ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΦΑΚΩΝ. Ηλεκτροστατικοί και Μαγνητικοί Φακοί Βασική Δομή Μαγνητικών Φακών Υστέρηση Λεπτοί Μαγνητικοί Φακοί Εκτροπές Φακών

Transcript

1 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΦΑΚΩΝ Βασική Δομή Μαγνητικών Φακών Υστέρηση Λεπτοί Μαγνητικοί Φακοί Εκτροπές Φακών

2 ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ ΓΥΑΛΙΝΟΙ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΦΑΚΟΙ Οι φακοί χρησιμοποιούνται για να εκτρέψουν μία οπτική ή ηλεκτρονική δέσμη κατά προκαθορισμένο τρόπο. Αυτό επιτυγχάνεται με την ελάττωση ταχύτητας της δέσμης που τους διαπερνά.

3 ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ «Θετικοί» Συγκλίνοντες/Αμφίκυρτοι/Συμπύκνωσης Θετικός φακός Κύριο επίπεδο φακού «Αρνητικοί» Αποκλίνοντες

4 Ηλεκτρόνια σε Ηλεκτρικό και Μαγνητικό πεδίο

5 Ηλεκτροστατικοί Φακοί Πηγή ηλεκτρονίων εκπέμπει ηλεκτρόνια. Επιταχύνονται μέσω δυναμικού Vo σε μία άνοδο. Ακολουθεί εστίαση σε ηλεκτροστατικό φακό (ηλεκτρόδια φαίνονται σε διατομή), με έναν κοινό άξονα (οπτικό).

6 Ηλεκτροστατικοί Φακοί 1. Χρησιμοποιούν μεγάλης έντασης ηλεκτροστατικά πεδία τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε ανεπιθύμητες εκκενώσεις μέσα στην κολώνα, κυρίως όταν το κενό δεν είναι πολύ καλό. 2. Μεγαλύτερης εστιακής απόστασης φακοί, με συνέπεια την δύσκολη διόρθωση της σφαιρικής τους εκτροπής. 3. Δεν περιστρέφουν την εικόνα του αντικειμένου Χρήση ηλεκτροστατικών φακών για την πρώτη εστίαση. ΟΛΟΙ οι άλλοι φακοί είναι Μαγνητικοί λόγο: Σφαιρικής εκτροπής και διορθώσεις Υψηλών ηλεκτροστατικών πεδίων εκκένωσης

7 Βασική Δομή Μαγνητικών Φακών Μαγνητικό πεδίο παράγεται από ένα μικρό πηνίο (το οποίο διακρίνεται σε διατομή) επηρεάζοντας την τροχιά ενός ηλεκτρονίου από ένα αξονικό σημείο Ο στην θέση Ι. σπαταλιέται μεγάλη ποσότητα μαγνητικού πεδίου (οι δυνάμεις δεν είναι συγκεντρωμένες και αρκετά πυκνές εκεί που χρειάζεται, στον άξονα του πηνίου)

8 Βασική Δομή Μαγνητικών Φακών Η χρήση ενός πυρήνα από μαλακό σίδηρο οδηγεί σε βελτίωση της έντασης και της ευθυγράμμισης των δυναμικών γραμμών του πεδίου κατά μήκος του άξονα του πεδίου. Η αύξηση του ρεύματος που διαρρέει τις σπειρώσεις ενός πηνίου (εγκλωβισμένου σε μαλακό σίδηρο), οδηγεί σε μείωση της εστιακής απόστασης του μαγνητικού φακού. (Η εξάρτηση των δύο αυτών μεγεθών δεν είναι γραμμική).

9 Μαγνητική Υστέρηση Εξάρτηση του ρεύματος του πηνίου σε σχέση με την ισχύ του φακού Σημείο Ο: ο φακός είναι τελείως απομαγνητισμένος Διαδρομή ΟΑ: η αύξηση του ρεύματος έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ισχύος του φακού Σημείο Α: η περαιτέρω αύξηση του ρεύματος έχει ως αποτέλεσμα να μην αυξάνεται περισσότερο η ισχύς του φακού (κατάσταση κορεσμού)

10 Μαγνητική Υστέρηση Εξάρτηση του ρεύματος του πηνίου σε σχέση με την ισχύ του φακού Διαδρομή ΑΒ: η ελάττωση του ρεύματος οδηγεί σε μηδενισμό του ρεύματος (Σημείο Β), στο οποίο υπάρχει μία παραμένουσα μαγνήτιση Σημείο C: μηδενίζεται η παραμένουσα μαγνήτιση με αρνητικό αντίστροφο ρεύμα Για δεδομένο ρεύμα, η ισχύς του φακού μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή μεταξύ των δύο καμπυλών υστέρησης (σφάλμα στην μεγέθυνση της τάξεως του 10%)

11 Μαγνητική Υστέρηση Εξάρτηση του ρεύματος του πηνίου σε σχέση με την ισχύ του φακού Τρόπος εξάλειψης της υστέρησης: Είναι να φτάσουμε τον φακό στην τιμή κορεσμού, και να ακολουθήσουμε την καμπύλη επιστροφής μέχρι την τιμή που μας ενδιαφέρει, χωρίς παλινδρομήσεις.

