ĐiỀu khiỂn chÙm e trong ĐiỆn , tỪ trƯỜng

HƯỚNG DẪN : PGS.TS LÊ VĂN HIẾU

THƯC HIÊN: HV VO KIÊN TRUNG

19.04.23BÔ MÔN VÂT LY ĐIÊN TƯ ƯNG DUNG

1

ĐIỀU KHIỂN CHÙM E TRONG ĐIỆN , TỪ TRƯỜNG

Địa chỉ bạn đã tải:http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.htmlĐịa chỉ bạn đã tải:http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html

Nơi bạn có thể thảo luận:http://myyagy.com/mientay/Nơi bạn có thể thảo luận:http://myyagy.com/mientay/

Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.htmlDịch tài liệu trực tuyến miễn phí:http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html

Dự án dịch học liệu mở:http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.htmlDự án dịch học liệu mở:http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html

Liên hệ với người quản lí trang web:Yahoo: [email protected]: [email protected]

Liên hệ với người quản lí trang web:Yahoo: [email protected]: [email protected]

I.CƠ CHÊ :

19.04.23BÔ MÔN VÂT LY ĐIÊN TƯ ƯNG DUNG4

1- SƯ TƯƠNG TƯ QUANG –CƠ :

QUANG CƠ


Một trong những nguyên lý cơ bản của quang học là nguyên lý Fermat. Theo nguyên lý này, khi ánh sáng lan truyền từ điểm A đến điểm B thì trong tất cả các quỹ đạo có thể nó sẽ truyền theo quỹ đạo nào mà thời gian cần thiết để đi hết quỹ đạo là cực trị.

Trong cơ học cũng có nguyên lý tác dụng tối thiểu, được biểu diễn dưới dạng toán học sau

(1)

Töø nguyeân lí Fermat ruùt ra 3 ñieàu kieän cô baûn trong quang hoïc:- Ñònh luaät truyeàn thaúng: Trong moâi tröôøng ñoàng nhaát vaø ñaúng höôùng ( chieát suaát ñoàng ñeàu), aùnh saùng truyeàn theo ñöôøng thaúng.- Ñònh luaät phaûn xaï: Khi tia saùng phaûn xaï treân maët phaân caùch giöõa hai moâi tröôøng thì goùc phaûn xaï baèng goùc tôùi.

- Ñònh luaät khuùc xaï: Khi tia saùng ñi töø moâi tröôøng coù chieát suaát n1 sang moâi tröôøng coù chieát suaát n2, noù bò khuùc xaï ôû maët phaân caùch hai moâi tröôøng. Tæ soá giöõa goùc tôùi vaø goùc phaûn xaï thoaû maõn ñieàu kieän:

’ = (2)

oxv

oxv

Sin

Sin

2

1

n

n= (3)

n1

n2 >n1

’

v

oxv

Hieän töôïng truyeàn thaúng, phaûn xaï, khuùc xaï19.04.236 BÔ MÔN VÂT LY ĐIÊN TƯ ƯNG DUNG

Theo nguyeân lí taùc duïng toái thieåu trong cơ học , moät haït chuyeån ñoäng töø ñieåm A ñeán ñieåm B trong tröôøng theá theo moät quyõ ñaïo xaùc ñònh cuõng tuaân theo nguyeân lí taùc duïng toái thieåu:

Wñ = :ñoäng naêng cuûa haït.V: vaän toác cuûa haït.Giaû söû electron chuyeån ñoäng vaøo vuøng coù ñieän theá U töø ñieåm ban ñaàu Uo=0 vôùi vaän toác ban ñaàu v0=0.Theo ñònh luaät baûo toaøn naêng löôïng ta coù:

2

2

mv

B

d

A

W dt =

2

2

B

A

mvdt

= 0 (4)

2

2

mv= eU ν =

2eU

m (5)

