Techniklexikon

Elektronenlinsen

Laboratoriumsmethoden und -geräteOptik, Bauteile zur Ablenkung von Elektronenstrahlen durch inhomogene elektrische und/oder magnetische Felder. Analog zu optischen Linsen können mit Elektronenlinsen von einem Punkt in verschiedene Richtungen ausgehende Strahlen wieder in einem Punkt abgebildet werden. In elektrischen Linsen wirkt auf die Elektronen eine der elektrischen Feldstärke proportionale Kraft. Für rotationssymmetrische Felder mit dem Potential V(z) entlang der Symmetrieachse kann die Radialkomponente der elektrischen Feldstärke geschrieben werden als

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Die Brennweite f einer elektrischen Linse ergibt sich näherungsweise zu

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Abb. 1 und 2 zeigen Beispiele für elektrische Linsen.

In magnetischen Linsen erfahren die Elektronen eine Ablenkung aufgrund der aus der magnetischen Feldstärke B resultierenden Lorentz-Kraft. Die Brennweite f einer magnetischen Linse ergibt sich zu

mit der B_z-Komponente der magnetischen Feldstärke entlang der optischen Achse U: Beschleunigungsspannung). Die für magnetische Linsen notwendigen inhomogenen Felder werden z.B. in Spulen erzeugt (Abb. 3) Für hohe magnetische Feldstärken sind allerdings grosse Ströme erforderlich. Mit supraleitenden Elektronenlinsen kann der Strombedarf für das Aufrechterhalten eines entsprechend starken Magnetfeldes und der Wärmeeintrag in das Mikroskop stark reduziert werden.

Die prinzipielle Funktion von Elektronenlinsen kann im Teilchenbild freier Ladungsträger erklärt werden. Das grössere Auflösungsvermögen von Elektronenlinsen gegenüber lichtoptischen Linsen kann nur im Bild der Elektronenoptik mit De-Broglie-Materiewellen erklärt werden.

Elektronenlinsen 1: Elektronenoptische Rohrlinse mit Potentialfeld und vergleichbare lichtoptische Linse. Der linke Teil wirkt als Sammellinse, der rechte als Streulinse. Aufgrund der Beschleunigung der Elektronen in der Rohrlinse überwiegt die Sammelwirkung.

Elektronenlinsen 2: Elektronenoptische Einzellinse aus drei Lochblenden mit Potentialfeld und Verlauf der Elektronenbahn.

Elektronenlinsen 3: Elektronenstrahlverlauf in einer magnetischen Linse. Die Drehung des Bildes gegenüber dem Objekt kommt durch den spiralförmigen Strahlverlauf aufgrund der nur seitwärts ablenkend wirkenden Lorentz-Kräfte zustande.