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电磁学要面对的问题:电子束聚焦原理
[楼主] 作者:yanghx  发表时间:2002/07/17 15:37
点击:667次

现在不少人认为既然有了电磁学、量子论, 还要搞什么“以太论”吗?不是多此一举吗? 以前我也说过了不少引入“以太论”的必要性, 现在想从电磁学的一个问题入手看一下现有理论遇到的麻烦, 这就是显微镜和加速器中常用的“电子束聚焦”问题, (电视机里用的是静电聚焦) 先来看一下现有理论是怎样对此做出解释的: ========================================================== 马咸尧 , 《X射线衍射与电子显微分析基础》 , 第108页(超星下载) §10—2 电子束聚焦原理与磁透镜 一、电子在磁场中运动 速度为v的电子,在强度为H的磁场中运动时,会受到洛伦兹力F的作用: F= 一e(v×H) 式中.e为电子电荷; 负号表示F反平行于v×H, F的方向既垂直于速度v, 即其值为:F=evHsin(v,H) (10—5)由式(10—5)可知: 若电子速度为零,或v∥H,则电子不受洛伦兹力的作用; 如果v⊥H,此时磁场对电子的作用力最大,其值为 Fmax=evH (10—6) 这时,磁场对运动电子的作用力总是垂宜于电子的速度, 不能改变电子运动速度的大小.只能改变其运动方向, 因此,在这种磁场中运动的电子只能发生方向偏转。 二、电子在轴对称磁场中的聚焦作用 轴对称磁场能使电子束聚焦成像。 这种磁场由通电流的圆柱形轴对称线圈产生。 线圈的中心在系统的对称轴上,线圈的平面垂直于对称轴z。 通电的长螺线管产生的磁场是均匀磁场,也是最简单的抽对称磁场。 在这种均匀磁场中,只存在轴向磁场Hz,除螺线管两端有磁场(Hr)外. 不存在径向磁场Hr。 第一种情况,v与H垂直。这时,电子所受的力由式(10—6)所决定。 磁场力只改变电子运动的方向,不改变电子运动的速度。因此, 电子在与磁场垂直的平面内作匀速圆周运动时所需的向心力就是由磁场力提供的。 设电子的质量为m,所作圆周运动的轨迹半径为r, 则向心力为F向心=mv^2/r,电子在磁场中作圆周运动时, 有F向心=Fmax=evH,于是可得:r=mv/eH=p/eH 式中,p=mv 为电子的动量, 由此可知,当磁场强度H为定值时, 电子做圆周运动的轨迹半径r与它的动量P成正比,P越大,r越大。 第二种情况,v与H成某一角度α,这时,可将速度v分解成: 沿z袖的纵向分量 Vz=vcosα 和垂直于z铀的径向分量 Vr=vsinα。 Vz只能使电子沿釉向作匀速直线运动, Vr才能使电子在垂直于z轴的平面上作圆周运动。 电子运动是这两种运动的合成,形成一条螺旋线轨迹(如图10—2所示), (见后面上传的附图: http://club.999.com.cn/club/53/6/club23653.gif 图示注解:当电子速度v与磁场强度H不垂直时,电子按螺旋线轨迹运动) 在Vr的作用下,电子作圆周运动的半径为: r=mv/eH =mVr/eH= mv sinα/eH 半径r不仅取决于v和H,而且还取决于它们之间的夹角α。 