19.04.237 BÔ MÔN VÂT LY ĐIÊN TƯ ƯNG DUNG

2

2

B

A

mvdt

2

2

B

A

mv ds

v 2

B

A

mvds

= =

2

m

B

A

vds = 0

Phöông trình (4) trôû thaønh:

Do = conts

NeânThay (5) vaøo (6)

(4)

Do

Neân

2B

A

eUds

m = 0

2e

m= Const

B

A

Uds = 0

(6)

(7)


Ta thaáy hai bieåu thöùc (1) vaø (7) hoaøn toaøn töông töï nhau. Coù theå xem quyõ ñaïo cuûa haït tích ñieän trong tröôøng tónh ñieän gioáng nhö ñöôøng ñi cuûa tia saùng trong moät moâi tröôøng xaùc ñònh.ÔÛ ñaây, ñoùng vai troø töông töï chieát suaát n hay noùi caùch khaùc söï thay ñoåi cuûa ñoái vôùi söï chuyeån ñoäng cuûa haït ñieän trong tröôøng tónh cuõng töông töï söï thay ñoåi cuûa chieát suaát trong moâi tröôøng truyeàn saùng. Söï töông töï naøy ñöôïc goïi laø söï töông töï quang cô, cho pheùp ta xaây döïng caùc ñònh luaät lan truyeàn cuûa caùc haït ñieän.

U

U


Caùc ñònh luaät ñoù coù theå coi laø caùc ñònh luaät quang hoïc cuûa chuøm caùc haït ñieän:


- Ñònh luaät truyeàn thaúng: Trong vuøng coù ñieän theá khoâng ñoåi ( U= Conts), haït tích ñieän chuyeån ñoäng thaúng.

- Ñònh luaät phaûn xaï: Neáu chuøm haït tích ñieän phaûn xaï treân beà maët ñaúng theá thì goùc tôùi vaø goùc phaûn xaï baèng nhau.

Ta ñi tìm ñieàu kieän phaûn xaï cuûa chuøm ñieän töû:Höôùng chuøm ñieän töû coù vaän toác ban ñaàu v0 vaø beà maët kim loaïi ( moät Colector) coù ñieän theá UC.Ñieàu kieän ñeå ñieän töû rôi leân Colector khi Colector tích ñieän aâm UC < 0:

’oxv

ov

Hieän töôïng phaûn xaï ñieän tö’

2

2ox

C

mveU

22

2o

C

mvCos eU (8)


Theo coâng thöùc (5) ta coù:

Töø (8) vaø (9) suy ra:

laø ñieàu kieän ñeå chuøm ñieän töû rôi leân Colector. Ñieàu kieän ñeå chuøm tia phaûn xaï trôû laïi:

2

2omv

= oeU

= =2

2

2omv Cos 2

oeU Cos 21oeU Sin (9)

21o CeU Sin e U

1 C

o

USin

U

1 C

o

USin

U


- Ñònh luaät khuùc xaï: Khi haït ñieän chuyeån ñoäng töø vuøng coù ñieän theá U1 sang vuøng coù ñieän theá U2, höôùng chuyeån ñoäng vaø ñoä lôùn vaän toác seõ thay ñoåi vaø ñöôïc xaùc ñònh baèng ñònh luaät khuùc xaï:

Hieän töôïng khuùc xaï chuøm haït ñieän Söï khuùc xaï cuûa chuøm haït ñieän laø do taùc

duïng cuûa löïc ñieän tröôøng toàn taïi ôû moät lôùp moûng phaân caùch giöõa hai vuøng coù ñieän theá khaùc nhau.

