Электронная призма

Возникновение электронной оптики в 20-х годах XX века привело к появлению сложных электронно-оптических систем, таких как электронные микроскопы, спектрометры заряженных частиц, ускорителей, электронно-лучевых трубок, фотоэлектрических умножителей, проекторов, состоящих из разнообразных электронных устройств, например, электронных линз^[2] и электронных призм.

Во многом законы, положения и назначения устройств электронной оптики сходны с традиционными оптическими, что приводило к появлению аналогичной терминологии, но с добавлением уточнения «электронный»: электронная линза, электронный фильтр, электронная призма. Назначение этих устройств схоже с их оптическими аналогами, однако следует понимать, что такие аналогии имеют ограничения и выводы световой оптики не всегда полностью применимы к электронной.

В электронной оптике требуется определение конфигурации полей, формирующих электронные пучки желаемого типа. Теория фокусировки электронных пучков была разработана в СССР в 1942—1943 годах Г. А. Гринбергом. Уравнения траекторий, близких к осевой, используются для проектирования электронных элементов, таких как электронная линза, электронный фильтр и электронная призма. Электронная призма, отклоняющая падающий на неё параллельный пучок электронов, оставляя его параллельным, может служить наиболее близким аналогом обычной световой призмы.

Электронную призму можно создать из двух цилиндрических иммерсионных электронных линз, если составить из них телескопическую систему, в которой передний фокус первой электронной линзы совпадает с задним линейным фокусом второй. Электрическое поле такой системы двумерно в том смысле, что не изменяется вдоль направления оси ${\displaystyle x}$ и симметрично в плоскости ${\displaystyle xy}$. В систему направляется параллельный пучок электронов под большим углом ${\displaystyle \Theta _{1}}$ к оси ${\displaystyle y}$ и выходит под углом ${\displaystyle \Theta _{2}}$, при этом оставаясь параллельным. Для такой системы действует соотношение:

${\displaystyle {\frac {\sin \Theta _{2}}{\sin \Theta _{1}}}={\sqrt {\frac {U_{1}}{U_{2}}}}}$,

где ${\displaystyle U_{1}}$, ${\displaystyle U_{2}}$ — потенциалы первого и последнего участков призмы, причём в пространстве после электронной призмы действует потенциал ${\displaystyle U_{2}}$. Принимая потенциал равным нулю в точке, где скорость электронов равна нулю, можно получить показатель преломления и закон преломления, аналогичный оптическому закону Снеллиуса. Именно в этом смысле можно назвать систему из двух цилиндрических иммерсионных электронных линз электронной призмой. На рисунке показана электронная призма, составленная из двух электронных линз.

Электронные призмы используются в анализаторах комплексов просвечивающей электронной микроскопии при спектроскопических исследованиях потерь энергии неупруго рассеянных электронов. Это позволяет изучать количественный состав облучаемых веществ, измерять диэлектрические свойства образцов, на микро- и наноуровне. Как правило, исследуются возбуждения колебания решётки (10 — 100 мЭв), межзонные переходы валентных электронов (0 — 10 эВ), плазмонные возбуждения, вызванные коллективными колебаниями свободных и валентных электронов в веществе (10 — 50 эВ), а также возбуждения внутренней оболочки или ядра (50 эВ и более). В этих исследованиях электронные призмы необходимы для фильтрации изображений просвечивающей электронной микроскопии по энергиям и дифракционных картин, образованных электронами, и применяются в совокупности с внутриколонными фильтрами, такими как ${\displaystyle \Omega }$-фильтр, фильтр Кастена — Генри (использующих магнитные поля), фильтре Вина (используется как магнитное, так и электрическое поле), и альфа-фильтром, устанавливающимся между промежуточной и проекционной линзами просвечивающего электронного микроскопа. В фазовой электронной микроскопии электронный пучок расщепляется на два, один направляется на образец, расположенный в одном из плеч интерферометра, который изменяет фазу проходящего через него электронного пучка, затем исследуется электронная интерференционная картина, позволяющая узнать внутренний электрический потенциал исследуемого образца.