Электронная и ионная оптика

Электро́нная и ио́нная о́птика

Наука о поведении пучков электронов и ионов в вакууме под воздействием электрических 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 главным образом вопросами формирования, фокусировки и отклонения пучков заряженных частиц, а также получения с их помощью изображений, которые можно визуализировать на люминесцирующих экранах или фотографических плёнках. Такие изображения принято называть электроннооптическими и ионнооптическими изображениями. Развитие Э. и и. о. в значительной степени обусловлено потребностями электронной техники.

Зарождение Э. и и. о. связано с созданием в конце 19 в. электроннолучевой трубки (См. Электроннолучевая трубка) (ЭЛТ). В первой осциллографической ЭЛТ, изготовленной в 1897 К. Ф. Брауном, электронный пучок отклонялся магнитным полем. Отклонение с помощью электростатического поля осуществил в своих опытах по определению отношения заряда электрона к его массе Дж. Дж. Томсон, пропуская пучок через плоский конденсатор, помещенный внутри ЭЛТ. В 1899 немецкий физик И. Э. Вихерт применил для фокусировки электронного пучка в ЭЛТ катушку из изолированной проволоки, по которой протекал электрический ток. Однако лишь в 1926 немецкий учёный Х. Буш теоретически рассмотрел движение заряженных частиц в магнитном поле такой катушки и показал, что она пригодна для получения правильных электроннооптических изображений и, следовательно, является электронной линзой (ЭЛ). Последующая разработка электронных линз (См. Электронные линзы) (магнитных и электростатических) открыла путь к созданию электронного микроскопа (См. Электронный микроскоп), электроннооптического преобразователя (См. Электроннооптический преобразователь) и ряда др. приборов, в которых формируются правильные электроннооптические изображения объектов — либо испускающих электроны, либо тем или иным образом воздействующих на электронные пучки. Конструирование специализированных ЭЛТ для телевизионной и радиолокационной аппаратуры, для записи, хранения и воспроизведения информации и т. п. привело к дальнейшему развитию разделов Э. и и. о., связанных с управлением пучками заряженных частиц. Значительное влияние на развитие Э. и и. о. оказала разработка аппаратуры для анализа потоков электронов и ионов (Бета-спектрометров, масс-спектрометров (См. Масс-спектрометры) и других аналитических приборов). В Э. и и. о., как правило, не рассматриваются вопросы, возникающие в сверхвысоких частот технике (См. Сверхвысоких частот техника), лишь изредка рассматриваются процессы в электронных лампах (См. Электронная лампа), ускорителях заряженных частиц (См. Ускорители заряженных частиц) и других приборах и устройствах, специфика которых отделяет их от основных направлений Э. и и. о.

Для решения большинства задач Э. и и. о. достаточно рассматривать движение заряженных частиц в рамках классической механики (См. Механика), т. к. волновая природа частиц (см. Корпускулярно-волновой дуализм) в этих задачах практически не проявляется. В таком приближении Э. и и. о. носит название геометрической Э. и и. о., что обусловлено наличием глубокой аналогии между геометрической Э. и и. о. и геометрической оптикой (См. Геометрическая оптика) световых лучей, которая выражается в том, что поведение пучков заряженных частиц в электрических и магнитных полях во многом подобно поведению пучков лучей света в неоднородных оптических средах. В основе указанной аналогии лежит более общая аналогия между классической механикой и световой геометрической оптикой, установленная У. Р. Гамильтоном, доказавшим в 1834, что общее уравнение механики (уравнение Гамильтона — Якоби) по форме подобно оптическому уравнению эйконала. Как и в световой геометрической оптике, в геометрической Э. и и. о. вводится понятие преломления показателя (См. Преломления показатель), при вычислении погрешностей изображения — аберраций, большая часть которых аналогична аберрациям оптических систем (См. Аберрации оптических систем), — зачастую используется метод эйконала. Когда приближение геометрической Э. и и. о. недостаточно, например при исследовании разрешающей способности (См. Разрешающая способность) электронного микроскопа, привлекаются методы квантовой механики (См. Квантовая механика).