电子旋转一周所需的时间为: t=2πr/Vr=2πm/eH 时间t与电子运动速度v、出射角α无关.只与磁场强度H有关。 在t时间内,每个电子沿轴向前进的距离PP’=Vz*t=tvcosα, 若α很小时,cosα→1,则: PP’=t*Vz =2πmv/eH =2πsqr(2mU/e)/H, 式中,U为加速电压。 α很小,相当于光学中的旁轴条件,在旁轴条件下. 过P点的不同发射角发出的电子经过同一时间t后所前进的轴向距离是相同的. 发出的电子都将会聚在P’点上。这说明在均匀磁场中运动电子有聚焦作用。 但是,每一点的像都是在物点本身所在的力线上得到的。 而均匀磁场中的力线是互相平行的。其像不能放大,并且总是正像。 ============================================================ 以上是该书对“电子束聚焦”原理的论述, 从中可以看出存在一些不小的问题: 都知道所谓“聚焦”就是把粗电子束变成细电子束, 或者说,把粗电子束汇聚到对称轴上的一个微小点, 这就需要即使当电子速度v∥H时,磁场也存在对电子的向心力, 可是由于现在的电磁学认为: 当电子速度v∥H时,磁场对电子的向心力: F=eVz H = 0, 所以从现在的分析中就找不到使平行H运动的电子或分量Vz聚向轴线的向心力, 于是只有对v⊥H的Vr产生的向心力: F=eVr H , 而向心力F=eVr H 只能维持电子做等圆周运动, 即圆周的半径r不会逐步减小,不能形成一个r逐步减小的螺旋汇聚锥, 这样怎么能对粗电子束起到“聚焦”的作用呢? 只有当电子速度v∥H时,磁场也对电子产生一个向心力: F=eVz H, 才能使得“平行电子”(v∥H)向轴线方向汇聚, 而“角度电子”(与H成α角)也就会以螺旋锥的运动形式向轴线汇聚, 这才是“电子束聚焦”的基本原理? 所谓的“旁轴汇聚”实在是有问题, 试想:PP'是平行于轴线z的,电子从P点以任意角度α出发, 一个周期后,又以α角度到达P'点, 它与轴线z的距离r始终未变,怎么能起到“聚焦”的作用呢? 虽然现在的电磁学还解释不了“电子束聚焦”的原理, 不过“以太论”却可以用“以太旋涡”很好的对此作出解释, 或者说,“以太论”预言: 1、平行于轴对称磁场H运动的电子将受到一个以太旋涡引力, 于是它们都向轴线方向汇聚,汇聚程度与H成正比。 2、不平行于H运动的电子所受的合力会使它们沿一条螺旋锥曲线运动, 所以它们也都同样逐步向轴线方向汇聚。 3、如果磁场H“反向”,则电子束就会发散,而不是汇聚, 发散度也与磁场强度H成正比, 中子也有自旋,所以应该也能被汇聚或发散, (光波则只能被发散,而且轴线处的光线最暗,甚至出现“黑洞”) 其实“发散”也有一定的放大作用,不过这是一种旋转不均匀放大, 会有一些变形, 这些都可以用一般的推理和试验给予验证, 或者用较粗、较长的螺线管配合云室摄影给予验证, 也可以用分段放置的“截面靶”来确定电子的轨迹? 有关电子束聚焦原理一般是在电子显微镜或加速器方面的书里有介绍, 不过一般都是讲比较复杂的“磁透镜”比较多, 在光学里,能够聚焦的是凸透镜,它同时还有放大的作用, 可是据说这种“磁聚焦”是没有放大作用的,为什么呢? 另外我想问一个问题:各位认为中子能被磁场或电场聚焦吗? 我先抛块砖,还望各位指点,