12 Λεπτοί Μαγνητικοί Φακοί

13 Λεπτοί Μαγνητικοί Φακοί Χρήση μαλακού σιδήρου ώστε να συγκεντρωθεί το μαγνητικό πεδίο σε μικρό όγκο. Μεγαλύτερη συγκέντρωση του μαγνητικού πεδίου.

14 Λεπτοί Μαγνητικοί Φακοί Το κυλινδρικό σχήμα κρύβει τις σπείρες του χάλκινου σύρματος. Τα δύο κομμάτια κώνου τοποθετούνται μέσα στην κεντρική οπή του φακού. Οι τρεις ηλεκτρικές συνδέσεις παρέχουν ρεύμα στο πηνίο μαγνητίζοντας τους πόλους. Το νερό ψύξης κυκλοφορεί μέσα και έξω στην άνω πλάκα του φακού, διαλύοντας την θερμότητα που παράγεται στα πηνία.

15 Λεπτοί Μαγνητικοί Φακοί Με τους λεπτούς φακούς ελαττώνεται η ασάφεια του ειδώλου (προβολικοί φακοί).

16 Λεπτοί Μαγνητικοί Φακοί

17 Λεπτοί Μαγνητικοί Φακοί Διαδρομή ακτίνας ηλεκτρονίων υπό την επίδραση μαγνητικού πεδίου

18 Εκτροπές Φακών Κανένας φακός για φως ή ηλεκτρόνια δεν μπορεί να σχηματίσει απόλυτα σημειακό είδωλο μιας σημειακής πηγής. Γιατί; Διότι, οι φακοί μπορούν να συλλέξουν μόνο τμήμα των κυμάτων που εκπέμπονται από το αντικείμενο ή την πηγή, με αποτέλεσμα να είναι αδύνατο όσο λεπτοί και αν είναι να μην κόβουν ορισμένες πληροφορίες που εκπέμπονται από το αντικείμενο.

19 Εκτροπές Φακών Οι φακοί πάσχουν από μία σειρά ατελειών, οι οποίες ονομάζονται ΕΚΤΡΟΠΕΣ. Αυτές πρέπει να εντοπισθούν και να αναλυθούν μεμονωμένα ώστε να μπορούν να ελαττωθούν, αν όχι να εξαλειφθούν. Δύο κύριες ατέλειες φακών λέγονται σφαιρική εκτροπή και χρωματική εκτροπή. Η σφαιρική εκτροπή οφείλεται στην αδυναμία του φακού να συλλέξει όλες τις ακτίνες που εισέρχονται σε αυτών και να τις εστιάσει σε ένα κοινό σημείο. (χωρική αδυναμία) Η χρωματική εκτροπή οφείλεται στο ότι, ούτε οι οπτικές ούτε οι δέσμες ηλεκτρονίων αποτελούνται από ακτινοβολία ενός μόνο μήκους κύματος. (μονοχρωματική αδυναμία)

20 Εκτροπές Φακών Σφαιρική εκτροπή Χωρική αδυναμία Χρωματική εκτροπή Μονοχρωματική αδυναμία Το πρόβλημα με τις εκτροπές αυτές είναι αποτέλεσμα των κατασκευαστών των φακών: Στους γυάλινους οπτικούς φακούς, ο κατασκευαστής μπορεί να συμπεριλάβει υλικά διαφορετικό δείκτη διάθλασης και όπου χρειάζεται να χρησιμοποιήσει ίσως και αποκλίνοντες φακούς. Στους μαγνητικούς φακούς όμως υπάρχει μόνο μία παράμετρος που μπορεί να αλλάξει το μαγνητικό πεδίο, και φυσικά δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει αποκλίνοντες μαγνητικούς φακούς. Μπορεί όμως να μειώσει την εκτροπή με χρήση μικρότερου διαφράγματος (περιορισμός Διακριτικής Ικανότητας).

21 Σφαιρική Εκτροπή Κυρτή επιφάνεια, πολύ καλής ακρίβειας (που είναι η διαχωριστική επιφάνεια του υλικού, που διαθλά τις ακτίνες, και του μέσου, π.χ. αέρα/μέσου του οποίου διαδίδονται αυτές) για να μπορέσει να σχηματίσει ένα τέλειο είδωλο. Το σφάλμα που προέρχεται από την σφαιρικότητα του φακού λέγεται σφαιρική εκτροπή.