В электроннооптических устройствах широко применяются электрические и магнитные поля, обладающие симметрией вращения относительно оптической оси системы. ЭЛ и электронные зеркала с такими полями называются осесимметричными. Электрические поля с симметрией вращения создаются электродами в виде цилиндров, чашечек, диафрагм с круглыми отверстиями и т. п. (рис. 2). Для получения осесимметричных магнитных полей используют электромагниты (иногда постоянные магниты) с полюсами в форме тел вращения или тороидальные катушки с намоткой из изолированной проволоки, по которой пропускается электрический ток (рис. 3). Осесимметричные линзы и зеркала создают правильные электроннооптические изображения, если заряженные частицы движутся достаточно близко к оси симметрии поля, а их начальные 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 электростатических осесимметричных ЭЛ, как и в светооптических линзах со сферическими поверхностями, изображение может быть только прямым или перевёрнутым, в магнитных ЭЛ — оно дополнительно повёрнуто на некоторый угол. Электроннооптические свойства поля с симметрией вращения определяются положением его кардинальных точек, аналогичных кардинальным точкам (См. Кардинальные точки) осесимметричных светооптических изображающих систем: двух фокусов, двух главных точек и двух узловых точек. Построение изображения производится по правилам световой геометрической оптики. Электростатическим осесимметричным полям свойственны те же пять видов геометрических аберраций третьего порядка, что и светооптическим центрированным системам сферических 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 хроматических аберраций (в электростатических полях — два), обусловленных некоторым неизбежным разбросом энергий поступающих в поле частиц. Вообще говоря, аберрации полей с симметрией вращения в сопоставимых условиях значительно превышают по величине аберрации светооптических центрированных систем, т. е. ЭЛ и электронные зеркала по качеству существенно уступают светооптическим. Вопрос о компенсации аберраций или их уменьшении является одним из основных в теоретических Э. и и. о.

Существуют и другие типы ЭЛ и зеркал, поля которых обладают различными видами симметрии. Они формируют изображения точечных объектов в виде отрезков линий, однако иногда способны осуществлять и стигматическую фокусировку (точка в точку). Так называемые цилиндрические электростатические 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 некоторой средней плоскости, вблизи которой движутся заряженные частицы. В ряде аналитических электровакуумных приборов высококачественная фокусировка необходима только в одном направлении. В этих случаях целесообразно применять так называемые трансаксиальные электростатические ЭЛ или трансаксиальные электронные зеркала, аберрации которых в средней плоскости очень малы (сравнимы с аберрациями светооптических линз). Для воздействия на пучки заряженных частиц с большими энергиями используют квадрупольные ЭЛ (электрические и магнитные). Для отклонения пучков заряженных частиц используют электроннооптические устройства с электрическими или магнитными полями, направленными поперёк пучка. Простейшим электрическим отклоняющим элементом является плоский конденсатор (рис. 4). В ЭЛТ с целью уменьшения отклоняющего напряжения применяют системы с электродами более сложной формы. Магнитные поля, предназначенные для отклонения пучков, создаются электромагнитами (рис. 5) или проводниками, по которым течёт ток.

Очень разнообразны формы отклоняющих электрических и магнитных полей, применяемых в аналитических приборах, в которых используется свойство этих полей разделять (разрешать) заряженные частицы по энергии и массе. Широко используется также их свойство фокусировать пучки.

Электрические поля обычно формируются различными конденсаторами: плоским, цилиндрическим (рис. 6), сферическим (рис. 7). Из магнитных полей часто применяются однородное поле (рис. 8) и секторное поле (рис. 9). Для улучшения качества фокусировки искривляют границы секторных магнитных полей, а также применяют неоднородные магнитные поля, напряжённость которых меняется по определенному закону.

