Большая энциклопедия техники
Шрифт:
Для решения большинства задач электронной и ионной оптики достаточно рассматривать движение заряженных частиц, не выходя за рамки классической механики, так как волновая природа частиц в данных задачах почти не проявляется. В таком приближении электронная и ионная оптика носит название геометрической электронной и ионной оптики, что объясняется наличием глубокой аналогии между геометрической электронной и ионной оптикой и геометрической оптикой световых лучей, которая заключается в том, что поведение пучков заряженных частиц в магнитных и электрических полях во многом сходно с поведением пучков лучей света в неоднородных оптических средах. В основе приведенной аналогии лежит более общая аналогия между световой геометрической оптикой и классической механикой, установленная У. Р. Гамильтоном, который в 1834 г. доказал, что общее уравнение механики подобно по форме оптическому уравнению эйконала. Как и в световой геометрической оптике, в геометрической электронной и ионной оптике вводится понятие преломления показателя, при установлении погрешностей изображения – аберраций, значительная часть которых подобна аберрациям
В электронно-оптических устройствах широко используются магнитные и электрические поля, имеющие симметрию вращения относительно оптической оси системы. Электронные линзы и электронные зеркала с подобными полями называются осесимметричными. Электрические поля с симметрией вращения образуются электродами в виде диафрагм с круглыми отверстиями, чашечек, цилиндров и т. п. Для получения осесимметричных магнитных полей применяют электромагниты (редко постоянные магниты) с полюсами, имеющими форму тел вращения или тороидальных катушек с намоткой из изолированной проволоки, по которой протекает электрический ток. Осесимметричные зеркала и линзы образуют правильные электронно-оптические изображения, если заряженные частицы движутся довольно близко к оси симметрии поля, а их начальные скорости незначительно отличаются друг от друга. Если данные условия не выполняются, погрешности изображения становятся довольно значительными. Когда изображение и предмет находятся за пределами поля, осесимметричные электронные линзы всегда являются собирающими. В электростатических осесимметричных электронных линзах, как и в светооптических линзах, имеющих сферические поверхности, изображение может быть только перевернутым или прямым, в магнитных электронных линзах оно еще дополнительно повернуто на некоторый угол. Электронно-оптические свойства поля с симметрией вращения обусловливаются положением его основных точек, подобных основным точкам светооптических осесимметричных изображающих систем: двух узловых точек, двух главных точек и двух фокусов. Построение изображения осуществляется по правилам световой геометрической оптики. Электростатическим осесимметричным полям присущи те же пять видов геометрических аберраций третьего порядка, что и центрированным светооптическим системам сферических поверхностей: кривизна поля изображения, сферическая аберрация, астигматизм, дисторсия и кома. В магнитных полях к этим пяти добавляются еще три: анизотропные дисторсия, кома и астигматизм. Помимо этого существуют три вида хроматических аберраций, определенных некоторым неизбежным разбросом энергий, которые поступают в поле частиц. Аберрации полей с симметрией вращения в сравнимых условиях сильно превышают по величине аберрации светооптических центрированных систем, т. е. электронные зеркала и электронные линзы по качеству значительно уступают светооптическим. Вопрос о компенсации аберраций или их снижения является одним из главных в теории электронной и ионной оптики.
Существуют и другие типы электронных зеркал и электронных линз, поля которых имеют различные виды симметрии. Они образуют изображения точечных объектов в виде отрезков, однако иногда могут осуществлять и стигматическую фокусировку. Так называемые магнитные, электростатические и цилиндрические зеркала и линзы создают линейные изображения точечных предметов. Поля в подобных электронных линзах «двумерны» и симметричны относительно некоторой средней плоскости, около которой движутся заряженные частицы. В ряде аналитических электровакуумных устройств высококачественная фокусировка нужна только в одном направлении. В подобных случаях целесообразно использовать так называемые трансаксиальные электростатические электронные линзы или трансаксиальные электронные зеркала, аберрации которых в средней плоскости весьма малы. Для воздействия на пучки заряженных частиц с большими энергиями применяют квадрупольные электронные линзы (магнитные и электрические). Для отклонения пучков заряженных частиц применяют электроннооптические устройства с магнитными или электрическими полями, направленными поперек пучка. Элементарным электрическим отклоняющим элементом является плоский конденсатор. В электроннолучевой трубке с целью уменьшения отклоняющего напряжения используют системы с электродами более сложной формы. Магнитные поля, которые предназначены для отклонения пучков, образуются проводниками или электромагнитами, по которым протекает ток.
Весьма разнообразны формы отклоняющих магнитных и электрических полей, используемых в аналитических приборах, в которых применяется свойство этих полей разделять заряженные частицы по массе и энергии. Широко применяется также их свойство фокусировать пучки. Электрические поля, как правило, формируются различными конденсаторами: сферическим, цилиндрическим, плоским. Из магнитных полей часто используются секторное поле и однородное поле. Для улучшения качества фокусировки искривляют границы секторных магнитных полей, а также используют неоднородные магнитные поля, напряженность которых изменяется по определенному закону.
