Программа практических занятий по курсу "Электронная и ионная оптика"



Скачать 128.39 Kb.
Дата08.10.2012
Размер128.39 Kb.
ТипПрограмма
Программа практических занятий

по курсу “Электронная и ионная оптика”
Цель практических занятий: Практическое исследование теоретических положений раздела курса “Электронная оптика электростатических полей” на основе математического моделирования процессов движения заряженных частиц в аксиально-симметричных электростатических полях:
Методы расчета: Метод конечных разностей для расчета поля электростатических линз, метод линейных отрезков осевого потенциала при расчете траекторий электронов в электростатическом поле линзы.
1. Программное обеспечение практических занятий.
Для математического моделирования процессов движения заряженных частиц в аксиально-симметричных электростатических полях используется специализированная программа LINZA. Программа написана на языке Borland PASCAL 7.0 с использованием объектно-ориентированных библиотек TURBO-VISION.


Задание геометрических параметров исследуемой линзы, потенциалов на ее электродах и параметров влета электрона осуществляется в оконном интерфейсе программы LINZA, моделирующей процесс движения параксиального электрона в неоднородном аксиально-симметричном электрическом поле. Геометрия электродов задается с помощью комбинаций цилиндров и диафрагм в цилиндрической системе координат. Так как электронно-оптические элементы имеют осевую симметрию, задание геометрии электродов производится в плоскости, проходящей через ось симметрии поля. Для каждого элемента электродов линзы необходимо задать три параметра:

  • потенциал;

  • координату (для диафрагмы - нижняя точка, а для цилиндра - левая);

  • длину электрода.

Потенциалы элементов одного и того же электрода имеют одинаковый потенциал.

Параметры электродов задаются в диалоговом окне, которое можно вызвать нажатием клавиш F5 и F6. После задания параметров первого электрода нажать клавишу ENTER и на экране появится окно параметров следующего электрода. При неправильном задании параметров электродов курсор перемещается в строку ввода этого параметра. В этом случае необходимо откорректировать параметры электрода. После ввода параметров системы, их можно просмотреть и отредактировать в окне просмотра “Список электродов”, которое можно вызвать комбинацией клавиш Alt-0. В этом окне можно изменить параметры электрода (нажатием клавиши ENTER или щелкнув два раза кнопкой мышки), удалить электрод (нажатием клавиши DEL), а так же ввести новые электроды (F5 и F6).

Расчет поля производится при нажатии клавиши F9. Расчет поля производится методом сеток. Рассчитанные данные можно сохранить в файле (клавиша F2) или просмотреть графически в виде эквипотенциальных поверхностей.

При графическом просмотре на экране отображаются электроды моделируемой линзы и ее поле. На картине поля видна стрелка, которая может быть выведена с помощью манипулятора "мыши" в любую точку поля линзы. При нажатии на кнопку мыши в верхней части экрана отображается потенциал той точки поля, на которую указывает стрелка. Результаты расчета, содержащиеся в файле данных, могут быть просмотрены или распечатаны с помощью программы LEX.

Выбрав пункт меню 'Опции' можно задать количество проходов, имя файла данных и количество градаций серого, при графическом выводе.

Работа с наиболее распространенными системами.

При наличии файла библиотеки 'LINZA.LIB' возможна работа с наиболее распространенными системами электродов. Для этого необходимо выбрать в пункте меню 'Библиотеки' необходимую систему, после чего, при необходимости, можно внести изменения в параметры электродов.

Ограничения программы.

Программа расчета поля позволяет задавать произвольные значения параметров электродов и потенциалов на них. Однако, для правильного определения параметров электронной линзы необходимо, чтобы поле линзы не выходило за пределы ее электродов.

Размеры системы…………………….. 200 мм на 200 мм.

Максимальный потенциал………….. +32767 В

Минимальный потенциал ………….. -32767 В

Количество электродов……………… 15

Количество элементов в библиотеке.. 15

Расчет траектории движения электрона в поле линзы.

Для расчета траектории движения электрона в аксиально-симметричном электрическом поле программно реализован метод линейных отрезков осевого потенциала. Для расчета траектории необходимо задать параметры влета электрона в диалоговом окне “Электрон”. Параметрами влета электрона в поле являются:

- расстояние электрона от оси R(0);

- угол влета электрона, образованный касательной траектории электрона с осью симметрии поля в точке влета.

