Una lente electrostática es un dispositivo que ayuda en el transporte de partículas cargadas. [1] [2] [3] Por ejemplo, puede guiar los electrones emitidos desde una muestra a un analizador de electrones , de manera análoga a la forma en que una lente óptica ayuda en el transporte de luz en un instrumento óptico. Los sistemas de lentes electrostáticas se pueden diseñar de la misma manera que las lentes ópticas, por lo que las lentes electrostáticas magnifican o convergen fácilmente las trayectorias de los electrones. Una lente electrostática también se puede utilizar para enfocar un haz de iones, por ejemplo para hacer un microhaz para irradiar células individuales .
Una lente cilíndrica consta de varios cilindros cuyos lados son paredes delgadas. Cada cilindro se alinea en paralelo al eje óptico en el que entran los electrones. Hay pequeños espacios entre los cilindros. Cuando cada cilindro tiene un voltaje diferente, el espacio entre los cilindros funciona como una lente. El aumento se puede cambiar eligiendo diferentes combinaciones de voltaje. Aunque se puede cambiar el aumento de dos lentes cilíndricas, el punto focal también se cambia con esta operación. Tres lentes cilíndricas logran el cambio de aumento mientras mantienen las posiciones del objeto y la imagen porque hay dos espacios que funcionan como lentes. Aunque los voltajes tienen que cambiar dependiendo de la energía cinética de los electrones , la relación de voltaje se mantiene constante cuando los parámetros ópticos no se modifican.
Mientras una partícula cargada se encuentra en un campo eléctrico, la fuerza actúa sobre ella. Cuanto más rápida sea la partícula, menor será el impulso acumulado. Para un haz colimado, la distancia focal se da como el impulso inicial dividido por el impulso acumulado (perpendicular) por la lente. Esto hace que la distancia focal de una sola lente sea una función de segundo orden de la velocidad de la partícula cargada. Las lentes individuales, como se conocen en fotónica, no están fácilmente disponibles para los electrones.
La lente cilíndrica consta de una lente desenfoque, una lente de enfoque y una segunda lente desenfoque, siendo la suma de sus poderes refractivos cero. Pero como hay cierta distancia entre las lentes, el electrón da tres vueltas y choca con la lente de enfoque en una posición más alejada del eje, por lo que viaja a través de un campo con mayor intensidad. Esta indirección conduce a que el poder refractivo resultante sea el cuadrado del poder refractivo de una sola lente.
Una lente Einzel es una lente electrostática que enfoca sin cambiar la energía del haz. Está formada por tres o más conjuntos de tubos cilíndricos o rectangulares dispuestos en serie a lo largo de un eje.
La lente cuadrupolo consta de dos cuadrupolos simples girados 90° uno con respecto al otro. Sea z el eje óptico, entonces se puede deducir por separado para los ejes x e y que el poder refractivo es nuevamente el cuadrado del poder refractivo de una sola lente. [4]
Un cuadrupolo magnético funciona de forma muy similar a un cuadrupolo eléctrico, sin embargo, la fuerza de Lorentz aumenta con la velocidad de la partícula cargada. Siguiendo el ejemplo de un filtro de Wien , un cuadrupolo magnético y eléctrico combinado es acromático alrededor de una velocidad dada. Bohr y Pauli afirman que esta lente produce aberración cuando se aplica a iones con espín (en el sentido de aberración cromática), pero no cuando se aplica a electrones que también tienen espín. Véase el experimento de Stern-Gerlach .
Un campo magnético también puede utilizarse para enfocar partículas cargadas. La fuerza de Lorentz que actúa sobre el electrón es perpendicular tanto a la dirección del movimiento como a la dirección del campo magnético ( v x B ). Un campo homogéneo desvía las partículas cargadas, pero no las enfoca. La lente magnética más simple es una bobina con forma de rosquilla a través de la cual pasa el haz, preferiblemente a lo largo del eje de la bobina. Para generar el campo magnético, se hace pasar una corriente eléctrica a través de la bobina. El campo magnético es más fuerte en el plano de la bobina y se debilita a medida que nos alejamos de él. En el plano de la bobina, el campo se hace más fuerte a medida que nos alejamos del eje. Por lo tanto, una partícula cargada más alejada del eje experimenta una fuerza de Lorentz más fuerte que una partícula más cercana al eje (suponiendo que tengan la misma velocidad). Esto da lugar a la acción de enfoque. A diferencia de los caminos en una lente electrostática, los caminos en una lente magnética contienen un componente en espiral, es decir, las partículas cargadas giran en espiral alrededor del eje óptico. Como consecuencia, la imagen formada por una lente magnética gira con respecto al objeto. Esta rotación no existe en una lente electrostática. La extensión espacial del campo magnético se puede controlar mediante un circuito magnético de hierro (u otro material magnéticamente blando). Esto permite diseñar y construir lentes magnéticas más compactas con propiedades ópticas bien definidas. La gran mayoría de los microscopios electrónicos que se utilizan en la actualidad utilizan lentes magnéticas debido a sus propiedades de imagen superiores y a la ausencia de los altos voltajes que se requieren para las lentes electrostáticas.
Los multipolos más allá del cuadrupolo pueden corregir la aberración esférica y en los aceleradores de partículas los imanes de flexión dipolar están realmente compuestos de una gran cantidad de elementos con diferentes superposiciones de multipolos.
Por lo general, la dependencia se da para la energía cinética en sí misma en función de la potencia de la velocidad. Por lo tanto, para una lente electrostática, la distancia focal varía con la segunda potencia de la energía cinética, mientras que para una lente magnetostática, la distancia focal varía proporcionalmente a la energía cinética. Y un cuadrupolo combinado puede ser acromático alrededor de una energía dada.
Si se acelera una distribución de partículas con diferentes energías cinéticas mediante un campo eléctrico longitudinal, la dispersión relativa de energía se reduce, lo que produce un menor error cromático. Un ejemplo de esto se da en el microscopio electrónico .
El reciente desarrollo de la espectroscopia electrónica permite revelar las estructuras electrónicas de las moléculas . Aunque esto se logra principalmente mediante analizadores electrónicos, las lentes electrostáticas también desempeñan un papel importante en el desarrollo de la espectroscopia electrónica.
Dado que la espectroscopia electrónica detecta varios fenómenos físicos a partir de los electrones emitidos por las muestras, es necesario transportar los electrones hasta el analizador de electrones. Las lentes electrostáticas satisfacen las propiedades generales de las lentes.