Lente electrostática

Una lente electrostática es un dispositivo que facilita el transporte de partículas cargadas. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Las lentes electrostáticas pueden enfocar, acelerar o desacelerar partículas cargadas mediante la creación de un campo eléctrico que ejerce una fuerza sobre ellas. Por ejemplo, se utilizan ampliamente en la extracción y aceleración de haces de electrones o iones. ^{[ 4 ]} Los sistemas de lentes electrostáticas se pueden diseñar de la misma manera que las lentes ópticas, por lo que las lentes electrostáticas magnifican o convergen fácilmente las trayectorias de las partículas cargadas. Dado que las propiedades de enfoque son independientes de la relación carga-masa de las partículas a velocidades no relativistas, esto significa que el mismo sistema se puede utilizar con diferentes iones. ^{[ 5 ]}

Una lente cilíndrica consta de varios cilindros con paredes delgadas. Cada cilindro se alinea paralelamente al eje óptico por donde entran los electrones. Entre los cilindros hay pequeños espacios. Cuando cada cilindro tiene un voltaje diferente, el espacio entre ellos actúa como una lente. La magnificación se puede modificar eligiendo diferentes combinaciones de voltaje. Si bien la magnificación de dos lentes cilíndricas puede cambiar, el punto focal también se modifica. Tres lentes cilíndricas permiten cambiar la magnificación manteniendo fijas las posiciones del objeto y la imagen, ya que dos de los espacios actúan como lentes. Aunque los voltajes deben variar según la energía cinética de los electrones , la relación de voltajes se mantiene constante cuando no se modifican los parámetros ópticos.

Mientras una partícula cargada se encuentra en un campo eléctrico, actúa una fuerza sobre ella. Cuanto más rápida es la partícula, menor es el impulso acumulado. Para un haz colimado, la distancia focal se obtiene dividiendo el impulso inicial entre el impulso acumulado (perpendicular) que atraviesa la lente. Esto hace que la distancia focal de una lente simple sea una función de segundo orden de la velocidad de la partícula cargada. Las lentes simples, como las que se conocen en fotónica, no son fácilmente accesibles para los electrones.

La lente cilíndrica consta de una lente de desenfoque, una lente de enfoque y una segunda lente de desenfoque, cuyas potencias refractivas totales son cero. Sin embargo, debido a la distancia entre las lentes, el electrón realiza tres giros e incide sobre la lente de enfoque en una posición más alejada del eje, atravesando así un campo de mayor intensidad. Esta indirecta provoca que la potencia refractiva resultante sea el cuadrado de la potencia refractiva de una sola lente.

Una lente Einzel es una lente electrostática que puede enfocar sin cambiar la energía del haz. Consta de tres o más conjuntos de tubos cilíndricos o rectangulares en serie a lo largo de un eje. ^{[ 6 ]}

La lente cuadrupolar consta de dos cuadrupolos simples girados 90° uno respecto al otro. Si z es el eje óptico, se puede deducir por separado para los ejes x e y que la potencia refractiva es nuevamente el cuadrado de la potencia refractiva de una lente simple. ^{[ 7 ]}

Un cuadrupolo magnético funciona de forma muy similar a un cuadrupolo eléctrico; sin embargo, la fuerza de Lorentz aumenta con la velocidad de la partícula cargada. Inspirándose en un filtro de Wien , un cuadrupolo magnético-eléctrico combinado es acromático alrededor de una velocidad dada. Bohr y Pauli afirman que esta lente produce aberración cuando se aplica a iones con espín (en el sentido de aberración cromática), pero no cuando se aplica a electrones, que también tienen espín. Véase el experimento de Stern-Gerlach .

Los multipolos más allá del cuadrupolo pueden corregir la aberración esférica y, en los aceleradores de partículas, los imanes de deflexión dipolar están compuestos en realidad por un gran número de elementos con diferentes superposiciones de multipolos.

Generalmente, la dependencia se da para la energía cinética misma en función de la potencia de la velocidad. Así, para una lente electrostática, la distancia focal varía con el cuadrado de la energía cinética, mientras que para una lente magnetostática, la distancia focal varía proporcionalmente a la energía cinética. Además, un cuadrupolo combinado puede ser acromático alrededor de una energía determinada.

Si una distribución de partículas con diferentes energías cinéticas se acelera mediante un campo eléctrico longitudinal, la dispersión de energía relativa se reduce, lo que conlleva un menor error cromático. Un ejemplo de esto se observa en el microscopio electrónico .

• Embudo de iones : dispositivo utilizado para enfocar un haz de iones. 
• Lente magnética – Lente para partículas cargadas 
• SIMION

• E. Harting, FH Read, Lentes electrostáticas, Elsevier, Ámsterdam, 1976.