ĐIỀU KHIỂN CHÙM E TRONG ĐIỆN , TỪ TRƢỜNG

C

KIÊN TRUNG

22/03 2014

1 NG

I.

:

22/03 2014

NG 2

1- SỰ TƢƠNG TỰ QUANG –CƠ :

CƠ

 Trong cơ học cũng có nguyên lý tác dụng tối thiểu, đƣợc biểu diễn dƣới dạng toán học sau

QUANG  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.

(1)

22/03 2014

NG 3

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.

’ = 

(2)

- 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:

 ’

n1

=

n2 >n1

(3)

22/03 2014

Hieän töôïng truyeàn thaúng, phaûn xaï, khuùc xaï

NG 4

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:

= 0

=

(4)

:ñoäng naêng cuûa haït.

Wñ = 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:

=

(5)

ν =

22/03 2014

NG 5

Phöông trình (4) trôû thaønh:

=

=

Do = conts

= 0

(6)

Neân Thay (5) vaøo (6)

= 0

(4) 

= Const

Do

(7)

= 0

Neân

22/03 2014

NG 6

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.

ñoái vôùi söï chuyeån ñoäng cuûa

ÔÛ ñaây, ñoùng vai troø töông töï chieát suaát n hay noùi caùch khaùc söï thay ñoåi 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.

22/03 2014

NG 7

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.

22/03 2014

NG 8

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:

(8)

’

22/03 2014

Hieän töôïng phaûn xaï ñieän tö’

NG 9

=

Theo coâng thöùc (5) ta coù:

(9)

=

=

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:

22/03 2014

NG 10

- 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:

=

U1 = Const

U2 = Const > U1

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.

22/03 2014

NG 11

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:

(10)

v1x = v2x hay v1Sin = v2Sin

maët khaùc, theo coâng thöùc (3):

=

=

Phöông trình (10)

=

=

(11)

22/03 2014

NG 12

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.

22/03 2014 13 NG

 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.

22/03 2014

Ñöôøng ñi cuûa tia saùng trong quang hoïc

NG 14

- 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).

22/03 2014

NG 15

 Với e chuyển động trong điện trƣờng có thể chứng

minh

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

22/03 2014

NG 16

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, hƣớng chuyển động và độ lớn của vận tốc sẽ thay đổi và đƣợc xác định bằng định luật khúc xạ :

22/03 2014

NG 17

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

=

 Lực này phụ thuộc vào điện tích của hạt, độ lớn và hƣớng của vận tốc hạt mang điện. Do đó, trong trƣờng hợp từ trƣờng không có sự tƣơng tự nhƣ trong quang học: từ trƣờng là môi trƣờng bất đẳng hƣớng, còn điện trƣờng là môi trƣờng đẳng hƣớng.

22/03 2014

NG 18

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

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

22/03 2014

NG 19

a. Chuyển động của electron trong điện trường:

22/03 2014

NG 20

 Phƣơng trình chuyển động của electron trong điện

trƣờng không đều đối xứng trục: U(r)=U(-r) trong hệ tọa độ trụ :

22/03 2014

NG 21

 Theo định luật bảo toàn năng lƣợng và biến đổi toán

học, ta thu đƣợc phƣơng trình sau:

22/03 2014

NG 22

 Dùng công thức trên ta giải bài toán trong trƣờng 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.

22/03 2014

NG 23

 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 nhƣ hình vẽ sau:

22/03 2014

NG 24

 Các góc α,β đều rất nhỏ. Phƣơng trình quỹ đạo trên có

thể viết về dạng nhƣ sau:

d

 Tích phân theo z từ A đến A1, ta có:

22/03 2014

NG 25

22/03 2014

NG 26

 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.

22/03 2014

NG 27

 Quỹ đạo của e trong điện trƣờng đối xứng trục có dạng

phẳng .

 Thấu kính tĩnh điện có thể là thấu kính hội tụ hoặc

phân kỳ

22/03 2014

NG 28

b. Chuyển động của electron trong từ trường:

22/03 2014

NG 29

. Tiêu cự của thấu kính từ:

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

22/03 2014

NG 30

NG

22/03 2014

NG 31

SÚNG ĐIỆN TỬ

22/03 2014

NG 32

1. GIỚI THIỆU 2. HỆ QUANG HỌC CỦA SÚNG ĐIỆN TỬ 3. THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG 4. THẤU KÍNH CHÍNH 5. SÚNG ĐIỆN TỬ VỚI HỆ HỘI TỤ TĨNH ĐIỆN 6. SÚNG ĐIỆN TỬ VỚI HỆ HỘI TỪ

22/03 2014

NG 33

U

22/03 2014

NG 34

 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 đƣợc nhiệt độ cao.