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 [2楼]  作者:逆子  发表时间: 2002/07/17 17:20 

磁聚焦的结果仅与光学透镜的原理近似。
磁聚焦与光学透镜的原理有点近似,用其原理可以实现放大。所以称为磁聚焦或磁透镜。 正如你所说的,PP'是平行于轴线z的,电子从P点以任意角度α出发,一个周期后,又以α角度到达P'点。这样电子束完在磁透镜中完成发散与会聚的过程。这样P'点的物像并没有放大,P点处的物与P'点的物像是一样大小的。放大的像是在P'点以后处出现的。因为,电子束会聚到P'点后,它并不是以很细的电子束运行的,在P'点的电子是以保持着α角度发散出去的。这样才形成放大像。所以说电子显微镜是把电子发散-》会聚-》再发散-》来完全放大的全过程的。“以太旋涡”是不可能来解释此类问题的,它完全由洛仑兹力的解释就足够了。 也不可否认,电子束必须与磁力线保持有一定的角度才能完成发散,这样的发散也才有利于会聚。它不能完全同光学透镜原理来类比。只是从电子束的发散、会聚、放大的功能上它与光学透镜有相似之处而已。所以,不能在名称上较真。

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逆子
[楼主]  [3楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/17 17:38 

在什么情况下,电子会出现向轴线方向的“聚焦运动”?
这是一种最简单的“磁透镜”,可以起到“聚焦”的作用, 可是按现有电磁理论(落伦兹力)分析,得不到“聚焦”的效果, 书中说的很清楚,分成两种情况来考虑: -------------------------------------------- 第一种情况,v与H垂直, 有F向心=Fmax=evH,于是可得:r=mv/eH=p/eH, 第二种情况,v与H成某一角度α,这时,可将速度v分解成: 沿z袖的纵向分量 Vz=vcosα 和垂直于z铀的径向分量 Vr=vsinα。 Vz只能使电子沿釉向作匀速直线运动, Vr才能使电子在垂直于z轴的平面上作圆周运动。 α很小,相当于光学中的旁轴条件,在旁轴条件下. 过P点的不同发射角发出的电子经过同一时间t后所前进的轴向距离是相同的. 发出的电子都将会聚在P’点上。 ------------------------------------------- 关键就在于: “Vz只能使电子沿釉向作匀速直线运动, Vr才能使电子在垂直于z轴的平面上作圆周运动。” 这个“圆周运动”的半径r是不变的吧? 这个电子是在一个平行于轴线的圆柱面内作螺旋运动的吧? 图上画的也很清楚呀? 所以我说:平行于轴线的电子轨迹圆柱面怎么能起到聚焦的作用呢? 只有圆锥面(电子轨迹所在曲面)才能起到聚焦的效果吧? 只有在说到“旁轴”时提到了“聚”字, 可是它与第二种情况是一样的,也还是从P到P’, P和P’都是在那个“平行圆柱面”上的吧? 请考虑一个关键性的问题: 在什么情况下,电子会出现向轴线方向的“聚焦运动”? 如果认为这种“对称均强磁场”不能聚焦, 只能按1:1的比例转递电子束(比如从P到P’点), 那可与实际的实验结果相违背了,这种实验就太多了,
 [4楼]  作者:逆子  发表时间: 2002/07/17 19:04 

入射电子的速率尽管相同,但它们与磁场的垂直分量各不相同的。
你认为电子束中电子的速率相同,它在磁场中圆周运动的半径r是不变的。单纯从洛仑兹力的推导上是这样的一个结果。但是,实际中,虽说它们的速度相同,但入射电子束中的电子与磁力线的垂直分量各不相同,这样就会造成旋转的半径各不相同。就是由于这个垂直分量的不同,电子束才能在磁透镜中来完成发散与会聚的过程。 是的,如果电子束中各电子与磁场的垂直分量相同,它不会有完整物像放大的。电子显微镜正是利用了电子与磁场的垂直分量不同这一特点。 在什么情况下,电子会出现向轴线方向的“聚焦运动”? 发散是由于电子的与磁场的垂直分量各不相同的结果,发散后的电子虽说在绕不同的半径在旋转,但它们平行于主轴方向的速率近似地相等,也就是说半径各不相同,但速率相等,这就是发散后的电子产生会聚的主要原因。 电子束从从P到P^点是1:1的比例转递电子束,P^处是焦点,焦点是相对于发散后的电子束而言的。P^处的物像与P点处的观测物是1:1的比例。当电子束通过P^点后再次发散,才能完成放大功能。 如:我们可以把电视改为一个电子显微镜。电子枪射出的电子束直接射到被观测物上,从被观测物穿过的电子速再进入磁透镜来完成发散与会聚的过程,这个焦点在磁透镜的出口不远处,但这个焦点与萤屏还有更长的一段距离,电子束就是在这段距离上,在无磁场的条件下,完成再次的发散。发散后的电子束射到萤屏上就是一个放大像。它最后的一次发散角来至磁透镜对电子的作用结果。

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逆子
[楼主]  [5楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/18 02:09 

