ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА

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.