Электронная и ионная оптика — наука о поведении пучков ионов и электронов в вакууме под действием магнитных и электрических полей. Так как изучение электронных пучков началось несколько раньше, нежели ионных, и первые применяют значительно шире, чем вторые, весьма распространен термин «электронная оптика». Электронная и ионная оптика занимается главным образом вопросами отклонения, фокусировки и формирования пучков заряженных частиц, а также образования с их помощью изображений, которые можно визуально отобразить на фотографических пленках или люминесцирующих экранах. Такие изображения чаще всего называют ионно-оптическими и электронно-оптическими изображениями. Развитие электронной и ионной оптики в значительной степени определено потребностями электронной техники.
Зарождение электронной и ионной оптики связано с изобретением в конце XIX в. электронно-лучевой трубки. В первой осциллографической электронно-лучевой трубке, произведенной в 1897 г. К. Ф. Брауном, электронный пучок отклонялся с помощью магнитного поля. Отклонение с помощью электростатического поля реализовал Дж. Дж. Томсон в своих опытах по определению отношения заряда электрона к его массе, пропуская пучок через плоский конденсатор, размещенный внутри электронно-лучевой трубки. В 1899 г. немецкий физик И. Э. Вихерт использовал для фокусировки электронного пучка в электронно-лучевой трубке катушку из изолированной проволоки, по которой тек электрический ток.
Однако только в 1926 г. немецкий ученый X. Буш теоретически рассмотрел движение заряженных частиц в магнитном поле подобной катушки и доказал, что она может использоваться для получения правильных электронно-оптических изображений, вследствие чего является электронной линзой. Последующая разработка электронных линз (электростатических и магнитных) открыла путь к изобретению электронного микроскопа, электронно-оптического преобразователя и ряда других приборов, в которых образуются правильные электронно-оптические изображения объектов, либо излучающих электроны, либо тем или другим способом воздействующих на электронные пучки. Конструирование специализированных электронно-лучевых трубок для радиолокационной и телевизионной аппаратуры, для воспроизведения, хранения и записи информации и т. п. привело к последующему развитию разделов электронной и ионной оптики, связанных с управлением пучками заряженных частиц.
Сильное влияние на развитие электронной и ионной оптики оказала разработка аппаратуры для анализа потоков ионов и электронов (масс-спектрометров, бета-спектрометров и других аналитических приборов). В электронной и ионной оптике, как правило, не рассматриваются вопросы, которые возникают в технике сверхвысоких частот, только иногда рассматриваются процессы в электронных лампах, ускорителях заряженных частиц и других устройствах и приборах, специфика которых отделяет их от главных направлений электронной и ионной оптики.
Для решения большинства задач электронной и ионной оптики достаточно рассматривать движение заряженных частиц, не выходя за рамки классической механики, так как волновая природа частиц в данных задачах почти не проявляется. В таком приближении электронная и ионная оптика носит название геометрической электронной и ионной оптики, что объясняется наличием глубокой аналогии между геометрической электронной и ионной оптикой и геометрической оптикой световых лучей, которая заключается в том, что поведение пучков заряженных частиц в магнитных и электрических полях во многом сходно с поведением пучков лучей света в неоднородных оптических средах. В основе приведенной аналогии лежит более общая аналогия между световой геометрической оптикой и классической механикой, установленная У. Р. Гамильтоном, который в 1834 г. доказал, что общее уравнение механики подобно по форме оптическому уравнению эйконала.
Как и в световой геометрической оптике, в геометрической электронной и ионной оптике вводится понятие преломления показателя, при установлении погрешностей изображения — аберраций, значительная часть которых подобна аберрациям оптических систем, — зачастую применяется метод эйконала. Когда приближение геометрической электронной и ионной оптики недостаточно, используются методы квантовой механики.
В электронно-оптических устройствах широко используются магнитные и электрические поля, имеющие симметрию вращения относительно оптической оси системы. Электронные линзы и электронные зеркала с подобными полями называются осесимметричными. Электрические поля с симметрией вращения образуются электродами в виде диафрагм с круглыми отверстиями, чашечек, цилиндров и т. п. Для получения осесимметричных магнитных полей применяют электромагниты (редко постоянные магниты) с полюсами, имеющими форму тел вращения или тороидальных катушек с намоткой из изолированной проволоки, по которой протекает электрический ток.
