Elektronenoptik: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 18. Februar 2022, 23:31 Uhr

Die Elektronenoptik befasst sich mit der Fokussierung und Abbildung von Elektronenströmen im Vakuum mittels elektrischer oder magnetischer Felder.^[1]

Sind die bewegten geladenen Teilchen Ionen, so spricht man von Ionenoptik, z. B. beim Feldionenmikroskop, mit dem Erwin Wilhelm Müller 1950 erstmals einzelne Atome „sehen“ konnte.

Grundlagen

Magnetische Linse

Eine Einzellinse ist eine spezielle elektrostatische Linse. Gezeigt ist der Flugpfad von positiv geladenen Ionen. Sechs Platten sind parallel zum Flugpfad ausgerichtet und die mittlere Platte liegt auf einem speziellen Potential.

Elektrische und magnetische Felder wirken auf geladene Teilchen im Vakuum ähnlich wie optische Medien auf den Lichtstrahl. Dies wurde 1926 erstmals von Hans Busch beschrieben und berechnet, der als Begründer der Elektronenoptik gilt.

Die Kraftwirkung elektrischer Felder ist parallel zu deren Feldlinien, während die Lorentzkraft in einem Magnetfeld senkrecht sowohl auf dem Geschwindigkeitsvektor der Ladungsträger als auch auf der magnetischen Flussdichte steht.

Zylindersymmetrische inhomogene Felder, seien sie nun elektrisch oder magnetisch, wirken wie Linsen. Orthogonale Felder wirken wie Prismen (Ablenkmagnet, Ablenkplatten). Netze und dahinter liegende negativ geladene Platten wirken reflektierend.

Viele Prinzipien der Lichtoptik lassen sich auf die Elektronenoptik übertragen, so lässt sich der Brechungsindex aus dem Fermatschen Prinzip herleiten. Auch einige optische Abbildungsfehler sind auf die Elektronenoptik übertragbar. Die Abbildungsgesetze rotationssymmetrischer Felder gelten für den paraxialen Strahlengang, also für Elektronen die dicht an der Symmetrieachse bleiben.

Anwendungen

Elektronenoptische Systeme findet man vor allem zur Fokussierung von Elektronenstrahlen.

Ein typisches Beispiel sind Bildröhren (Braunsche Röhren bzw. Kathodenstrahlröhren) in Bildaufnahmeröhren (Fernsehaufnahmeröhren), Oszilloskopen und Röhrenfernsehern.

Elektronenoptik dient zur Projektion eines aus Elektronen bestehenden Bildes (Elektronen-Abbildung) in Bildwandlerröhren, Transmissionselektronenmikroskopen (TEM) und Rasterelektronenmikroskopen (REM). In Letzterem wird der extrem genau fokussierte Elektronenstrahl abgelenkt und tastet rasterartig die Probe ab, welche ihrerseits ortsabhängig Sekundärelektronen abgibt.

In Teilchenbeschleunigern werden geladene Teilchen magnetisch abgelenkt und mit elektrischen Feldern beschleunigt.

Erste Bildröhren in den 1950er Jahren hatten eine magnetische Fokussierung des Elektronenstrahls auf den Bildschirm. Sie bestand aus einer mechanisch verstellbaren Kombination aus zwei gegensinnig hintereinander angeordneten Ringmagneten auf dem Bildröhrenhals. Ein Beispiel war z. B. die Fernsehbildröhre Typ „B43M1“. Das Feld der Ringmagnete wirkt als magnetische Linse auf den Elektronenstrahl.

Magnetische Fokussierung wird auch heute bei Systemen mit hohen Strahlleistungen angewendet. Die Fokussierung ließ sich später, wie das bereits bei den Oszillografenröhren der Fall war, statt der Ringmagnete auch in Bildröhren mit elektrischen, durch präzise Zylinder und Lochblenden erzeugten Feldern erreichen. Die Punktschärfe (Fokussierung) bei Bildröhren wird durch eine oder zwei Spannungen (Fokussierspannung) eingestellt. Bei dieser sogenannten elektrostatischen Fokussierung wird der Leuchtpunkt des Elektronenstrahls durch Einstellen der Felder bei den Fokussierelektroden durch eine sogenannte elektrostatische Linse gebündelt. Die erforderlichen Spannungen werden wie auch die Anodenspannung im Zeilentransformator erzeugt und können mit einem Potentiometer im Inneren des Fernsehers eingestellt werden.

Abstimmanzeigeröhren (Magische Augen) enthielten bereits vor der Entwicklung von Bildröhren Ablenkstäbchen als Elektroden zur Veränderung der die Anzeige bildenden Strahlform.

