[科普中国]-磁透镜

磁聚焦现象一般都是利用载流螺线管中激发的磁场来实现的。在实际应用中，大多用载流的短线圈所激发的非均匀磁场来实现磁聚焦作用。由于这种线圈的作用与光学中的透镜作用相似，故称磁透镜。在显像管、电子显微镜和真空器件中，常用磁透镜来聚焦电子束。

概念磁透镜是指能够把匀速带电粒子束会聚，并且把这样的束程中的物体形成像的轴对称磁场。这样的磁场(磁透镜)可以由螺线管、电磁铁或永磁体产生。用于电子和离子显微镜、带电粒子加速器及其他装置中。

磁聚焦的原理如果一个带电粒子进入匀强磁场时，其速度v的方向与磁感强度B的方向成任意角度θ，则可将v分解成平行于B和垂直于B的两个分量V∥和V⊥。因磁场的作用，垂直于B的速度分量V⊥虽不改变大小，却不断改变方向。在垂直于B的平面内作匀速圆周运动。平行于B的速度分量V∥不变，其运动是沿B方向的匀速直线运动。这两种运动的合成，为螺旋线运动。此带电粒子作螺旋运动时，螺旋线的半径(即电子在磁场中作圆运动的回旋半径)为：

r=mV⊥/qB=mVsinθ/(qB)

粒子每转一周前进的距离称为螺距，用符号表示，则：

h=V∥T=2πmVcosθ/(qB)

上式中的T是粒子转过一周所需的时间，称为回转周期。

在匀强磁场中某点A处有一束带电粒子，当带电粒子的速度v与B的夹角很小、各粒子速率v大致相同时，这些粒子具有相同的螺距。经一个回转周期后，他们各自经过不同的螺距轨道重新会聚到A'点。发散粒子依靠磁场作用会聚于一点的现象称为磁聚焦。它与光束经光学透镜聚焦相类似。实际应用中，更多利用它产生的非匀强磁场聚焦。短线圈的作用类似光学中的透镜，称为磁透镜。也可用于电子显微镜中。1

螺线管在物理学里，术语螺线管指的是多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个金属芯。当有电流通过导线时，螺线管内部会产生均匀磁场。螺线管是很重要的元件·。很多物理实验的正确操作需要有均匀磁场。螺线管也可以用为电磁铁或电感器。

通电螺线管的极性跟电流方向间的关系，可以用右手螺旋定则来判断。就是用右手握住螺线管，让四根手指弯曲且跟螺线管中电流的方向一致，则大拇指所指的那端就是螺线管的N极。注意：右手螺旋定则中所说的“电流的方向”是指螺线管中“电流的环绕方向”，右手四根手指的弯曲方向应跟电流的环绕方向一致。

机电螺线管常见于电子弹珠台、点阵式打印机、燃料喷射装置等等。机电螺线管是由电磁感应线圈，卷绕于可移动的不锈钢或铁材质的电枢（armature）外面，所组成的机电原件。当感应线圈乘载电流时，会有磁场产生，感应线圈变成一个电磁铁，吸引或排斥电枢，造成电枢的移动。这机制所给出的机械力可以用来操控其它机械（像气控阀或液压阀）。机电螺线管给出的是近距离作用力；对于远距离，作用力会显得微弱。由于可以用控制电路直接控制，机电螺线管的反应时间非常快速。

磁透镜与光学透镜的比较光学透镜成像时，物距L1、象距L2、焦距f三者之间满足右图关系式：

由于光学透镜的焦距f是不能改变的，要满足成像条件，必须同时改变L1和L2。

与光学透镜相似，电磁透镜成像时也必须满足式。但磁透镜的焦距可以通过改变线圈中通过电流的大小来调节。采用磁透镜成像时，可以在固定L1的情况下，改变f和L2来满足成像条件；也可以保持L2不变，改变f和L1来满足成像条件。

应用离子显微镜E.W.弥勒于1951年发明的一种分辨率极高、能直接用于观察金属表面原子的分析装置，简称FIM。FIM(Field Ion Microscope)是最早达到原子分辨率，也就是最早能看得到原子尺度的显微镜。

FIM(FieldIonMicroscope）是最早达到原子分辨率，也就是最早能看得到原子尺度的显微镜。只是要用FIM看像，样品得先处理成针状，可不是粗针、细针都行喔，针的末端曲率半径约在200~1000埃。（1埃=10-10米）把样品置于真空极佳的空间中，藉由和低温物的接触将其温度降到液态氮的温度以下。在空间中放入成像气体，可能为He、Ne、Ar等气体，视不同样品而定。等以上这些看像的事前工作都准备好，我们才加给样品正高压使附着在样品上的成像气体解离成带正电的阳离子，带正电的气体离子接着被电场加速射出，打到接收器讯号被放大，以电子射到荧光屏幕，我们就能在屏幕上看到一颗一颗的原子亮点。

FIM是1956年Erwin W. Mueller发明。由FEM(Field Emission Microscope）发展来的。FEM的样品同样也得作成针状，在真空的环境中成像，不过样品上我们加的是负的高压，样品达到足够的负高压时，会放出电子打到荧光幕产生亮点，而这个亮点代表的并非一颗原子，是样品上一片区域，这个区域电子在同样的负高压作用下都会射出电子。因为电子在横向上 （和样品表面平行的方向） 速度分量造成绕射的情况，使得FEM的分辨率只能达到20到25埃（要看到原子分辨率至少要小于1埃）。Erwin W. Mueller做了什么事改善了分辨率呢？他加了成像气体用正高压使其解离成阳离子，并被加速射到屏幕，成像气体比电子重，而且在低温的情况下，其横向速度分量小多了，提高了分辨率，FIM便如此产生了。在此最初的FIM之后，有人对影像明暗对比、真空情况、样品冷却处理等方面渐渐改善，使得其功能愈来愈良好。2

粒子加速器粒子加速器（particle accelerator）全名为“荷电粒子加速器”，是使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置。是人为地提供各种高能粒子束或辐射线的现代化装备。

日常生活中常见的粒子加速器有用于电视的阴极射线管及X光管等设施。一部分低能加速器用于核科学和核工程，其余的则广泛用于从化学、物理及生物的基础研究。一直到辐射化学，射线照相、活化分析、离子注入、射线治疗、同位素生产、消毒杀菌、焊接与熔炼、种子及食品的射线处理以及国防等国民经济的各个领域。

自E·卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的α射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后，物理学家就认识到，要想认识原子核必须和粒子进行同步的研究。随后应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成了上千种新的人工放射性核素，高能加速器的发展又使人们发现了包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子。3

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学