Расчет траектории осуществляется в том случае, если поле по всей своей длине не меняет знак. Если поле на оси меняет знак, то на экран монитора выводится предупреждение. В этом случае необходимо исправить данные для расчета поля и траектории электрона.

Результаты расчета поля и траектории электрона отображаются в графическом виде на экране монитора. Здесь же отображается геометрия электродов моделируемой линзы. Следует иметь в виду, что результаты расчета траектории электрона для наглядности автоматически масштабируются по максимальному радиальному размеру моделируемой системы электродов.

2. Программа работы.


  1. Линза-диафрагма.



у
U1 U2 U3

5 4 4

х

(0,0) (5,1) (10,1) х

  1. Задайте параметры электродов линзы-диафрагмы такими, чтобы ее поле было собирающим. Выполните расчет поля линзы. С помощью маркера манипулятора “мышь” исследуйте распределение потенциала в поле моделируемой линзы. Исходные данные и результаты расчета занесите в протокол выполнения работы. Картину поля представьте в виде эквипотенциальных линий с указанием потенциалов.

  2. Задайте параметры влета электрона: точка влета …..……….….. -55 мм.

угол влета ………………………..0 град.

Выполните расчет и выведите на экран монитора результаты расчета. Результаты расчета занесите в протокол работы. Обратите внимание на величину фокусного расстояния линзы, ход траектории электрона до попадания в поле линзы, в поле линзы и в поле анодной диафрагмы. На основе теории движения заряженных частиц в неоднородном аксиально-симметричном электростатическом поле объясните поведение электрона в процессе его движения.

  1. Исследуйте условия параксиальности электронов на примере линзы-диафрагмы. Для этого при нулевом угле влета электрона несколько раз измените точку влета электрона и выполните расчет траектории его движения. При этом обратите внимание на постоянство фокусного расстояния линзы.

Незначительно измените угол влета электрона (15 град.). Несколько раз измените точку влета электрона в поле линзы и выполните расчет траектории электрона. Полученные результаты занесите в протокол работы. Объясните полученные результаты.

  1. Увеличите оптическую силу линзы. Каким образом можно изменять оптическую силу линзы-диафрагмы?

  1. Задайте параметры электродов линзы-диафрагмы такими, чтобы ее поле было рассеивающим. Выполните расчет поля линзы. Картину поля, распределение потенциала на оси и траекторию электрона занесите в протокол работы. Объясните полученные результаты.


  1. Иммерсионная линза.


у

(5,0) U1 U2

х


15 2 15 х

  1. Задайте геометрические параметры электродов иммерсионной линзы. Задайте потенциалы электродов таким образом, чтобы U1 U2. Выполните расчет поля линзы. С помощью маркера манипулятора “мышь” исследуйте распределение потенциала в поле моделируемой линзы. Если неоднородное поле линзы выходит за пределы электродов линзы, то необходимо увеличить длину электродов. Исходные данные и результаты расчета занесите в протокол практической работы. Картину поля представьте в виде эквипотенциальных линий.

2.2.2. Задайте параметры влета электрона: точка влета ………...….….. -33 мм.

угол влета ….…………………..0 град.

Выполните расчет и выведите на экран монитора результаты расчета. Результаты расчета занесите в протокол работы. Обратить внимание на величину фокусного расстояния линзы, ход траектории электрона до попадания в поле линзы, в поле линзы и в поле анодной диафрагмы. Если фокус линзы находится за пределами электродов линзы, то необходимо увеличить длину последнего электрода (длину системы) таким образом, чтобы траектория электрона пересекла ось симметрии поля. На основе теории движения заряженных частиц в неоднородном аксиально-симметричном электростатическом поле объяснить поведение электрона в процессе его движения.

      1. Исследуйте условия параксиальности электронов на примере иммерсионной линзы. Для этого при нулевом угле влета электрона несколько раз измените точку влета электрона и произведите расчет траектории его движения. При этом обратите внимание на постоянство фокусного расстояния линзы.

Незначительно измените угол влета электрона (15 град.). Несколько раз измените точку влета электрона в поле линзы и выполните расчет траектории электрона. Полученные результаты занесите в протокол работы. Объясните полученные результаты.