22 Σφαιρική Εκτροπή Ο φακός σφαιρικής επιφάνειας, εστιάζει σε μικρότερη εστιακή απόσταση τις ακτίνες που περνούν από τα άκρα του φακού σε σχέση μ αυτές που περνούν κοντά από τον άξονα. Υπάρχουν διαφορετικές εστιακές αποστάσεις και το είδωλο είναι συγκεχυμένο. Υπάρχει μία θέση πάνω στον άξονα όπου το είδωλο φαίνεται να έχει την μικρότερη ασάφεια. Η θέση αυτή λέγεται κύκλος ελάχιστης σύγχυσης και αποτελεί την συμβατική εστιακή απόσταση. Η σφαιρική εκτροπή μπορεί να ελαττωθεί, με τον περιορισμό του ανοίγματος της προσπίπτουσας δέσμης, δηλ. με την χρήση περιοριστικών διαφραγμάτων.

23 Σφαιρική Εκτροπή

24 Αλλοίωση ειδώλου

25 Περιστροφή ειδώλου Τα προβλήματα που σχετίζονται με αλλοίωση (έσω, έξω ή περιστροφική) είναι ενοχλητικά και εμφανίζονται σε μικρές μεγεθύνσεις. Εξαλείφονται με κατάλληλο σχεδιασμό προβολικών φακών.

26 Αστιγματισμός Ασθενές επίπεδο εστίασης f1<f2 f2 Όλοι οι φακοί έχουν εστιακές αποστάσεις που διαφέρουν μεταξύ τους ανάλογα με f1 την διεύθυνση. Ο φακός έχει ένα ισχυρό επίπεδο εστίασης f1 και ένα ασθενές επίπεδο Φακός εστίασης f2 Ισχυρό επίπεδο εστίασης Διορθώνεται με χρήση κυλινδρικού φακού ή μαγνητικού πεδίου που συνοδεύει τον αντικειμενικό φακό, αυξάνει Αντικείμενο Ο αστιγματισμός είναι μία από τις κυριότερες αιτίες περιορισμού της διακριτικής ικανότητας των μαγνητικών φακών. ή ελαττώνει την ισχύ του φακού κατά μία μόνο διεύθυνση και έτσι το είδωλο έρχεται στο σημείο καλής εστίασης

27 Χρωματική Εκτροπή Φως μικρού μήκους κύματος (π.χ. μπλε) επιβραδύνεται (κάμπτεται) περισσότερο όταν περνά από ένα φακό με μεγάλο δείκτη διάθλασης (και επομένως εστιάζεται νωρίτερα), σε αντίθεση με μεγαλύτερου μήκους κύματος (π.χ. κόκκινο) που επιβραδύνεται λιγότερο και επομένως εστιάζεται αργότερα σε μεγαλύτερη εστιακή απόσταση. Η χρήση μη μονοχρωματικής δέσμης, δηλ. Φωτός, αναπόφευκτα δημιουργεί χρωματική εκτροπή. Η χρωματική εκτροπή είναι ανεξάρτητη της σφαιρικής και αυξάνει γραμμικά με το άνοιγμα του διαφράγματος αλλά όχι με την δύναμη όπως στην σφαιρική εκτροπή. Η χρωματική εκτροπή είναι λιγότερο ευαίσθητη στην ελάττωση του ανοίγματος του διαφράγματος.

28 Χρωματική Εκτροπή Οι μαγνητικοί φακοί επηρεάζονται κατ ανάλογο τρόπο από το φαινόμενο της χρωματικής εκτροπής (μήκος κύματος των ηλεκτρονίων αντιστρόφως ανάλογο της ταχύτητας). Σε μικρό μήκος κύματος κάμπτονται λιγότερο από τον φακό σε σύγκριση με αυτά μικρότερης ταχύτητας και επομένως μεγαλύτερου μήκους κύματος τα οποία κάμπτονται περισσότερο.

29 Χρωματική Εκτροπή Πρόβλημα Θολό, μη καλά εστιασμένο είδωλο. Απαιτείται και στις 2 περιπτώσεις η χρήση μονοχρωματικής ακτινοβολίας. Ειδικότερα, για το ΗΜ αυτό σημαίνει ηλεκτρόνια με την ίδια ταχύτητα. Δυστυχώς, αυτό είναι δύσκολο να επιτευχθεί λόγω του ότι η ίδια πηγή εκπέμπει ηλεκτρόνια με διαφορετικές ταχύτητες. Αλλά ακόμη και αν αυτό διορθωθεί, με την χρήση πολύ σταθερής επιταχυντικής τάσης ανόδου καθόδου και κατάλληλου φίλτρου ταχυτήτων, η χρωματική εκτροπή δημιουργεί το ίδιο το δείγμα λόγω των διαφορετικών περιοχών που επιβραδύνουν τα ηλεκτρόνια κατά διαφορετικό τρόπο (περισσότερο ή λιγότερο).

30 Διαφράγματα