Techniklexikon

Einzellinse

Plasmaphysik, Magnetohydrodynamik, rotationssymmetrische teilchenoptische Linsenanordnung zur Fokussierung von Elektronenstrahlen bzw. Ionenstrahlen. Man unterscheidet elektrostatische und magnetische Einzellinsen. Letztere, auch Solenoidlinsen genannt, nutzen die Lorentz-Kraft, also die ablenkende Kraft auf geladene Teilchen im Magnetfeld, aus. Durch eine achsenzentrierte, kurze Spule (Abb. 1 oben) wird ein axiales Magnetfeld erzeugt. Alle in radialer Richtung zeigenden Geschwindigkeitskomponenten der Teilchen resultieren in einer azimutalen Bewegungskomponente. Dabei kommt es sowohl zu einer Fokussierung des Strahls als auch zu einer Drehung des Bildes. Die Fokussierung achsenparalleler Strahlen wird durch deren azimutale Ablenkung im inhomogenen Randfeld der Spule ermöglicht. Für die Brennweite f einer magnetischen Einzellinse ergibt sich:

Dabei beschreiben q und m Masse und Ladung der Teilchen und B_z die magnetische Feldstärke auf der Achse. Die Teilchenenergie ist durch qF₀ gegeben. Aufgrund der Proportionalität von Brennweite und Teilchenenergie werden magnetische Einzellinsen vorwiegend im niederenergetischen Bereich eingesetzt. Sie sind aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der Brechkraft von der Feldstärke B immer fokussierend. Das Magnetfeld, und damit die Fokussierungsstärke der Linse, kann durch Kapselung in einem Eisenkern verstärkt werden (Abb. 1 unten).

In elektrostatischen Einzellinsen wird die Ablenkung geladener Teilchen in statischen elektrischen Feldern ausgenutzt. Die Felder werden in Spalten zwischen jeweils zwei von insgesamt drei rohrförmigen Elektroden erzeugt. Damit setzt sich eine elektrostatische Einzellinse aus einer Kombination von zwei Immersionslinsen zusammen. Die beiden äusseren Elektroden liegen auf gleichem Potential (F₁), die mittlere auf dazu positiverem bzw. negativerem Potential F₂ (Abb. 2). Die Teilchen werden, je nach Ladungsvorzeichen und Polung der Elektroden, zunächst verzögert und dann wieder auf ihre ursprüngliche Energie beschleunigt (bzw. umgekehrt). Entsprechend unterscheidet man zwischen Verzögerungs- bzw. Beschleunigungslinsen. Gleichzeitig findet in den verschiedenen Abschnitten der Linse eine Fokussierung bzw. eine Defokussierung statt. Da die Teilchenenergie in den Bereichen der Defokussierung jedoch immer grösser ist als in den fokussierenden Bereichen, kommt es insgesamt zu einer fokussierenden Wirkung. [MS]

Einzellinse 1: Magnetische Einzellinse: Die geladenen Teilchen werden in dem durch eine Spule erzeugten Magnetfeld abgelenkt (oben) und erfahren eine Fokussierung. Das Magnetfeld kann durch einen Eisenkern verstärkt werden (unten).

Einzellinse 2: Elektrostatische Einzellinse: Schema der Äquipotentiallinien (punktiert), der Feldrichtung (Pfeile) sowie der sich daraus ergebenden Teilchenbahnen für den Fall einer Verzögerungslinse für positiv geladene Teilchen.