2.2.4. При тех же потенциалах (п. 2.2.1.) измените пропорционально (в 1,2 1,5 раза) геометрические размеры электродов линзы. Произведите расчет поля и траектории движения электрона. При этом определите, во сколько раз изменилось фокусное расстояние линзы по сравнению с исходными параметрами линзы. Повторите эксперимент несколько раз. Полученные результаты занесите в протокол работы. Объясните полученные результаты.

      1. При геометрических размерах иммерсионной линзы, соответствующих п. 2.2.1. Программы, измените пропорционально (в 1,52 раза) потенциалы на ее электродах. Произведите расчет поля и траектории движения электрона. Обратите внимание на изменение фокусного расстояния линзы по сравнению с первоначальным значением. Повторите эксперимент несколько раз. Полученные результаты занесите в протокол работы. Объясните полученные результаты.

      2. При геометрических размерах иммерсионной линзы, соответствующих п. 2.2.1. Программы, поменяйте местами потенциалы на электродах линзы. Произведите расчет поля и траектории движения электрона. Результаты расчета занесите в протокол работы. Объясните ход траектории электрона в поле линзы.




  1. Одиночная линза.


y

U1 U2

5

х
10 3 10 x
2.3.1. Задайте геометрические параметры электродов одиночной линзы. Задайте потенциалы электродов таким образом, чтобы U1 U2. Выполните расчет поля линзы. С помощью маркера манипулятора “мышь” исследуйте распределение потенциала в поле моделируемой линзы. Если неоднородное поле линзы выходит за пределы электродов линзы, то необходимо увеличить длину крайних электродов. Исходные данные и результаты расчета занесите в протокол работы. Картину поля представте в виде эквипотенциальных линий.

2.3.2. Задайте параметры влета электрона: точка влета ………...….….. -33 мм.

угол влета ….…………………..0 град.

Выполните расчет и выведите на экран монитора результаты расчета. Результаты расчета занесите в протокол работы. Обратить внимание на величину фокусного расстояния линзы, ход траектории электрона до попадания в поле линзы, в поле линзы и в поле анодной диафрагмы. Если фокус линзы находится за пределами электродов линзы, то необходимо увеличить длину последнего электрода (длину системы) таким образом, чтобы траектория электрона пересекла ось симметрии поля. На основе теории движения заряженных частиц в неоднородном аксиально-симметричном электростатическом поле объяснить поведение электрона в процессе его движения.

      1. Исследуйте условия параксиальности электронов для одиночной линзы. Для этого при нулевом угле влета электрона несколько раз измените точку влета электрона и произведите расчет траектории его движения. При этом обратите внимание на постоянство фокусного расстояния линзы.

Незначительно измените угол влета электрона (15 град.). Несколько раз измените точку влета электрона в поле линзы и выполните расчет траектории электрона. Полученные результаты занесите в протокол работы. Объясните полученные результаты.

2.3.4. При тех же потенциалах (п. 2.2.1.) измените пропорционально (в 1,2 1,5 раза) геометрические размеры электродов линзы. Произведите расчет поля и траектории движения электрона. При этом определите, во сколько раз изменилось фокусное расстояние линзы по сравнению с исходными параметрами линзы. Повторите эксперимент несколько раз. Полученные результаты занесите в протокол работы. Объясните полученные результаты.

      1. При геометрических размерах одиночной линзы, соответствующих п. 2.3.1. Программы, измените пропорционально (в 1,52 раза) потенциалы на ее электродах. Произведите расчет поля и траектории движения электрона. Обратите внимание на изменение фокусного расстояния линзы по сравнению с первоначальным значением. Повторите эксперимент несколько раз. Полученные результаты занесите в протокол работы. Объясните полученные результаты.

      2. При геометрических размерах одиночной линзы, соответствующих п. 2.3.1. Программы, поменяйте местами потенциалы на электродах линзы. Произведите расчет поля и траектории движения электрона. Результаты расчета занесите в протокол работы. Объясните ход траектории электрона в поле линзы.