=Sin

Sin

2

1

U

U

U1 = Const

U2 = Const > U1

1yv

1v

1xv

2v

2xv

2 yv

E


Thaønh phaàn vaän toác vy vuoâng goùc vôùi maët phaân caùch thay ñoåi (seõ taêng leân neáu U2 > U1), thaønh phaàn vaän toác song song vôùi maët phaân caùch khoâng ñoåi:

v1x = v2x

hay v1Sin = v2Sin maët khaùc, theo coâng thöùc (3):

Phöông trình (10)

12eU

m1v =

2v =22eU

m

(10)

Sin

Sin

= = 2

1

U

U(11)


1

2

v

v

So saùnh 2 phöông trình (3) vaø (11) ta thaáy: ñoùng vai troø laø chieát suaát trong quang hình hoïc, do ñoù ñöôïc goïi laø chieát suaát quang ñieän töû.Khi U1 < U2 –tröôøng taêng toác, thì goùc khuùc xaï nhoû hôn goùc tôùi, tröôøng coù taùc duïng hoäi tuï.Khi U 1> U 2 –tröôøng caûn, thì goùc khuùc xaï lôùn hôn goùc tôùi, tröôøng coù taùc duïng phaân kì.

U U

19.04.23 15BÔ MÔN VÂT LY ĐIÊN TƯ ƯNG DUNG

Nhöõng ñieåm khaùc nhau trong söï lan truyeàn cuûa tia saùng vaø chuyeån ñoäng cuûa haït mang ñieän:- Naêng löôïng cuûa electron chuyeån ñoäng trong ñieän tröôøng lieân tuïc thay ñoåi nhöng naêng löôïng cuûa photon cuûa tia saùng truyeàn qua moät moâi tröôøng trong suoát laø khoâng ñoåi ( theo ñònh luaät W =hv).- Ñöôøng ñi cuûa tia saùng trong quang hoïc thöôøng laø moät ñöôøng gaõy khuùc bao goàm nhieàu ñoaïn thaúng, coøn quyõ ñaïo cuûa electron laø moät ñöôøng cong.

Ñöôøng ñi cuûa tia saùng trong quang hoïc19.04.2316 BÔ MÔN VÂT LY ĐIÊN TƯ ƯNG DUNG

- Trong quang hình hoïc, hình daùng cuûa beà maët khuùc xaï vaø chieát suaát khoâng quan heä vôùi nhau. Trong quang ñieän töû, chieát suaát quang ñieän töû vaø hình daïng cuûa maët ñaúng theá coù quan heä vôùi nhau.- Giaù trò cuûa chieát suaát quang ñieän töû coù theå thay ñoåi trong moät khoaûng roäng. Trong quang hình hoïc, chieát suaát cuûa moät moâi tröôøng cho tröôùc laø khoâng ñoåi, vaø caùc giaù trò n chæ coù theå thay ñoåi trong moät khoaûng nhoû (xaáp xæ töø 1 tôùi 3).

U



Với e chuyển động trong điện trường có thể chứng minh

Chúng ta thấy rằng có thể xem quỹ đạo của hạt tích điện trong trường tĩnh điện giống như đường đi của tia sáng lan truyền qua môi trường xác định : đóng vai trò như chiết suất. Ta gọi đó là sự tương tự quang cơ.

U

Từ đó ta có định luật quang học của chùm hạt mang điện:


1. Định luật truyền thẳng: Trong vùng có điện thế không đổi, hạt tích điện chuyển động thẳng .

2. Định luật phản xạ: Khi chùm hạt tích điện phản xạ trên mặt đẳng thế thì góc phản xạ bằng góc tới.

3. Định luật khúc xạ: Khi hạt tích điện chuyển động từ vùng có thế U1 sang vùng có thế U2, hướng chuyển động và độ lớn của vận tốc sẽ thay đổi và được xác định bằng định luật khúc xạ :


Lực này phụ thuộc vào điện tích của hạt, độ lớn và hướng của vận tốc hạt mang điện. Do đó, trong trường hợp từ trường không có sự tương tự như trong quang học: từ trường là môi trường bất đẳng hướng, còn điện trường là môi trường đẳng hướng.