Auflösungsgrenze

Die Auflösungsgrenze von elektromagnetischen Optiken lässt sich in Analogie zur Auflösungsgrenze in der Optik berechnen, indem man die De-Broglie-Wellenlänge einsetzt.

Siehe auch

Feldemissionsmikroskop

Weblinks

Beiträge zur Elektronenoptik, H. Busch und E. Brüche, Verlag von Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1937 (PDF; 377 kB).

Einzelnachweise

↑ Frank Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, S. 211–238, Springer, 2008, ISBN 978-3540752813.

[1] Frank Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, S. 211–238, Springer, 2008, ISBN 978-3540752813.

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-Die '''Elektronenoptik''' befasst sich mit der Fokussierung und Abbildung von [[Elektron]]enströmen im Vakuum mittels elektrischer oder magnetischer Felder.<ref>Frank Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, S. 211 - 238, Springer, 2008, ISBN 978-3540752813.</ref>
+Die '''Elektronenoptik''' befasst sich mit der [[Fokus]]sierung und Abbildung von [[Elektronenstrahl|Elektronenströmen]] im [[Vakuum]] mittels [[Elektrisches Feld|elektrischer]] oder [[Magnetisches Feld|magnetischer Felder]].<ref>Frank Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, S. 211–238, Springer, 2008, ISBN 978-3540752813.</ref>
+Sind die bewegten geladenen Teilchen [[Ion]]en, so spricht man von '''Ionenoptik''', z.&nbsp;B. beim [[Feldionenmikroskop]], mit dem [[Erwin Wilhelm Müller]] [[1950]] erstmals einzelne Atome „sehen“ konnte.
 == Grundlagen ==
-[[Elektrisches Feld|Elektrische]] und [[Magnetisches Feld|magnetische Felder]] wirken auf [[Elektrische Ladung|geladene Teilchen]] im [[Vakuum]] ähnlich wie optische Medien auf den Lichtstrahl. Dies wurde 1926 erstmals von [[Hans Busch (Physiker)|Hans Busch]] beschrieben und berechnet, der als Begründer der Elektronenoptik gilt. Sind die bewegten geladenen Teilchen [[Ion]]en, so spricht man von '''Ionenoptik''', z.&nbsp;B. beim [[Feldionenmikroskop]], mit dem [[Erwin Wilhelm Müller]] [[1950]] erstmals einzelne Atome „sehen“ konnte.
-Die Kraftwirkung elektrischer Felder ist parallel zu deren Feldlinien, während die [[Lorentzkraft]] in einem Magnetfeld senkrecht sowohl auf dem Geschwindigkeitsvektor der Ladungsträger als auch auf der [[Magnetische Flussdichte|magnetischen Flussdichte]] steht. [[Symmetrie_%28Geometrie%29#Rotationssymmetrie|Zylindersymmetrische]] Felder, seien sie nun elektrisch oder magnetisch, entsprechen Linsensystemen, parallele elektrisch geladene Platten entsprechen Prismen und mit feinen geladenen Netzen und dahinter liegenden geladenen Platten lassen sich Spiegel realisieren. Viele Prinzipien der Lichtoptik lassen sich auf die Elektronenoptik übertragen, so lässt sich der [[Brechungsindex]] aus dem [[Fermatsches Prinzip|Fermatschen Prinzip]] herleiten. Auch einige [[Abbildungsfehler|optische Abbildungsfehler]] sind auf die Elektronenoptik übertragbar. So gelten die [[Abbildungsgesetz]]e [[Rotationssymmetrie|rotationssymmetrischer]] Felder für den „paraxialen“ Strahlengang, also für Elektronen die „dicht“ an der Symmetrieachse bleiben.
+[[Bild:Magnetic lens.jpg|mini|Magnetische Linse]]
-Der Farbe in der Optik entspricht die Geschwindigkeit der Elektronen. So werden schnelle Elektronen weniger ausgelenkt als langsame.
+[[Bild:Einzel lens.png|mini|300px|Eine [[Einzellinse]] ist eine spezielle elektrostatische Linse. Gezeigt ist der Flugpfad von positiv geladenen Ionen. Sechs Platten sind parallel zum Flugpfad ausgerichtet und die mittlere Platte liegt auf einem speziellen Potential.]]
+Elektrische und magnetische Felder wirken auf [[Elektrische Ladung|geladene Teilchen]] im Vakuum ähnlich wie optische Medien auf den Lichtstrahl. Dies wurde 1926 erstmals von [[Hans Busch (Physiker)|Hans Busch]] beschrieben und berechnet, der als Begründer der Elektronenoptik gilt.