Перечисленные отклоняющие магнитные и электрические устройства, иногда называются электронными призмами, которые отличаются от светооптических призм тем, что они могут не только отклонять, но и фокусировать пучки заряженных частиц. Фокусировка является причиной попадания в поля подобных устройств параллельных пучков, и после отклонения они перестают быть параллельными. Между тем для изготовления высококачественных аналитических ионных и электронных приборов по точному подобию со светооптическим призменным спектрометром нужны электронные призмы, которые аналогично световым призмам сохраняют параллельность пучков. В качестве подобных электронных
Электронная лампа
Электронная лампа – электровакуумный прибор, действие которого базируется на изменении потока электронов, отниманием от катода и движущихся в вакууме, электрическим полем, образуемым с помощью электродов. В зависимости от значения выходной мощности электронные лампы делятся на приемно-усилительные лампы, выходная мощность которых не свыше 10 Вт, и генераторные лампы мощностью свыше 10 Вт.
Первые электронные лампы появились в начале XX в. Это были электровакуумные триоды и диоды – разрабатывались на базе техники производства ламп накаливания и по внешнему виду были очень схожи с лампами накаливания: стеклянная колба, в центре которой находится вольфрамовая нить накала, которая служит катодом.
Уже в 1930-е гг. внешний вид электронных ламп значительно изменился, однако слово «лампа» в ее названии осталось до наших дней. В первой половине XX в. электронные лампы оказали решающее воздействие на характер развития радиотехники.
На их базе появились радиолокация, радиосвязь, звуковое радиовещание, телевидение, вычислительная техника в лице ЭВМ первого поколения. За период 1921—1941 гг. ежегодный мировой выпуск электронных ламп возрос с одного до сотен миллионов штук. Однако успехи полупроводниковой электроники определили бесперспективность дальнейшей разработки радиоаппаратуры на базе приемно-усилительных ламп.
В 60—70-х гг. ХХ в. разработка подобной аппаратуры была остановлена; в результате ежегодный мировой выпуск приемно-усилительных ламп за 1960—1973 гг. уменьшился приблизительно в 3 раза.
Успехи полупроводниковой электроники не оказали влияния на развитие генераторных ламп, поскольку выходная мощность полупроводниковых приборов на радиочастотах не выше 10—100 Вт. Производимые генераторные лампы (тетроды и триоды) характеризуются в непрерывном режиме мощностью от 50 Вт до 3 МВт и до 10 МВт в импульсном режиме. При разработке новых видов генераторных ламп основное внимание уделяется линейности сеточной характеристики (зависимости анодного тока электронных ламп от напряжения на первой сетке; у сегодняшних ламп искажения третьего порядка снижены до – 45 дБ); увеличению коэффициента усиления по мощности до 25—30 дБ; повышению КПД (например, у триодов с магнитной фокусировкой электронов, применяемых для высокочастотного нагрева, он достигает 90%); уменьшению сеточного тока и т. д.
Раздел 15. Оптика
Бинокль
Бинокль – оптический прибор для рассматривания находящихся вдали объектов двумя глазами. Принципиальная конструкция бинокля – это две зрительные трубы, соединенные вместе и расположенные параллельно. Бинокли по своей конструкции и устройству различаются по типам: бинокль Галилея и бинокль призменный (Малофеева– Порро). Бинокль Галилея дает прямое изображение предметов и имеет высокую светосилу, фокусное расстояние его объектива – положительное, окуляра – отрицательное. Но его недостаток – малое поле зрения, и его увеличение составляет всего 2,5—4 крат, поэтому его применение ограничено. Бинокль призменный дает перевернутое изображение из-за применения относительно длинных зрительных труб и имеет оборачивающую систему, обладает большим полем зрения, повышенной стереоскопичностью. В фокальной плоскости объектива применяется сетка для определения расстояний и угловых расстояний между объектами. Начало создания оптических приборов для наблюдения дальних объектов относится к 1609 г., когда Г. Галилей построил зрительную трубу для астрономических наблюдений. В 1630 г. И. Кеплер построил зрительную трубу, отличающуюся от конструкции Галилея увеличением поля зрения. Поэтому в современных оптических приборах используются окуляры кеплеровских зрительных труб. Основные характеристики современного бинокля – это увеличение, угол поля зрения, диаметр объектива, пластичность. Бинокли различаются по кратности, т. е. по увеличению на группы: 2—4-кратное – малое увеличение (театральное), 5—8-кратное – среднее увеличение, 10—22-кратное – большое увеличение. Угол поля зрения бинокля прямо пропорционален углу поля зрения окуляра и обратно пропорционален увеличению. Различные окуляры имеют угол поля зрения до 70—90°. Величина диаметра объектива – показатель использования данного бинокля ночью или в сумерках. Диаметр объектива определяет разрешающую способность бинокля.
Качество стекла и просветление оптики определяют коэффициент пропускания бинокля, он составляет до 0,9 для бинокля Галилея и до 0,75 – для призменного бинокля. Оптическая пластичность – это усиление стереоскопического эффекта. Она равна произведению увеличения бинокля и увеличения базы. Пластичность бинокля с разведенными объективами составляет 0,5—2, что способствует полному использованию поля зрения бинокля. Для людей, носящих очки, разработаны специальные бинокли с большим удалением диаметра объектива от последней линзы окуляра и составляющим до 18 мм, в отличие от обычных, имеющих это расстояние до 12 мм. Призменные бинокли по способу наведения на фокус делятся на типы и бывают с центральной или раздельной фокусировкой. Наведение на фокус может осуществляться или при отдельном выдвижении каждого окуляра, или одновременном выдвижении обоих окуляров сразу. Возможно также выдвижение одного окуляра относительно другого, это удобно для наблюдения разноудаленных от наблюдателя объектов. Сфера применения современных биноклей очень широка. Они используются в военном деле, в научных исследованиях, навигации, путешествиях, геодезии, в геолого-разведочных работах и других областях.