Khi electron chuyển động trong từ trường chúng chịu tác dụng của lực từ

qLF

= v

B

2. QUỸ ĐẠO CỦA ELECTRON TRONG TỪ TRƯỜNG, ĐIỆN TRƯỜNG


Thấu kính điện tử được dùng để hội tụ hay phân kỳ chùm điện tử, tạo được bằng điện trường không đồng nhất hay từ trường không đồng nhất có đối xứng trục.

a. Chuyển động của electron trong điện trường:



Phương trình chuyển động của electron trong điện trường không đều đối xứng trục: U(r)=U(-r) trong hệ tọa độ trụ :


Theo định luật bảo toàn năng lượng và biến đổi toán học, ta thu được phương trình sau:


Dùng công thức trên ta giải bài toán trong trường hợp một thấu kính tĩnh điện mỏng và yếu. Thấu kính tĩnh điện mỏng và yếu khi vùng không gian trong thấu kính có là hẹp, trong vùng đó giá trị r của điện tử không kịp thay đổi nhiều.


Để xác định, ta xét một chùm điện tử từ điểm A cách khe thấu kính một khoảng d và làm thành với trục một góc , α khi đi qua thấu kính chùm này bị khúc xạ và cắt trục thấu kính tại điểm A1, ở khoảng cách ảnh d1 như hình vẽ sau:


Các góc α,β đều rất nhỏ. Phương trình quỹ đạo trên có thể viết về dạng như sau:

Tích phân theo z từ A đến A1, ta có:

d


Ta thấy rằng f1 và f2 phụ thuộc vào dấu đạo hàm bậc hai

Nếu đạo hàm >0 thì f>0, thấu kính hội tụ.Nếu đạo hàm <0 thì f<0, thấu kính phân kỳ.


Quỹ đạo của e trong điện trường đối xứng trục có dạng phẳng .

Thấu kính tĩnh điện có thể là thấu kính hội tụ hoặc phân kỳ

b. Chuyển động của electron trong từ trường:


. Tiêu cự của thấu kính từ:


Công thức trên cho thấy f luôn luôn dương, do đó thấu kính từ là thấu kính hội tụ.Quỹ đạo của e trong từ trường không có dạng phẳng mà là dạng xoắn ốc .

II. ƯNG DUNG


SÚNG ĐIÊN TƯ


1. GIỚI THIÊU2. HÊ QUANG HỌC CỦA SÚNG ĐIÊN TỬ3. THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG4. THẤU KÍNH CHÍNH5. SÚNG ĐIÊN TỬ VỚI HÊ HỘI TỤ TĨNH ĐIÊN6. SÚNG ĐIÊN TỬ VỚI HÊ HỘI TỪ


1.GIƠI THIỆU


Hình dạng và thông số của súng điện tử tùy thuộc vào từng lĩnh vực sử dụng. Tuy nhiên cũng có một số yêu cầu sau:

1. Hệ thống điện tử phải tạo ra một hình ảnh nhỏ nhất của chùm trên màng hứng

2. Cấu tạo của súng không quá phức tạp, dễ sử dụng và có tuổi thọ cao.

3. Vật liệu làm súng phải không nhả khí, không từ tính và chịu được nhiệt độ cao.


GIỚI THIÊU


SÚNG ĐIỆN TỬ

CathodeHệ thống các điện Cực(các thấu kính

điện tử)

Tạo ra chùm electron Hội tụ chùm electron

Có chức năng như 1 van điều khiển

19.04.23

39

BÔ MÔN VÂT LY ĐIÊN TƯ ƯNG DUNG

2.HỆ QUANG HỌC CỦA SÚNG ĐIỆN TỬ

Hệ 1 thấu kính

Yêu cầu: ảnh của chùm trên màng hứng phải nhỏ nhất


Hệ 1 thấu kínhTheo lý thuyết Larange-Helmholz :