-== Anwendungen ==
+Die Kraftwirkung elektrischer Felder ist parallel zu deren Feldlinien, während die [[Lorentzkraft]] in einem Magnetfeld senkrecht sowohl auf dem Geschwindigkeitsvektor der Ladungsträger als auch auf der [[Magnetische Flussdichte|magnetischen Flussdichte]] steht.
-Elektronenoptische Systeme findet man vor allem zur Fokussierung des [[Elektronenstrahl]]es in Bildröhren ([[Braunsche Röhre]]: Kathodenstrahlröhre) und [[Bildaufnahmeröhre]]n (Fernsehaufnahmeröhren) und zur Projektion eines aus Elektronen bestehenden Bildes (Elektronen-Abbildung) in [[Restlichtverstärker|Bildwandlerröhren]] und [[Transmissionselektronenmikroskop]]en (TEM).
-Ein weiteres umfangreiches Anwendungsgebiet sind [[Teilchenbeschleuniger]].
+[[Symmetrie (Geometrie)#Rotationssymmetrie / Drehsymmetrie|Zylindersymmetrische]] inhomogene Felder, seien sie nun elektrisch oder magnetisch, wirken wie Linsen. Orthogonale Felder wirken wie Prismen ([[Ablenkmagnet]], Ablenkplatten). Netze und dahinter liegende negativ geladene Platten wirken reflektierend.
-Ein Einsatzgebiet ist auch das [[Rasterelektronenmikroskop]]. Die Elektronen werden hier wie bei einer Bildröhre von einer beheizten [[Glühkathode|Kathode]] durch [[Glühemission]] emittiert. Im sogenannten Strahlsystem befinden sich beschleunigende und abbremsende Elektroden in Form von Lochblenden. Sie werden als [[Wehneltzylinder]], Fokussier- und Beschleunigungselektroden bezeichnet und oft mit g1, g2 usw. der Reihe nach durchnummeriert. Der extrem genau fokussierte Elektronenstrahl wird abgelenkt und tastet rasterartig die Probe ab.
+Viele Prinzipien der Lichtoptik lassen sich auf die Elektronenoptik übertragen, so lässt sich der [[Brechungsindex]] aus dem [[Fermatsches Prinzip|Fermatschen Prinzip]] herleiten. Auch einige [[Abbildungsfehler|optische Abbildungsfehler]] sind auf die Elektronenoptik übertragbar. Die [[Abbildungsgesetz]]e [[Rotationssymmetrie|rotationssymmetrischer]] Felder gelten für den ''paraxialen'' Strahlengang, also für Elektronen die dicht an der Symmetrieachse bleiben.
-Zu Beginn der Fernsehtechnik in den [[1950er]] Jahren wurde zur [[Fokussierung]] des Elektronenstrahls auf den Bildschirm eine magnetische Fokussierung verwendet. Sie bestand aus einer mechanisch verstellbaren Kombination aus zwei gegensinnig hintereinander angeordneten Ringmagneten auf dem Bildröhrenhals. Ein Beispiel war z. B. die Fernsehbildröhre Typ „B43M1“.
+== Anwendungen ==
+Elektronenoptische Systeme findet man vor allem zur Fokussierung von [[Elektronenstrahl]]en.
-Die Ringmagnete wirken als magnetische Linse auf den Elektronenstrahl, ähnlich wie [[Kondensor]]linsen in der [[Optik]], mit denen ein [[Lichtstrahl]] beispielsweise in einem [[Projektor]] auf das zu projizierende Objekt [[Fokussierung|fokussiert]] wird.
+Ein typisches Beispiel sind Bildröhren ([[Braunsche Röhre]]n bzw. Kathodenstrahlröhren) in [[Bildaufnahmeröhre]]n (Fernsehaufnahmeröhren), Oszilloskopen und Röhrenfernsehern.
-Magnetische Fokussierung wird auch heute bei Systemen mit hohen Strahlleistungen angewendet.
+Elektronenoptik dient zur Projektion eines aus Elektronen bestehenden Bildes (Elektronen-Abbildung) in [[Restlichtverstärker|Bildwandlerröhren]], [[Transmissionselektronenmikroskop]]en (TEM) und [[Rasterelektronenmikroskop]]en (REM). In Letzterem wird der extrem genau fokussierte Elektronenstrahl abgelenkt und tastet rasterartig die Probe ab, welche ihrerseits ortsabhängig Sekundärelektronen abgibt.
-Für Farbfernseher ist sie jedoch ungeeignet, da die hier erforderlichen drei Strahlen gegeneinander verdreht würden. Auch sind die schweren Magnete am Bildröhrenhals unpraktisch.
