Plasma phóng điện khí - Điều khiển chùm electron trong điện trường và từ trường

HƯỚNG DẪN : PGS.TS LÊ VĂN HIẾU
THỰC HIỆN: HV VÕ KIÊN TRUNG
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
1
ĐIỀU KHIỂN CHÙM E TRONG
ĐIỆN , TỪ TRƯỜNG
Địa chỉ bạn đã tải:
/>Địa chỉ bạn đã tải:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
I.CƠ CHẾ :
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
4
1- SỰ TƯƠNG TỰ QUANG –CƠ :

QUANG CƠ
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

5

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)
Từ nguyên lí Fermat rút ra 3 điều kiện cơ bản trong quang
học:
- Đònh luật truyền thẳng: Trong môi trường đồng nhất và
đẳng hướng ( chiết suất đồng đều), ánh sáng truyền theo
đường thẳng.
- Đònh luật phản xạ: Khi tia sáng phản xạ trên mặt phân
cách giữa hai môi trường thì góc phản xạ bằng góc tới.
- Đònh luật khúc xạ: Khi tia sáng đi từ môi trường có chiết
suất n
1
sang môi trường có chiết suất n
2

, nó bò khúc xạ ở
mặt phân cách hai môi trường. Tỉ số giữa góc tới và góc
phản xạ thoả mãn điều kiện:
α’ = α (2)
ox
v
→
ox
v
→
Sin
Sin
α
β
2
1
n
n
=
(3)
n
1
n
2
>n
1
α
α
’
v

→
ox
v
→
Hiện tượng truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ
15.08.15
6
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Theo nguyên lí tác dụng tối thiểu trong c h c , một hạt ơ ọ
chuyển động từ điểm A đến điểm B trong trường thế theo
một quỹ đạo xác đònh cũng tuân theo nguyên lí tác dụng
tối thiểu:
W
đ
= :động năng của hạt.
V: vận tốc của hạt.
Giả sử electron chuyển động vào vùng có điện thế U từ
điểm ban đầu Uo=0 với vận tốc ban đầu v
0
=0.
Theo đònh luật bảo toàn năng lượng ta có:
2
2
mv
B
d
A
W dt
δ
 

 ÷
 
∫
=
2
2
B
A
mv
dt
δ
 
 ÷
 
∫
= 0
(4)
2
2
mv
=
eU
⇒
ν =
2eU
m
(5)
15.08.15
7
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

2
2
B
A
mv
dt
δ
 
 ÷
 
∫
2
2
B
A
mv ds
v
δ
 
 ÷
 
∫
2
B
A
mv
ds
δ
 
 ÷

 
∫
= =
2
m
B
A
vds
δ
 
 ÷
 
∫
= 0
Phöông trình (4) trôû thaønh:
Do = conts
Neân
Thay (5) vaøo (6)
(4) ⇔
Do
Neân
2
B
A
eU
ds
m
δ
 
 ÷

 ÷
 
∫
= 0
2e
m
= Const
B
A
U ds
δ
 
 ÷
 
∫
= 0
(6)
(7)
15.08.15
8
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Ta thấy hai biểu thức (1) và (7) hoàn toàn tương tự nhau.
⇒ Có thể xem quỹ đạo của hạt tích điện trong trường tónh
điện giống như đường đi của tia sáng trong một môi
trường xác đònh.
Ở đây, đóng vai trò tương tự chiết suất n hay nói cách
khác sự thay đổi của đối với sự chuyển động của hạt
điện trong trường tónh cũng tương tự sự thay đổi của chiết
suất trong môi trường truyền sáng. Sự tương tự này được
gọi là sự tương tự quang cơ, cho phép ta xây dựng các

đònh luật lan truyền của các hạt điện.
U
U
15.08.15
9
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Các đònh luật đó có thể coi là các đònh
luật quang học của chùm các hạt điện:
15.08.15
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
10

- Đònh luật truyền thẳng: Trong vùng có điện thế không
đổi ( U= Conts), hạt tích điện chuyển động thẳng.

- Đònh luật phản xạ: Nếu chùm hạt tích điện phản xạ trên
bề mặt đẳng thế thì góc tới và góc phản xạ bằng nhau.
Ta đi tìm điều kiện phản xạ của chùm điện tử:
Hướng chùm điện tử có vận tốc ban đầu v
0
và bề mặt kim
loại ( một Colector) có điện thế U
C
.
Điều kiện để điện tử rơi lên Colector khi Colector tích
điện âm U
C
< 0:
α
α

’
ox
v
→
o
v
→
Hiện tượng phản xạ điện tư’
⇔
2
2
ox
C
mv
eU
≥
2
2
2
o
C
mv
Cos eU
α
≥
(8)
15.08.15
11
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Theo công thức (5) ta có:

Từ (8) và (9) suy ra:
là điều kiện để chùm điện tử rơi lên Colector.

