ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА
наука
о поведении пучков электронов и гонов в вакууме под воздействием электрич.
и магнитных полей. Т. к. изучение электронных пучков началось ранее, чем
ионных, и первые используют гораздо шире, чем вторые, весьма распространён
термин "электронная оптика". Э. и и. о. занимается гл. обр. вопросами формирования,
фокусировки и отклонения пучков зпряж. частиц, а также получения с их помощью
изображений, к-рые можно визуализировать на люминесцирующих экранах или
фотография, плёнках. Такие изображения принято наз. электроннооптич. и
ионнооптич. изображениями. Развитие Э. и и. о. в значит, степени обусловлено
потребностями электронной техники.
Зарождение Э. и и. о. связано с созданием
в кон. 19 в. электроннолучевой трубки (ЭЛТ). В первой осциллография.
ЭЛТ, изготовленной в 1897 К. Ф. Брауном, электронный пучок отклонялся
магнитным полем. Отклонение с помощью электростатич. поля осуществил в
своих опытах по определению отношения заряда электрона к его массе Дж.
Дж. Томсон, пропуская пучок через плоский конденсатор, помещённый
внутри ЭЛТ. В 1899 нем. физик И. Э. Вихерт применил для фокусировки электронного
пучка в ЭЛТ катушку из изолированной проволоки, по к-рой протекал электрич.
ток. Однако лишь в 1926 нем. учёный X. Буш теоретически рассмотрел движение
заряж. частиц в магнитном поле такой катушки и показал, что она пригодна
для получения правильных электроннооптич. изображений и, следовательно,
является электронной линзой (ЭЛ). Последующая разработка электронных
линз (магнитных и электростатических) открыла путь к созданию электронного
микроскопа, электроннооптического преобразователя и ряда др. приборов,
в к-рых формируются правильные электроннооптич. изображения объектов -
либо испускающих электроны, либо тем или иным образом воздействующих на
электронные пучки. Конструирование специализированных ЭЛТ для телевиз.
и радиолокац. аппаратуры, для записи, хранения и воспроизведения информации
и т. п. привело к
дальнейшему развитию разделов Э. и и.
о., связанных с управлением пучками заряж. частиц. Значит, влияние на развитие
Э. и и. о. оказала разработка аппаратуры для анализа потоков электронов
И ионов (бета-спектрометров, массспектрометров и др. аналитич. приборов).
В Э. и и. о., как правило, не рассматриваются вопросы, возникающие в сверхвысоких
частот технике, лишь изредка рассматриваются процессы в электронных
лампах, ускорителях заряженных частиц и др. приборах и устройствах,
специфика к-рых отделяет их от< осн. направлений Э. и и. о.
Для решения большинства задач Э. и и. о.
достаточно рассматривать движение заряж. частиц в рамках классич.
механики,
т.
к. волновая природа частиц (см. Корпускулярно-волновой дуализм)
в
этих задачах практически не проявляется. В таком приближении Э. и и. о.
носит назв. геометрической Э. ии. о., что обусловлено наличием глубокой
аналогии между геом. Э. и и. о. и геометрической оптикой световых
лучей, к-рая выражается в том, что поведение пучков заряж. частиц в электрич.
и магнитных полях во многом подобно поведению пучков лучей света в неоднородных
оптич. средах. Качественно это подобие обнаруживается уже при сравнении
рис. 1 и 2. В основе указанной аналогии лежит более общая аналогия между
классич. механикой и световой геом. оптикой, установленная У. Р. Гамильтоном,
доказавшим
в 1834, что общее уравнение механики (уравнение Гамильтона - Якоби) по
форме подобно оптич. уравнению эйконале. Как и в световой геом. оптике,
в геом. Э. и и. о. вводится понятие преломления показателя,
при
вычислении погрешностей изображения - аберраций, 6. ч. к-рых аналогична
аберрациям
оптических систем,- зачастую используется метод эйконала. Когда приближение
геом. Э. и и. о. недостаточно, напр, при исследовании
разрешающей способности
электронного
микроскопа, привлекаются методы
квантовой механики.
В электроннооптич. устройствах широко применяются
электрич. и магнитные поля, обладающие симметрией вращения относительно
оптич. оси системы. ЭЛ и электронные зеркала с такими полями наз. осесимметричным
и. Электрич. поля с симметрией вращения создаются электродами в виде цилиндров,
чашечек, диафрагм с круглыми отверстиями и т. п. (рис. 3). Для получения
осеснмметричных магнитных полей используют электромагниты (иногда постоянные
магниты) с полюсами в форме тел вращения или тороидальные катушки с намоткой
из изолированной проволоки, по к-рой пропускается электрич. ток (рис. 4).
Осесимметричные линзы и зеркала создают правильные электроннооптич. изображения,
если заряж. частицы движутся достаточно близко к оси симметрии поля, а
их нач. скорости мало отличаются друг от друга. Если эти условия не выполняются,
погрешности изображения становятся весьма значительными. Когда предмет
и изображение лежат за пределами поля, осесимметричные ЭЛ - всегда собирающие.
В электростатич. осесимметричных ЭЛ, как и в светооптич. линзах со сферич.
поверхностями, изображение может быть только прямым или перевёрнутым, в
магнитных ЭЛ - оно дополнительно повёрнуто на нек-рый угол. Электроннооптич.