+In [[Teilchenbeschleuniger]]n werden geladene Teilchen magnetisch abgelenkt und mit elektrischen Feldern beschleunigt.
-Abstimmanzeigeröhren ([[Magisches Auge (Radio)|Magische Augen]]) enthielten bereits vor der Entwicklung von Bildröhren Ablenkstäbchen als Elektroden zur Veränderung der die Anzeige bildenden Strahlform.
+Erste Bildröhren in den [[1950er]] Jahren hatten eine magnetische [[Fokussierung]] des Elektronenstrahls auf den Bildschirm. Sie bestand aus einer mechanisch verstellbaren Kombination aus zwei gegensinnig hintereinander angeordneten Ringmagneten auf dem Bildröhrenhals. Ein Beispiel war z. B. die Fernsehbildröhre Typ „B43M1“. Das Feld der Ringmagnete wirkt als magnetische Linse auf den Elektronenstrahl.
-Die Fokussierung ließ sich später, wie das bereits bei den [[Oszillograf]]enröhren der Fall war, statt der Ringmagnete auch in Bildröhren mit elektrischen, durch Lochblenden erzeugten Feldern erreichen.
+Magnetische Fokussierung wird auch heute bei Systemen mit hohen Strahlleistungen angewendet. Die Fokussierung ließ sich später, wie das bereits bei den [[Oszillograf]]enröhren der Fall war, statt der Ringmagnete auch in Bildröhren mit elektrischen, durch präzise Zylinder und Lochblenden erzeugten Feldern erreichen. Die Punktschärfe (Fokussierung) bei Bildröhren wird durch eine oder zwei Spannungen (Fokussierspannung) eingestellt. Bei dieser sogenannten elektrostatischen Fokussierung wird der Leuchtpunkt des Elektronenstrahls durch Einstellen der Felder bei den Fokussierelektroden durch eine sogenannte elektrostatische Linse gebündelt. Die erforderlichen Spannungen werden wie auch die Anodenspannung im [[Zeilentransformator]] erzeugt und können mit einem [[Potentiometer]] im Inneren des Fernsehers eingestellt werden.
-Bei den Bildröhren mit statischer Fokussierung wird der Leuchtpunkt des Elektronenstrahls durch Einstellen eines Feldes an den Fokussiergittern g3, g4, g5 durch eine sogenannte elektrostatische Linse gebündelt. Die Punktschärfe (Fokussierung) wird durch eine oder zwei Spannungen (Fokussierspannung) eingestellt. Die Spannungen werden wie auch die Anodenspannung im Zeilentransformator erzeugt und können mit einem Potentiometer im Inneren des Fernsehers eingestellt werden.
+Abstimmanzeigeröhren ([[Magisches Auge (Radio)|Magische Augen]]) enthielten bereits vor der Entwicklung von Bildröhren Ablenkstäbchen als Elektroden zur Veränderung der die Anzeige bildenden Strahlform.
-Um an jeder Stelle des Bildschirmes einen scharfen Leuchtpunkt zu erhalten, müsste der Bildschirm jedoch die Form einer Kugelkalotte haben. Da dies nicht der Fall ist, käme es zu einer Unschärfe in den Eck- und Randregionen des Bildschirmes. Dies kann man durch eine elektronische Korrektur der Fokussierspannung in Abhängigkeit vom Strom in den Ablenkspulen verhindern. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die Punktschärfe über die gesamte [[Bildschirm]]fläche elektronisch korrigiert werden kann.
+== Auflösungsgrenze ==
+Die Auflösungsgrenze von elektromagnetischen Optiken lässt sich in Analogie zur [[Auflösung (Mikroskopie)|Auflösungsgrenze in der Optik]] berechnen, indem man die [[De-Broglie-Welle]]nlänge einsetzt.
 == Siehe auch ==
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 == Weblinks ==
-* [http://ernstruska.digilibrary.de/bibliographie/q018/q018.pdf Beiträge zur Elektronenoptik], [[Hans Busch (Physiker)|H. Busch]] und [[Ernst Brüche|E. Brüche]], Verlag von Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1937 (PDF; 377&nbsp;kB).
+* [https://ernstruska.digilibrary.de/bibliographie/q018/q018.pdf Beiträge zur Elektronenoptik], [[Hans Busch (Physiker)|H. Busch]] und [[Ernst Brüche|E. Brüche]], Verlag von Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1937 (PDF; 377&nbsp;kB).
 == Einzelnachweise ==