⇒ Điều kiện để chùm tia phản xạ trở lại:
2
2
o
mv
=
o
eU
= =
⇒
2
2
2
o
mv
Cos
α
2
o
eU Cos
α
( )
2
1
o
eU Sin
α

−
(9)
( )
2
1
o C
eU Sin e U
α
− ≥
1
C
o
U
Sin
U
α
⇒ ≤ −
1
C
o
U
Sin
U
α
≥ −
15.08.15
12
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
- Đònh luật khúc xạ: Khi hạt điện chuyển động từ vùng có
điện thế U1 sang vùng có điện thế U2, hướng chuyển

động và độ lớn vận tốc sẽ thay đổi và được xác đònh bằng
đònh luật khúc xạ:
Hiện tượng khúc xạ chùm hạt điện
Sự khúc xạ của chùm hạt điện là do tác dụng của lực điện
trường tồn tại ở một lớp mỏng phân cách giữa hai vùng có
điện thế khác nhau.
=
Sin
Sin
α
β
2
1
U
U
α
β
U
1
= Const
U
2
= Const > U
1
1y
v
→
1
v
→

1x
v
→
2
v
→
2x
v
→
2 y
v
→
E
→
15.08.15
13
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Thành phần vận tốc v
y
vuông góc với mặt phân cách thay
đổi (sẽ tăng lên nếu U
2
> U
1
), thành phần vận tốc song
song với mặt phân cách không đổi:
v
1x
= v
2x

hay v
1
Sinα = v
2
Sinβ
mặt khác, theo công thức (3):

Phương trình (10)
⇔
1
2eU
m
1
v
=
2
v
=
2
2eU
m
(10)
Sin
Sin
α
β
= =
2
1
U

U
(11)
15.08.15
14
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
1
2
v
v
So sánh 2 phương trình (3) và (11) ta thấy:
đóng vai trò là chiết suất trong quang hình học, do đó
được gọi là chiết suất quang điện tử.
Khi U
1
< U
2
–trường tăng tốc, thì góc khúc xạ nhỏ hơn
góc tới, trường có tác dụng hội tụ.
Khi U
1
> U
2
–trường cản, thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới,
trường có tác dụng phân kì.
U
U
15.08.15 15
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG
DỤNG
∗ Những điểm khác nhau trong sự lan truyền của tia sáng

và chuyển động của hạt mang điện:
- Năng lượng của electron chuyển động trong điện trường
liên tục thay đổi nhưng năng lượng của photon của tia
sáng truyền qua một môi trường trong suốt là không đổi
( theo đònh luật W =hv).
- Đường đi của tia sáng trong quang học thường là một
đường gãy khúc bao gồm nhiều đoạn thẳng, còn quỹ đạo
của electron là một đường cong.
α
β
Đường đi của tia sáng trong quang học
15.08.15
16
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
- Trong quang hình học, hình dáng của bề mặt khúc xạ và
chiết suất không quan hệ với nhau. Trong quang điện tử,
chiết suất quang điện tử và hình dạng của mặt đẳng thế
có quan hệ với nhau.
- Giá trò của chiết suất quang điện tử có thể thay đổi trong
một khoảng rộng. Trong quang hình học, chiết suất của một
môi trường cho trước là không đổi, và các giá trò n chỉ có
thể thay đổi trong một khoảng nhỏ (xấp xỉ từ 1 tới 3).
U
15.08.15
17
BỢ MƠN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
18


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:
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
19

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 :
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
20

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
q
L
F
→
=
v
→
B
→
⊗
2. QUỸ ĐẠO CỦA ELECTRON TRONG
TỪ TRƯỜNG, ĐIỆN TRƯỜNG
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
21

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:
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

22
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
23

Phương trình chuyển động của electron trong điện
trường không đều đối xứng trục: U(r)=U(-r) trong hệ
tọa độ trụ :
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
24

Theo định luật bảo toàn năng lượng và biến đổi toán
học, ta thu được phương trình sau:
15.08.15
BỘ MÔN VẬT LÝ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
25

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.