22/03 2014

NG 35

GIỚI THIỆU

22/03 2014

NG 36

SÚNG ĐIỆN TỬ

Cathode

Hệ thống các điện Cực(các thấu kính điện tử)

Tạo ra chùm electron Hội tụ chùm electron

Có chức năng nhƣ 1 van điều khiển

NG

22/03 2014

37

2.HỆ QUANG HỌC CỦA SÚNG ĐIỆN TỬ

 Hệ 1 thấu kính

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

22/03 2014

NG 38

Hệ 1 thấu kính  Theo lý thuyết Larange-Helmholz :

 Độ rộng ảnh của cathode

 Yêu cầu: r2 nhỏ nhất: Giảm tử số hay tăng

mẫu số

22/03 2014

NG 39

Hệ 1 thấu kính

r2 nhỏ nhất

Giảm tử số

Tăng mẫu số

Tăng gama 2

giảm gama 1

Tăng U2

Giảm r1

Giảm U1

22/03 2014

40

NG

Hệ 1 thấu kính

Giảm U1

nh

n

a

ảnh hƣởng của vận tốc c ng ban đầu cua3 điện tử u sắc sai sẽ cao

dt chuyển đông chậm hơn. Điện tích không gian Đtmở rộng chùm đt

Không khả thi

22/03 2014

41

NG

Hệ 1 thấu kính

Tăng gama 2

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

thấu kính gần màng hiệu quả làm lệch điện tử sẽ giảm

Không khả thi

22/03 2014

42

NG

Hệ 1 thấu kính Với 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 đƣợc sử dụng Hầu hết súng ngày nay sử dụng

hệ quang học hai thấu kính

22/03 2014

NG 43

Hệ 2 thấu kính

22/03 2014

NG 44

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)

22/03 2014

NG 45

Hệ 2 thấu kính

 Vì 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.

22/03 2014

NG 46

THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG

22/03 2014

NG 47

THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG

22/03 2014

NG 48

THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG

 lý thuyết Lagrange-

Helmholtz:  Theo hình vẽ

22/03 2014

49

NG

THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG

 Vì

(4.8)

 :

22/03 2014

50

NG

THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG

 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 lƣợng ban đầu và năng

lƣợng ở tiết diện ngang của electron.

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

tốc đầu.

22/03 2014

NG 51

THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG

 Thực tế: electron phát xạ từ cathode đƣợc phân bố theo

định luật Maxwell.

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

 N0: số electron đƣợc phát ra ban đầu  T: nhiệt độ tuyệt đối của cathode.  K : hằng số Boltzman

22/03 2014

NG 52

THẤU KÍNH ĐẦU TIÊN CỦA SÚNG

 Giá trị N0 có thể đƣợc xác định bởi mật độ dòng

 Bằng 1 số tính toán ta rút đƣợc mật độ dòng tại tâm

tiết diện:

22/03 2014

NG 53

THẤU KÍNH CHÍNH

 lý 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 hứng   Us: thế mặt phẳng màng hứng Giả sử khẩu giác nhỏ, ta có:

(6.70)

22/03 2014

54

NG

THẤU KÍNH CHÍNH

Để giảm rs có hai phƣơng án sau.

Giảm vận tốc ban đầu giảm eu0 (cathode nhiệt

độ thấp)

Tăng điện thế ở màng hứng:

22/03 2014

55

NG

THẤU KÍNH CHÍNH

Tăng điện thế có nhiều ƣu điểm:

 Làm giảm ảnh hƣởng lực đẩy Coulomb của điện tích không

gian.

 Giảm ảnh hƣởng của điện trƣờng và từ trƣờng 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:

22/03 2014

NG 56

SÚNG ĐIỆN TỬ VỚI HỆ HỘI TỤ TĨNH ĐIỆN

22/03 2014

NG 57

SÚNG ĐIỆN TỬ VỚI HỆ HỘI TỪ

22/03 2014

NG 58

Thấu kính tĩnh điện

59

U1 < U2

U1

U2

NG

22/03 2014

a) HỘI TỤ QUANG

60

ẢNH

VẬT

TIÊU ĐiỂM

b) HỘI TỤ CHÙM ĐIỆN TỬ

THẤU KÍNH

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

NG

22/03 2014

CHÙM TIA SONG SONG

61

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

NG

22/03 2014

U1

U2

62

VÙNG 1

VÙNG 2

ỐNG DẠNG TRỤ

v(z )

r(z)

r(z), v(z) thay đổi theo z

v(r)

v

z

NG

22/03 2014

ro

= 0

 0

z

d

d1

NG

63

22/03 2014

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

U” > 0  f > 0  thấu kính hội tụ

NG

U” < 0  f < 0  thấu kính phân kỳ 22/03 2014

64

HỆ THẤU KÍNH TĨNH ĐIỆN ĐƠN

K

G

D

A

d1

d2

Ud

1

2

NG

65

22/03 2014

Thấu kính từ

66

F,v

v

vo

vo

Bz

Fr

vr

B

Br

NG

22/03 2014

• f luôn dƣơng  thấu kính từ luôn là thấu kính hội

tụ.

• Thành phần v làm điện tử có xu hƣớng xoay

quanh trục thấu kính  ảnh của vật qua thấu kính sẽ bị quay đi một góc

NG

67

22/03 2014

THẤU KÍNH TỪ

68

Nguồn điện tử

Trục

Tiêu điểm

Quỹ đạo điện tử

Cuộn dây đồng

Vỏ bọc sắt

Trường thấu kính từ

NG

22/03 2014

69

NG

22/03 2014

70

NG

22/03 2014