Осесимметричные зеркала и линзы образуют правильные электронно-оптические изображения, если заряженные частицы движутся довольно близко к оси симметрии поля, а их начальные скорости незначительно отличаются друг от друга. Если данные условия не выполняются, погрешности изображения становятся довольно значительными. Когда изображение и предмет находятся за пределами поля, осесимметричные электронные линзы всегда являются собирающими. В электростатических осесимметричных электронных линзах, как и в светооптических линзах, имеющих сферические поверхности, изображение может быть только перевернутым или прямым, в магнитных электронных линзах оно еще дополнительно повернуто на некоторый угол. Электронно-оптические свойства поля с симметрией вращения обусловливаются положением его основных точек, подобных основным точкам светооптических осесимметричных изображающих систем: двух узловых точек, двух главных точек и двух фокусов.
Построение изображения осуществляется по правилам световой геометрической оптики. Электростатическим осесимметричным полям присущи те же пять видов геометрических аберраций третьего порядка, что и центрированным светооптическим системам сферических поверхностей: кривизна поля изображения, сферическая аберрация, астигматизм, дисторсия и кома. В магнитных полях к этим пяти добавляются еще три: анизотропные дисторсия, кома и астигматизм. Помимо этого существуют три вида хроматических аберраций, определенных некоторым неизбежным разбросом энергий, которые поступают в поле частиц. Аберрации полей с симметрией вращения в сравнимых условиях сильно превышают по величине аберрации светооптических центрированных систем, т. е. электронные зеркала и электронные линзы по качеству значительно уступают светооптическим. Вопрос о компенсации аберраций или их снижения является одним из главных в теории электронной и ионной оптики.
Существуют и другие типы электронных зеркал и электронных линз, поля которых имеют различные виды симметрии. Они образуют изображения точечных объектов в виде отрезков, однако иногда могут осуществлять и стигматическую фокусировку. Так называемые магнитные, электростатические и цилиндрические зеркала и линзы создают линейные изображения точечных предметов. Поля в подобных электронных линзах «двумерны» и симметричны относительно некоторой средней плоскости, около которой движутся заряженные частицы. В ряде аналитических электровакуумных устройств высококачественная фокусировка нужна только в одном направлении.
В подобных случаях целесообразно использовать так называемые трансаксиальные электростатические электронные линзы или трансаксиальные электронные зеркала, аберрации которых в средней плоскости весьма малы. Для воздействия на пучки заряженных частиц с большими энергиями применяют квадрупольные электронные линзы (магнитные и электрические). Для отклонения пучков заряженных частиц применяют электроннооптические устройства с магнитными или электрическими полями, направленными поперек пучка. Элементарным электрическим отклоняющим элементом является плоский конденсатор. В электроннолучевой трубке с целью уменьшения отклоняющего напряжения используют системы с электродами более сложной формы. Магнитные поля, которые предназначены для отклонения пучков, образуются проводниками или электромагнитами, по которым протекает ток.
Весьма разнообразны формы отклоняющих магнитных и электрических полей, используемых в аналитических приборах, в которых применяется свойство этих полей разделять заряженные частицы по массе и энергии. Широко применяется также их свойство фокусировать пучки. Электрические поля, как правило, формируются различными конденсаторами: сферическим, цилиндрическим, плоским. Из магнитных полей часто используются секторное поле и однородное поле. Для улучшения качества фокусировки искривляют границы секторных магнитных полей, а также используют неоднородные магнитные поля, напряженность которых изменяется по определенному закону.
Перечисленные отклоняющие магнитные и электрические устройства, иногда называются электронными призмами, которые отличаются от светооптических призм тем, что они могут не только отклонять, но и фокусировать пучки заряженных частиц. Фокусировка является причиной попадания в поля подобных устройств параллельных пучков, и после отклонения они перестают быть параллельными. Между тем для изготовления высококачественных аналитических ионных и электронных приборов по точному подобию со светооптическим призменным спектрометром нужны электронные призмы, которые аналогично световым призмам сохраняют параллельность пучков. В качестве подобных электронных призм используют телескопические системы электронных линз. Добавив к электронной призме две электронные линзы, одну коллиматорную на входе, другую фокусирующую на выходе, можно образовать аналитический прибор, в котором сочетаются большая электронно-оптическая светосила и высокая разрешающая способность.