分析一种书中忽略的情况,可还是解释不通?
应该注意到: 1、对于电子束聚焦来说, 所谓“焦点”只能是在对称轴z上的某点吧? 光学中的“聚焦焦点”也是如此定义的吧? P’点怎么能作为聚焦的焦点呢? 磁场H并不影响轴向速度分量Vz, 所以这些电子当然都同时到达某垂直于z轴的平面了, 可是在这个截平面内的电子束直径并没有减小---汇聚。 2、如果电子进入螺线管“对称磁场”的电子与 对称z轴成的角度a是如同书中所画那样的话, 那么电子束中的各电子只会在各自不同的r同心圆柱面上运动, 这只能是阻止了电子束继续成a角度的发散, 即在离开螺线管“对称磁场”时,仍然保持a角度运动, 所以电子束直径即没有被缩小、汇聚,也没有继续扩散开去, 电子束直径是1:1的传递关系吧?起不到“聚焦”的作用。 3、现在只有自己来考虑另一种情况: 如果考虑到进入螺线管“对称磁场”的电子束 中的各电子一般是带有一个“中心发散角度”的话, 那么v分解后的径向分量Vr就基本与同心圆的半径r共线, Vr的方向沿r指向圆外,根据左手定则, 向心力F并不经过圆心(或z轴),结果电子会怎样运动呢? 围绕另一根与z轴平行、与z轴间距为L的虚轴旋转? 那么电子围绕这个“虚轴”旋转一周后,还是回到原处, 只是沿z方向前进了一个“螺距”, 不过这个围绕“虚轴”的“虚圆周”会有一点距离z轴最近, 那么在螺线管内电子束的直径就会周期性的增加和减小, 于是电子束能否被汇聚,就取决于螺线管的长度了? 如果螺线管长度恰当,就可以对电子束有一点汇聚的作用, 长度稍有不当,电子束不但不会被汇聚,还会被发散, (因为“虚圆”上还存在距z轴最远的点) 电子束的聚焦程度与螺线管的长度相关? 实际的实验结果当然不会如此吧? 或许还有其它的解释,还请各位指点? 就目前的电磁理论实在是难以解释吧?
 [6楼]  作者:wbx.21  发表时间: 2002/07/18 09:34 

有道理,“以太”在不久的将来一定会得到平反
 [7楼]  作者:超级猪头  发表时间: 2002/07/18 12:13 

用计算机模拟看看,你就知道了
[楼主]  [8楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/18 14:18 

先画个图吧,也很清楚了


 [9楼]  作者:超级猪头  发表时间: 2002/07/18 16:00 

回复:注意你的第二幅图,电子一开始应该从同一个点发射出来
刚一出来就进入磁场做旋转运动,一圈之后正好碰到一起,注意你的红圈和蓝圈起点应该是相同的,终点和起点重合.
 [10楼]  作者:逆子  发表时间: 2002/07/18 18:46 

电子束能否被汇聚受诸多因素的影响。
1、磁透镜中的焦点不同于光学透镜我焦点一样。只是发散的电子束可以形成汇聚这一点上,它类似于光学透镜,所以把此点也形象地称为焦点。切记!仅是类似,不符合光学透镜对焦点的定义。 2、电子束直径是1:1的传递特性,已说明明了它的“聚焦”作用了,因为,“聚焦”是真对磁透镜中发散的电子束而言的。磁透镜能把发散了的电子束再汇聚到一起,它类似于光学中的聚焦。 3、磁透镜是否能聚焦,它受到诸多因素的影响。电子束的速率,磁场强度,螺旋管的长度,这几个因素相匹配了,才能达到聚焦结果。 另,电子显微镜的像点并不在其焦点处,放大像在焦点以后处,电子束就是在焦点出来后,就会进入无电磁场的区域,最后的一次放大性扩散就是在此区域完成的。扩散后的电子束射到萤屏上,就成为了放大像。更形象一点来看,电子显微镜的放大原理更类同于点阵式放大,它不同于光学透镜的放大原理。 电子显微镜技术现已是比较成熟的技术,无需对此产生质疑。