2.4. Иммерсионный объектив
y

Uмод=-12 В Ua=100 B

6
5
Uk=0

3,1 5,1 x
2.4.1. Задайте геометрические параметры электродов иммерсионного объектива и потенциалы на его электродах в соответствии с рисунком. Выполните расчет поля иммерсионного объектива. С помощью маркера манипулятора “мышь” исследуйте распределение потенциала в поле моделируемой линзы. Если на участке между катодом и модулятором на оси поля потенциал ниже потенциала катода, то все электроны, вышедшие с поверхности катода, попадают в тормозящее поле и возвращаются на катод. Области отрицательных потенциалов представлены желтым цветом. В этом случае следует слегка повысить потенциал модулятора и тем самым создать ускоряющее поле, примыкающее к поверхности катода. Задайте параметры влета электрона (r=1, =0) и выполните расчет траектории электрона. Исходные данные и результаты расчета занесите в протокол работы. Картину поля представьте в виде эквипотенциальных линий.

  1. Изменяя геометрию и потенциалы электродов, добейтесь пересечения траектории с осью х на участке между модулятором и анодом. Полученную геометрию электродов и их потенциалы занесите в протокол.

  2. Исследуйте условия параксиальности электронов для иммерсионного объектива. Для этого при нулевом угле влета электрона несколько раз измените точку влета электрона и произведите расчет траектории его движения.

Измените угол влета электрона (130 град.). Несколько раз измените точку влета электрона в поле линзы и выполните расчет траектории электрона. Полученные результаты занесите в протокол работы. При этом обратите внимание на постоянство фокусного расстояния линзы. Объясните полученные результаты.

  1. Определите способы изменения оптической силы иммерсионного объектива.

Контрольные вопросы


  1. На чем основано использование метода конечно-разностных уравнений при расчете поля электростатической линзы и в чем суть данного метода?

  2. Каким образом можно определить распределение потенциала на оси аксиально-симметричного электростатического поля?

  3. Дайте определение электронной линзы.

  4. Какими свойствами обладают линза-диафрагма, иммерсионный объектив, иммерсионная и одиночная линзы?

  5. В чем суть метода линейных отрезков осевого потенциала?

  6. Какие параметры характеризуют начальные условия влета электрона

в поле моделируемой линзы?

  1. От чего зависит фокусное расстояние иммерсионной линзы?

  2. Почему иммерсионная и одиночная электронные линзы всегда фокусируют пучок параксиальных электронов?


Содержание протокола работы.


  1. Цель и задачи практической работы.

  2. Дать краткое описание используемых методов определения электрических полей и траекторий электронов.

  3. По каждому пункту программы занести в протокол исходные данные и результаты расчета. Представить анализ полученных результатов.

  4. Дайте письменные ответы на контрольные вопросы.

Похожие:

Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconМетодическое пособие для практических занятий по курсу Четвероевангелия
В заданиях есть ссылки на Методическое пособие для практических занятий по курсу Четвероевангелия. I курс. I семестр, II семестр....
Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconПрограмма спецкурса "Электронная микроскопия и микроанализ"
Электронная оптика. Корпускулярные пучки. Электростатические и магнитные линзы, их фокусные расстояния. Главные плоскости и узловые...
Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconМетодические рекомендации для студентов II курса
В него включены: программа курса, тематические планы лекций и практических занятий, материалы для практических занятий, домашних...
Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconРабочая программа Тематика и планы практических занятий Тематика рефератов График текущего и промежуточного контроля
«культурология») и является логическим продолжением курсов по истории культуры XX века (зарубежной и отечественной). Программой предусмотрено...
Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconРабочая программа По курсу «Геометрия и алгебра», для студентов фмф
Общий объем курса 100 часов, из них 50 часов лекций, 50 часов практических занятий, экзамен
Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconМетодические указания по выполнению практических работ по курсу "Экология"
Демографические показатели населения. Методические указания для практических занятий по дисциплине “Экология”
Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconМетодические рекомендации для практических занятий студентов по дисциплине «Демография»
...
Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconПо курсу документационное обеспечение управления
Методические материалы для проведения практических занятий по курсу «Документационное обеспечение управления». – М.: Импэ им. А....
Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconПлан практических занятий по курсу «Архитектура эвм»
Преподаватель: разбор компьютера, демонстрация и пояснения относительно основных блоков
Программа практических занятий по курсу \"Электронная и ионная оптика\" iconТематический план практических занятий
Тематический план практических занятий для студентов 1 курса лечебного и педиатрического факультетов на второй семестр 2009-2010...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org