Основы науки
Электронная и ионная оптика представляет собой область физики, изучающую поведение потоков электронов и ионов в вакууме под влиянием электрических и магнитных полей. Хотя исторически исследование электронных пучков началось раньше и они применяются значительно шире, что привело к распространению термина «электронная оптика», эта наука охватывает оба типа заряженных частиц. Её ключевые задачи включают фокусировку, отклонение и формирование таких пучков, а также создание с их помощью изображений, которые можно зафиксировать на фотоплёнке или наблюдать на люминесцирующих экранах. Эти изображения принято называть электронно-оптическими и ионно-оптическими. Развитие данной дисциплины тесно связано с прогрессом в электронной технике и приборостроении.
Историческое развитие
Зарождение электронной оптики неразрывно связано с изобретением электронно-лучевой трубки в конце XIX века. Первую осциллографическую трубку создал в 1897 году Карл Фердинанд Браун, использовав для отклонения электронного луча магнитное поле. Несколько позже Джозеф Джон Томсон в своих знаменитых опытах по измерению отношения заряда электрона к его массе применил для отклонения пучка электростатическое поле плоского конденсатора, размещённого внутри трубки. Важный шаг вперёд сделал в 1899 году немецкий физик Иоганн Эмиль Вихерт, который впервые использовал для фокусировки электронного пучка катушку с током.
Однако теоретическое обоснование этих явлений было дано лишь в 1926 году Хансом Бушем. Он математически описал движение заряженных частиц в магнитном поле катушки и доказал, что такое устройство способно формировать чёткие изображения, выступая по сути электронной линзой. Это открытие проложило путь к созданию принципиально новых приборов: электронного микроскопа, электронно-оптического преобразователя и других устройств, где формируются изображения объектов, либо испускающих электроны, либо каким-либо образом модулирующих электронный пучок. Параллельно конструирование специализированных электронно-лучевых трубок для телевидения, радиолокации и систем обработки информации стимулировало развитие методов управления пучками.
Связь с другими областями и теоретические основы
Значительное влияние на развитие электронной и ионной оптики оказала разработка аналитического оборудования, такого как масс-спектрометры и бета-спектрометры, предназначенных для разделения частиц по массе и энергии. При этом в рамках данной науки обычно не рассматриваются специфические процессы, характерные для техники сверхвысоких частот, ускорителей заряженных частиц или некоторых типов электронных ламп, которые образуют отдельные самостоятельные направления.
Для решения большинства практических задач достаточно использовать законы классической механики, так как волновые свойства частиц в этих условиях проявляются слабо. Такой подход получил название геометрической электронной и ионной оптики. Существует глубокая аналогия между ней и геометрической оптикой света: поведение пучков заряженных частиц в электромагнитных полях во многом сходно с поведением световых лучей в неоднородных оптических средах. Эта аналогия основана на более общем математическом сходстве между уравнениями классической механики и оптики, которое в 1834 году установил Уильям Роуэн Гамильтон.
Как и в световой оптике, в электронной оптике вводятся понятия показателя преломления, аберраций (искажений изображения) и используется метод эйконала. Когда приближения геометрической оптики становятся недостаточными, например, при работе с частицами очень высоких энергий, применяются методы квантовой механики.
Осесимметричные системы и аберрации
В электронно-оптических приборах широко используются электрические и магнитные поля, обладающие симметрией вращения вокруг оптической оси. Устройства, создающие такие поля, называются осесимметричными электронными линзами и зеркалами. Электрические поля с осевой симметрией формируются электродами специальной формы: диафрагмами с круглыми отверстиями, цилиндрами, чашечками. Для создания аналогичных магнитных полей применяют электромагниты с полюсами в виде тел вращения или тороидальные катушки.
Осесимметричные линзы и зеркала способны формировать правильные изображения, но только при соблюдении определённых условий: частицы должны двигаться достаточно близко к оптической оси, а их начальные скорости не должны сильно различаться. Если эти условия нарушаются, возникают значительные искажения — аберрации. Важно отметить, что осесимметричные электронные линзы, в отличие от световых, всегда являются собирающими, если и предмет, и изображение находятся вне зоны действия поля. Электростатические линзы могут давать как прямое, так и перевёрнутое изображение, а магнитные дополнительно поворачивают его на некоторый угол.
Свойства поля с симметрией вращения описываются с помощью системы кардинальных точек, аналогичных таковым в световой оптике: фокусов, главных и узловых точек. Построение изображения выполняется по тем же правилам лучевой оптики.
Электростатические осесимметричные поля характеризуются теми же пятью видами геометрических аберраций третьего порядка, что и центрированные оптические системы со сферическими поверхностями: сферической аберрацией, комой, астигматизмом, кривизной поля и дисторсией. В магнитных полях к этому списку добавляются ещё три анизотропные аберрации. Кроме того, существуют хроматические аберрации, вызванные разбросом энергий частиц в пучке. Критически важно, что аберрации в электронно-оптических системах, как правило, значительно больше, чем в сопоставимых светооптических. Поэтому проблема компенсации или уменьшения аберраций является одной из центральных в теории электронной и ионной оптики.
Другие типы линз и отклоняющих систем
Помимо осесимметричных, существуют электронные линзы и зеркала с другими типами симметрии полей. Например, цилиндрические или квадрупольные линзы. Их поля являются «двумерными» и симметричными относительно некоторой средней плоскости. Такие устройства часто формируют не точечные, а линейные изображения и применяются в случаях, когда высококачественная фокусировка требуется только в одном направлении. Для работы с пучками частиц высоких энергий особенно эффективны квадрупольные магнитные и электрические линзы.
Для управления направлением пучков используются отклоняющие системы. Простейшим электрическим отклоняющим элементом служит плоский конденсатор, а в современных электронно-лучевых трубках применяются электроды более сложной формы для снижения требуемых управляющих напряжений. Магнитное отклонение осуществляется с помощью катушек или электромагнитов с током.
Особенно разнообразны формы отклоняющих полей в аналитических приборах (спектрометрах), где они используются не только для изменения траектории, но и для разделения частиц по массе и энергии, одновременно выполняя фокусирующую функцию. Широко применяются электрические поля сферических, цилиндрических и плоских конденсаторов, а также магнитные секторные и однородные поля. Для улучшения фокусировки границы секторных магнитных полей специальным образом искривляют, а также используют неоднородные поля, напряжённость которых изменяется по заданному закону.
Подобные отклоняющие устройства иногда называют электронными призмами. Однако, в отличие от своих световых аналогов, они не только отклоняют, но и фокусируют пучок, из-за чего параллельный пучок на выходе становится расходящимся или сходящимся. Для создания высокоточных аналитических приборов, подобных призменным спектрометрам в оптике, необходимы системы, сохраняющие параллельность пучка. Этого можно достичь, используя так называемые телескопические системы электронных линз. Комбинируя электронную призму с коллиматорной линзой на входе и фокусирующей на выходе, можно создать прибор, сочетающий высокую светосилу с отличной разрешающей способностью.