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逆子
[楼主]  [11楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/18 19:48 

它们相遇以后呢?
知道你的意思,那就把蓝圈上移,与红圈“内切”,对吧? 一个周期后,它们的确相遇了,可是以后呢?又分离了吧? 而且它们的相遇点也不接近对称轴z呀? 只是没有继续发散而已, 多数情况下,电子枪与聚焦螺线管之间是有一定距离的, 这没有问题吧?所以我画的是比较标准的情况, 即使螺线管是套在电子枪上的,也是一样的, 电子的运动方向垂直于轴线z,并且基本是过轴线z的, 这已经分析过了,它将绕一个虚z轴旋转, 旋转半径r与速度Vr成正比,存在近z轴点和远z轴点, 聚焦效果成周期性变化,结果聚焦程度与螺线管长度相关, 再画个图吧,对比一下几种情况,你也该画个图才好, 容易表达的清楚一点,这与量子力学有些不同? 我就是属猪的,可你比我还懒? 另外,值得怀疑的还有: 这种轴对称磁场是否如同书中所说的是“匀强磁场”? 从以太论的观点看,这里的磁场强度H应该与r^2成反比, 以后可以用自己的实验装置给予验证,要作一个粗而长的螺线管,

 [12楼]  作者:超级猪头  发表时间: 2002/07/18 20:09 

就在相遇的那里成象了,所以没有什么以后了.
观测镜头就放在应该相遇的那个地方.当然实际上还要复杂的多,需要把磁场设计成相当复杂的形式来消除象差,不过大体概念差不多.
[楼主]  [13楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/18 20:44 

我这样问吧:怎样使电子束的直径变细?
那一点还用聚焦吗? 假设过那一点的电子束方向相同也可以呀, 只要电子枪轴线与螺线管轴线较好的重合, 那么经过那一点的电子运动方向就基本是一致的嘛, 不存在还要聚焦的问题吧? 我想大家都对电视机和显示器中的电子束聚焦很熟悉了, 只要调一下背板后面的“聚焦旋钮”就知道了, 那么就整个图象来说,是需要扫描的, 但对于电子束在荧光屏上的“聚焦点”来说, 不过就是一个把粗电子束变细的问题, 这个猪头怎么就想不通呢? 变细---你怎样使电子束变细呢? 电子显微镜和加速器中也是一样, 特别是在加速器中,需要不断的聚焦,没有什么“象差”的问题, 或许是对“电子束聚焦”的含义还存在模糊的想法, 准确的讲是“汇聚”,就是由粗变细, 很多书中都介绍过“磁镜效应”,比如“托克马克反应堆”, 实在就是这么个简单的东西, 这里不是说的如同近视眼的那种“聚焦”问题, 那是调整“焦点”的位置,使其刚好落在屏幕上, 一般叫“调整焦距”, 总之还是这个问题吧:怎样使电子束的直径变细?
 [14楼]  作者:超级猪头  发表时间: 2002/07/18 21:52 

这种加速器聚焦是另外一种问题了,目前的办法是用多重磁场
你的概念有点问题,电磁聚焦讲的是让电子束汇聚于一点,但是这一点的电子速度并不是一样的,反正观察屏就在这里,也不需要他一样了(光学透镜也一样,聚集到焦点之后如果不接受还是要发散的).你说的把电子束变细是束宽压缩,这个要复杂一些,流行的办法是用多个四级磁场,每个四级磁场会在一个方向把电子束压缩,另一个方向展宽,几个方向相反的四极磁场就可以形成总的压缩效果了.这个跟电磁透镜根本不是一回事. 详细的内容你找几本<电子光学>的教材就会有讨论的.
 [15楼]  作者:逆子  发表时间: 2002/07/18 22:59 

名符其实的超级猪头
电子的汇聚处称作磁透镜的焦点,其焦点并不为放大像,是与实物尺度一比一的比例,并没有放大。其放大像是出现在距焦点一定的距离上。也就是说,从焦点处再次扩散才能成为放大像。如没有再次的扩散机理,它是不可以有显微功能的。

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逆子

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