Độ rộng ảnh của cathode

Yêu cầu: r2 nhỏ nhất: Giảm tử số hay tăng mẫu số

1 1 1 2 2 2r n tg r n tg

1 1 12

2 2

r Ur

U


Hệ 1 thấu kính

r2 nhỏ nhất

Giảm tử số Tăng mẫu số

Giảm r1 Giảm U1 giảm gama 1 Tăng U2 Tăng gama 2

1 1 12

2 2

r Ur

U

11


Hệ 1 thấu kính

Giảm U1

ảnh hưởng của vận tốc ban đầu cua3 điện tử

sắc sai sẽ cao

dt chuyển đông chậm hơn. Điện tích không gian Đtmở rộng chùm đt

Không khả thi19.04.23 43


Anh hưởng của vận tôc đâu

Hệ 1 thấu kính

Tăng gama 2

không đủ không gian để vật làm lệch chùm điện tử.

thấu kính gần mànghiệu quả làm lệch điện

tử sẽ giảm

Không khả thi


Hệ 1 thấu kínhVới những lý do trên, súng điện tử thấu kính đơn không thể cho chùm điện tử có tiết diện nhỏ nhất. Do đó nó ít được sử dụng

Hầu hết súng ngày nay sử dụng hệ quang học hai thấu kính


Hệ 2 thấu kính


Hệ 2 thấu kính

(1.thấu kính thứ nhất 2. thấu kính thứ hai, 3. màn hình, 4. tiết diện giao nhau, 5. hình ảnh

cathode, 6. bán kính chùm tia)19.04.2347 BÔ MÔN VÂT LY ĐIÊN TƯ ƯNG DUNG

Hệ 2 thấu kínhVì vậy công dụng của hệ quang học 2 hoặc 3 thấu kính

cho phép chúng ta tạo ra những súng điện tử đáp ứng tốt những đòi hỏi đã nêu ra ở trên.


THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG



lý thuyết Lagrange-Helmholtz:

Theo hình vẽ

1 0 2; ;c i cn u n U U U

1 1 2 2sin sinc ir n rn

0

max c

ucU

rr

tg

1 1 1 12 2

2 2

sin sinsin c c

i

r n r nr btg b b

rn n tg

2

ir btg

r btg



Vì

(4.8)

:

10 90

0

c

uUr a

ratg

0

max c

ucU

rr

tg



Từ công thức trên ta thấy rằng : r không phụ thuộc vào bán kính của bề mặt

cathode phát xạ r phụ thuộc vào tỷ số năng lượng ban đầu và năng

lượng ở tiết diện ngang của electron.

r chỉ đúng khi giả thiết rằng mọi electron có cùng vận tốc đầu.



Thực tế: electron phát xạ từ cathode được phân bô theo định luật Maxwell.

N: nguyên tử phát ra trên 1cm2, trong 1 đơn vị thời gian và trong 1 góc khôi có năng lượng từ eu đến e(u+du) là:

N0: sô electron được phát ra ban đâuT: nhiệt độ tuyệt đôi của cathode.K : hằng sô Boltzman

0( ) exp( ) ( )eu eu eu

N u du N dkT kT kT



Giá trị N0 có thể được xác định bởi mật độ dòng

Bằng 1 số tính toán ta rút được mật độ dòng tại tâm tiết diện:

0cj e N

0 1 sincc

euj j

kT


THẤU KÍNH CHÍNHlý thuyết lagrange-Helmholtz

(6.68)

rer: bán kính tiết diện ngang

Uer: thế ở mặt phẳng tiết diện ngang : khẩu độ giác ở mặt phẳng tiết diện ngang : khẩu độ giác ở màng hứngUs: thế mặt phẳng màng hứng

Giả sử khẩu giác nhỏ, ta có:

(6.70)

12

1 2er er s sr U tg r U tg

1

2

er er

s

r Us Ur

19.04.23 56


THẤU KÍNH CHÍNH

Để giảm rs có hai phương án sau.