свойства поля с симметрией вращения определяются положением его кардинальных
точек, аналогичных кардинальным точкам осесимметричных светооптич.
изображающих систем: двух фокусов, двух главных точек и двух узловых точек.
Построение изображения производится по правилам световой геом. оптики.
Электростатич. осесимметричным полям свойственны те же пять видов геом.
аберраций третьего порядка, что и светооптическим центрированным системам
сферич. поверхностей: сферическая аберрация, астигматизм, кривизна поля
изображения,
дисторсия и кома.
В магнитных полях к ним добавляются ещё
три: т. н. анизотропные дисторсия, астигматизм и кома. Кроме того, существуют
три вида хроматич. аберраций (в электростатич. полях - два), обусловленных
нек-рым неизбежным разбросом энергий поступающих в поле частиц. Вообще
говоря, аберрации полей с симметрией вращения в сопоставимых условиях значительно
превышают по величине аберрации светооптич. центрированных систем, т. е.
ЭЛ и электронные зеркала по качеству существенно уступают светооптическим.
Вопрос о компенсации аберраций или их уменьшений является одним из основных
в теоретич. Э. и и. о.
Существуют и др. типы ЭЛ и зеркал, поля
к-рых обладают различными видами симметрии. Они формируют изображения точечных
объектов в виде отрезков линий, однако иногда способны осуществлять и стигматическую
фокусировку (точка в точку). Т. н. цилиндрич. электростатич. и магнитные
линзы и зеркала создают линейные изображения точечных предметов. Поля в
таких ЭЛ "двумерны" (их напряжённости описываются функциями только двух
декартовых координат) и симметричны относительно нек-рой средней плоскости,
вблизи к-рой движутся заряж. частицы. В ряде аналитич. электровакуумных
приборов высококачеств. фокусировка необходима только в одном направлении.
В этих случаях целесообразно применять т. н. трансаксиальные электростатич.
ЭЛ или трансаксиальные электронные зеркала, аберрации к-рых в средней плоскости
очень малы (сравнимы с аберрациями светооптич. линз). Для воздействия на
пучки заряж. частиц с большими энергиями используют квадрупольные ЭЛ (электрич.
и магнитные). Для отклонения пучков заряж. частиц используют электроннооптич.
устройства с электрич. или магнитными полями, направленными поперёк пучка.
Простейшим электрич. отклоняющим элементом является плоский конденсатор
(рис. 5). В ЭЛТ с целью уменьшения отклоняющего напряжения применяют системы
с электродами более сложной формы. Магнитные поля, предназначенные для
отклонения пучков, создаются электромагнитами (рис. 6) или проводниками,
по к-рым течёт ток.
Очень разнообразны формы отклоняющих электрич.
и магнитных полей, применяемых в аналитич. приборах, в к-рых используется
свойство этих полей разделять (разрешать) заряж. частицы по энергии и массе.
Широко используется также их свойство фокусировать пучки.
Электрич. поля обычно формируются различными
конденсаторами: плоским, цилиндрич. (рис. 7), сферическим (рис. 8). Из
магнитных полей часто применяются однородное поле (рис. 9) и секторное
поле (рис. 10). Для улучшения качества фокусировки искривляют границы секторных
магнитных полей, а также применяют неоднородные магнитные поля, напряжённость
к-рых меняется по определ. закону.
Перечисленные отклоняющие электрич. и магнитные
устройства, иногда наз. электронными (ионными) призмами, отличаются от
светооптич. призм тем, что они не только отклоняют, но и фокусируют пучки
заряж. частиц. Фокусировка приводит к тому, что попадающие в поля таких
устройств параллельные пучки после отклонения перестают быть параллельными.
Между тем для создания высококачеств. аналитич. электронных и ионных приборов
по точной аналогии со светооптич. призменным спектрометром необходимы электронные
(ионные) призмы, к-рые подобно световым призмам сохраняют параллельность
пучков. В качестве таких электронных призм
применяют телескопич.
системы электронных линз. Добавив к электронной призме две ЭЛ, одну т.
н. коллиматорную на входе, другую - фокусирующую на выходе, можно получить
аналитич. прибор, в котором сочетаются высокая разрешающая способность
и большая электроннооптич. светосила.
Лит.: Арцимович Л. А., Лукьянов
С. Ю., Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях, М.,
1972; Бонштедт Б. Э., Маркович М. Г., Фокусировка и отклонение пучков в
электроннолучевых приборах, М., 1967; Брюхе Е., Шерцер О., Геометрическая
электронная оптика, пер. с нем., Л., 1943; Г л а з е р В., Основы электронной
оптики, пер. с нем., М., 1957; Гринберг Г. А., Избранные вопросы математической
теории электрических и магнитных явлений, М.- Л., 1948; Зинченко Н. С.,
Курс лекций по электронной оптике, 2 изд., Хар., 1961; Ке л ь м а н В.М.,
Я в о р С. Я., Электронная оптика, 3 изд., Л., 1968; Страшкевич А. М.,
Электронная оптика электростатических систем, М.- Л., 1966; Явор С. Я.,
Фокусировка заряженных частиц квадрупольными линзами, М., 1968. В. М.
Келъман, И. В. Родникова.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я