучком, давая там сравнительно широкое светящееся пятно. Стоит, од­нако, пустить в катушку ток и соответствующим обра­зом подобрать его силу, как это пятно превратится в узенькое пятнышко.

Что же сделало с расходящимся электронным пучком магнитное поле катушки? Оно собрало электрон­ные лучи в одну точку, т. е. подействовало так, как действует на расходящийся пучок световых лучей стеклянная линза. Электроны, влетающие в магнитное поле катушки расходящимся пучком, движутся в нём по винтовым линиям, как бы ввинчиваясь в магнитное поле.

Таким образом когда электрон влетает в магнитное поле под углом к направлению силовых линий, он «на­винчивается» на них, одновременно совершая и круговое, и поступательное движение, т. е. двигаясь по спирали (рис. 17). Место же пересечения друг с другом спиралей будет одним и тем же для всех электронов, вышедших из одной точки, независимо от того, под каким углом они влетают в магнитное поле катушки (лишь бы эти углы были малы). Но это значит, что элек­троны, вылетевшие из какой-либо точки предмета, затем, под действием магнитного поля, в определённом месте снова соберутся в одну точку. Иначе говоря, вы получите «электронное» изображение соответствующей точки предмета. Вот почему катушка, по которой течёт ток, является для электронных лучей магнитной линзой.

Однако если катушка достаточно длинна, то она яв­ляется мало полезной линзой. Она только собирает элек­тронные лучи, но ещё не даёт увеличения. Если поме­стить внутри длинной катушки предмет, испускающий электроны, то она даст изображение этого предмета по величине равное самому предмету.

Но магнитную линзу можно сделать и увеличивающей. Для этого нужно взять не длинную, а короткую катушку, но сохранить у нее большее число витков. В такой ка­тушке магнитное поле будет и достаточно сильным (боль­шое число витков) и, что важно, сосредоточенным на небольшом пространстве.

Собирающее действие короткой магнитной линзы на расходящийся пучок электронных лучей объясняется тем, что чем дальше от оси они входят в линзу, тем сильнее их закручивает и пригибает к оси магнитное поле.

Увеличивающее же действие этой линзы объясняется тем, что, проходя через магнитное поле, сосредоточенное в небольшом пространстве, электроны успевают описать только часть спирали; поэтому они вылетают из линзы, сильно отклонившись в сторону от первоначального на­правления движения, и изображение точки предмета по­лучится дальше от оптической оси магнитной линзы, чем находится точка самого предмета. Тем самым получится увеличенное изображение предмета.

Магнитная линза тем сильнее преломляет электронные лучи, и, следовательно, даёт тем большее увеличение, чем сильнее магнитное поле, чем на меньшем простран­стве оно сосредоточено и, наконец, чем меньше скорость электронов.

Поместите теперь перед магнитной линзой предмет, испускающий электроны, и вы получите при её помощи увеличенное или уменьшённое изображение предмета
(в зависимости от расстояния предмета до линзы). И если только электроны имеют достаточную скорость, это изо­бражение можно увидеть на флюоресцирующем экране или сфотографировать. Именно так и были устроены пер­вые электронные микроскопы с магнитными линзами.

На рисунке 18 изображена магнитная линза с желез­ным сердечником или, как его называют, п а н ц ы р е м.

Катушка по которой течет ток

Как видно из рисунка, катушка, по которой течёт ток, действительно заключена в железный панцырь. Он со­стоит из двух железных цилиндров, внутреннего и наруж­ного, и двух железных оснований, соединяющих боко­вые цилиндры. Магнитное иоле, создаваемое током ка­тушки и усиленное намагнитившимся железом сердеч­ника, сосредоточивается в этом случае почти целиком внутри железного панцыря. Силовые магнитные линии, подобно подземной реке, совершают весь свой путь внутри панцыря, почти нигде не выходя наружу.

Сделаем теперь узкий кольцевой вырез во внутрен­нем цилиндре (рис. 18). Тогда в этом месте «подземная» магнитная река «выйдет» наружу. Магнитное поле в вы­резе и в непосредственной близости от него будет очень сильным. Вместе с тем, так как вырез узкий, магнитное поле будет одновременно и сосредоточенным в небольшом пространстве.

Панцырная магнитная линза, изображённая на рисун­ке 18, была первой магнитной линзой, позволившей учё­ным получать сильно увеличенные электронные изобра­жения предметов.

Вскоре была изобретена магнитная линза ещё большей силы. Это так называемая линза сполюсныминако- нечниками. Она изображена в разрезе на рисунке 19. Как видите, это тоже панцырная линза, но имеющая наконечники специальной формы. Они сделаны из осо­бого сорта железа. В линзе с наконечниками магнитное поле, действующее на электроны, является особенно сильным и сосредоточенным на очень небольшом прост-

Катушка по которой течет топ

Железный пснцырь Электронный^ лучи ! Изображение точечного источника электроном

Рис. 19. Магнитная линза с железным панцырем и полюсными наконечниками.

Ранстве. Изобретение магнитной линзы с полюсными на­конечниками сделало, наконец, возможным создание пер­вых электронных микроскопов большой разрешающей силы и огромного увеличения (до 200 тысяч раз).

Основное преимущество магнитной линзы по сравне­нию с электростатической заключается в лёгком регулиро­вании её увеличивающей силы. В то время как в электро­статической линзе для этого нужно изменять трудно управляемое высокое напряжение или включать одну за другой несколько линз, в магнитной линзе нужно только изменить ток, питающий её катушку. Так как этот ток никогда не бывает больше 2—3 ампер, такое регу­лирование не представляет никаких трудностей.

Преимущество магнитных линз заключается также и в том, что они не боятся электрического пробоя. Напряже­ние, питающее током катушку магнитных линз, состав­ляет всего 60—100 вольт, тогда как на пластинки оди­ночной электростатической линзы подаётся напряжение в 50 000 вольт. Это нередко приводит к пробою.