Giảm vận tốc ban đầu giảm eu0 (cathode nhiệt độ thấp)

Tăng điện thế ở màng hứng:

1

2

0

er er

s

r Us U

uU

r

r a

01

2 s

us Ur a


THẤU KÍNH CHÍNH

Tăng điện thế có nhiều ưu điểm: Làm giảm ảnh hưởng lực đẩy Coulomb của điện tích không

gian.Giảm ảnh hưởng của điện trường và từ trường bên ngoài. Giảm bán kính ảnh bằng cách tăng điện thế màng húng là một

thành công đáng kể trong các thiết bị súng điện tử. Năng suất khuếch đại:

.

1

2

s er

er s

r Ur UM


SÚNG ĐIỆN TỬ VỚI HỆ HỘI TU TĨNH ĐIỆN


SÚNG ĐIỆN TỬ VỚI HỆ HỘI TỪ


Thấu kính tĩnh điện

1

2

U

U

sin

sin

U1U2

U1 < U2

19.04.23

61


CHÙM TIA SONG SONG

VẬT

a) HỘI TỤ QUANG

b) HỘI TỤ CHÙM ĐIỆN

TỬ

ẢNH

TIÊU ĐiỂM

THẤU KÍNH

SỰ TƯƠNG TỰ GIỮA CHÙM HỘI TỤ QUANG VÀ CHÙM ĐiỆN TỬ

19.04.23

62


GÓC LỆCH

KHOẢNG CÁCH TỪ TRỤC r

CHÙM TIA SONG SONG

YÊU CẦU HỘI TỤ: GÓC LỆCH LÀ MỘT HÀM TUYẾN TÍNH CỦA KHOẢNG CÁCH TỪ TRỤC: r = f tan

19.04.23

63


VÙNG 1 VÙNG 2

U1 U2

ỐNG DẠNG TRỤ

r(z), v(z) thay đổi theo z

z

r(z)

v(z)

v(r)

v

19.04.23

64


dz)z(U

)z(U

4

r

d

)S(Ur

d

)S(Ur

d

rtg

z

r;

d

rtg

z

r

rr

dz)z(r)z(U

)z(U

4

1

z

r)z(U

z

r)z(U

)z(r)z(U

)z(U

4

1

z

r)z(U

z

o

''oooo

1

1oo

1

o

S

o

S

o

S

S o

''o

So

So

o

''o

o

1

1

1

ro0

d d1

=0

z


dz)z(U

)z(U

)S(U4

1

f

1

fd,d

dz)z(U

)z(U

)S(U4

1

f

1

fd,d

o

''o

o1

11

o

''o

1o2

21

f phụ thuộc vào dấu của đạo hàm bậc hai U” nên:

U” > 0 f > 0 thấu kính hội tụ

U” < 0 f < 0 thấu kính phân kỳ19.04.23 66BÔ MÔN VÂT LY ĐIÊN TƯ ƯNG DUNG

1 2

K G D A

HỆ THẤU KÍNH TĨNH ĐIỆN HỆ THẤU KÍNH TĨNH ĐIỆN ĐƠNĐƠN

1

GD1

2

DA2

12

d

d

UU;

d

UU

U4f

d1 d2

Ud


Bz

Br B

vo

F,v

Fr

vov

vr

Thấu kính từ

19.04.23

68


)z(BU8

e

f

1

r)z(BmU8

e

dz

rd

2o

o

2o

o2

2

• f luôn dương thấu kính từ luôn là thấu kính hội tụ.

• Thành phần v làm điện tử có xu hướng xoay quanh trục thấu kính ảnh của vật qua thấu kính sẽ bị quay đi một góc


Nguồn điện tử

Quỹ đạo điện tử

Cuộn dây đồng

Trục

Vỏ bọc sắtTrường thấu

kính từ

Tiêu điểm

THẤU KÍNH TỪTHẤU KÍNH TỪ

19.04.23

70


19.04.23

71


19.04.23

72


ĐiỀu khiỂn chÙm e trong ĐiỆn , tỪ trƯỜng

Documents