Перечисленные отклоняющие электрические и магнитные устройства, иногда называются электронными (ионными) призмами, отличаются от светооптических призм тем, что они не только отклоняют, но и фокусируют пучки заряженных частиц. Фокусировка приводит к тому, что попадающие в поля таких устройств параллельные пучки после отклонения перестают быть параллельными. Между тем для создания высококачественных аналитических электронных и ионных приборов по точной аналогии со светооптическим призменным спектрометром необходимы электронные (ионные) призмы, которые подобно световым призмам сохраняют параллельность пучков. В качестве таких электронных призм (См. Электронные призмы) применяют телескопические системы электронных линз. Добавив к электронной призме две ЭЛ, одну так называемую коллиматорную на входе, другую — фокусирующую на выходе, можно получить аналитический прибор, в котором сочетаются высокая разрешающая способность и большая электроннооптическая 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; Глазер 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; Кельман В. М., Явор 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. Кельман, И. В. Родникова.

Рис. 1. Отклонение электронного пучка в однородном поле плоского конденсатора: 1 — пластины конденсатора; 2 — электронный прожектор, испускающий электронный пучок. Силовые линии поля изображены пунктирными линиями, сечения эквипотенциальных поверхностей плоскостью рисунка — сплошными линиями. Потенциал поля V возрастает при перемещении сверху вниз.

Рис. 2. Электроннооптическая система с симметрией вращения, предназначенная для формирования электронного пучка (электронный прожектор): 1 — подогревной катод; 2 — фокусирующий электрод; 3 — первый анод; 4 — второй анод; 5 — сечения эквипотенциальных поверхностей электростатического поля плоскостью рисунка. Штриховой линией обозначены контуры пучка. У электродов указаны их потенциалы по отношению к катоду, потенциал которого принят равным нулю. Электроды 1, 2, 3 образуют катодную электронную линзу, электроды 3 и 4 — иммерсионную.

Рис. 3. Магнитная линза в виде тороидальной катушки: а — вид сбоку; б — вид спереди; 1 — катушка; 2 — силовые линии магнитного поля; 3 — электронная траектория. Штриховой линией обозначены контуры электронного пучка, выходящего из точки А (предмет) и фокусируемого в точке В (изображение).

Рис. 4. Отклонение пучка положительно заряженных частиц в поле плоского электростатического конденсатора. Стрелки показывают направление электрического поля внутри конденсатора.

Рис. 5. Отклонение пучка положительно заряженных частиц поперечным магнитным полем. N и S — магнитные полюса. Стрелки показывают направление магнитного поля в межполюсном зазоре.

Рис. 6. Отклонение и фокусировка пучка заряженных частиц секторным цилиндрическим конденсатором: 1 — электроды конденсатора; 2 — выходная щель источника заряженных частиц; 3 — входная щель приемника заряженных частиц; 4 — диафрагмы, ограничивающие пучок. Электроды имеют форму частей круглых цилиндров. Щель источника играет роль предмета. Выходящий из неё расходящийся пучок частиц с определённой энергией фокусируется, образуя перпендикулярное к плоскости рисунка линейное изображение щели источника, с которым совмещается щель приемника.

Рис. 7. Сферический конденсатор: 1 — электроды конденсатора; 2 — точечный предмет; 3 — изображение предмета; 4 — кольцевые диафрагмы, ограничивающие пучок. Электроды имеют форму частей двух концентрических сфер. Изображение лежит на прямой, проходящей через источник и центр О этих сфер.

Рис. 8. Отклонение и фокусировка пучка заряженных частиц однородным магнитным полем: 1 — предмет; 2 — изображение. Заряженные частицы, испущенные линейным предметом (щелью) в пределах небольшого угла 2α, сначала расходятся, а затем, описав полуокружности с радиусом r, который для всех частиц с одной и той же массой и энергией одинаков, фокусируются, формируя изображение предмета в виде полоски шириной rα². Линейный предмет и полоска-изображение расположены параллельно силовым линиям магнитного поля, направленным перпендикулярно плоскости рисунка. О₁, О₂ и О₃ — центры круговых траекторий частиц.

Рис. 9. Отклонение и фокусировка пучка заряженных частиц секторным магнитным полем: 1 — магнитное поле; 2 — предмет (щель источника); 3 — изображение. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости рисунка. Изображение лежит на линии, соединяющей предмет с вершиной сектора О. Ширина изображения — того же порядка, что и в однородном магнитном поле.