ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА


ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА
ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА

       
занимается вопросами формирования, фокусировки и отклонения пучков эл-нов и ионов и получения с их помощью изображений под воздействием электрич. и магн. полей в вакууме. Электронные и ионные изображения можно визуализировать на люминесцентном экране или фотослое. Т. к. электронные пучки используют гораздо шире, чем ионные, весьма распространён термин «электронная оптика» (ЭО).
Зарождение ЭО связано с созданием в кон. 19 в. электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). В первой осциллографич. ЭЛТ (нем. физик К. Ф. Браун, 1897) электронный пучок отклонялся магн. полем. Отклонение заряж. ч-ц электростатич. полем наряду с магнитным использовал англ. физик Дж. Дж. Томсон в опытах по определению отношения заряда эл-на к его массе, пропуская пучок между пластинами плоского конденсатора, помещённого внутри ЭЛТ. В 1899 нем. физик И. Э. Вихерт применил для фокусировки электронного пучка в ЭЛТ магн. поле катушки с током. Однако лишь в 1926 нем. учёный X. Буш теоретически рассмотрел движение заряж. ч-ц в магн. поле такой катушки и показал, что она пригодна для получения правильных электронно-оптич. изображений и, следовательно, явл. электронной линзой (ЭЛ). Последующая разработка ЭЛ (магнитных и электростатических) открыла путь к созданию электронного микроскопа, электронно-оптического преобразователя и др. приборов, в к-рых формируются электронно-оптич. изображения объектов — либо испускающих эл-ны, либо тем или иным образом воздействующих на электронные пучки. Конструирование спец. ЭЛТ для телевизионной и радиолокац. аппаратуры, для записи, хранения и воспроизведения информации и т. п. привело к дальнейшему развитию разделов ЭО, связанных с управлением пучками заряж. ч-ц. Значит. влияние на развитие ЭО оказала разработка аппаратуры для анализа потоков эл-нов (бета-спектрометров и др. аиалитич. приборов).
Параллельно с исследованием электронных пучков шло исследование пучков ионов, что привело к созданию ионной оптики (ИО). Между ЭО и ИО нет принципиального отличия. Движение эл-нов и ионов в поле описывается теми же ур-ниями. Но для применения в технике существенно то, что эл-ны легче получать, а их отклонение и фокусировка из-за меньшей массы могут осуществляться более слабыми и менее протяжёнными магн. полями, чем в случае ионов той же энергии. Кроме того, распределение эл-нов легче визуализировать на люминесцентном экране. Всё это привело к широкому распространению электронно-лучевых приборов. Развитие ИО в значит. степени связано с созданием масс-спектрометров и ускорителей заряженных частиц.
ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА1
Рис. 1. Отклонение электронного пучка в однородном поле плоского конденсатора: 1 — пластины конденсатора; 2 — электронный прожектор. Силовые линии поля изображены пунктирными линиями, сечения эквипотенциальных поверхностей плоскостью рисунка — сплошными линиями. Потенциал поля V возрастает при перемещении сверху вниз.
ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА2
Рис. 2. Отклонение луча света в неоднородной оптич. среде. Показатель преломления n возрастает при перемещении сверху вниз.
Для решения большинства задач Э. и и. о. достаточно рассматривать движение заряж. ч-ц в рамках классич. механики, т. к. волн. природа ч-ц (см. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ) в этих задачах практически не проявляется. В таком приближении Э. и и. о. носит назв. геометрической по аналогии с геометрической оптикой световых лучей, к-рая выражается в том, что поведение пучков заряж. ч-ц в электрич. и магн. полях во многом подобно поведению световых лучей 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 ирл. математиком и физиком У. Р. Гамильтоном, доказавшим в 1834, что общее уравнение механики (уравнение Гамильтона — Якоби) по форме подобно оптич. уравнению эйконала. Как и в световой геом. оптике, в геом. Э. и и. о. вводится понятие показателя преломления, а при вычислении погрешностей изображения, б. ч. к-рых аналогична аберрациям оптических систем, зачастую используется метод эйконала. Когда приближение геом. Э. и и. о. оказывается недостаточным, напр. при исследовании разрешающей способности электронного микроскопа, привлекаются методы квантовой механики.
В электронно-оптич. устройствах широко применяются электрич. и магн. поля, обладающие симметрией вращения относительно оптич. оси системы. ЭЛ и электронные зеркала (ЭЗ) с такими полями наз. осесимметричными. Электрич. поля с симметрией вращения создаются электродами в виде цилиндров, чашечек, диафрагм с круглыми отверстиями и т. п. (рис. 3).
ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА3
Рис. 3. Электронно-оптич. 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 электростатич. поля плоскостью рисунка. Штриховой линией обозначены контуры пучка. У электродов указаны их потенциалы по отношению к катоду, потенциал к-рого принят равным нулю. Электроды 1, 2, 3 образуют катодную электронную линзу, электроды 3 и 4 — иммерсионную.
ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА4
Рис. 4. Магн. линза в виде катушки: а — вид сбоку; б — вид спереди; 1 — катушка; 2 — силовые линии магн. поля; 3 — электронная траектория. Штриховой линией обозначены контуры электронного пучка, выходящего из точки А (предмет) и фокусируемого в точке В (изображение).
Для получения осесимметричных магн. полей используют электромагниты (иногда пост. магниты) с полюсами в форме тел вращения или катушки с током (рис. 4). Осесимметричные линзы и зеркала создают правильные электронно-оптич. изображения, если заряж. ч-цы 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. Св-ва электростатич. осесимметричной ЭЛ определяются положением её кардинальных точек, аналогичных кардинальным точкам осесимметричных свето-оптич. изображающих систем: фокусов, главных точек и узловых точек. Построение изображения производится по правилам световой геометрической оптики. В магн. ЭЛ оно дополнительно повёрнуто на некоторый угол. Электростатическим осесимметричным полям свойственны те же геом. аберрации, что и светооптическим центриров. системам сферич. поверхностей: сферическая аберрация, астигматизм, кривизна поля изображения, дисторсия и кома. В магн. полях к ним добавляются 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 ч-ц. Вообще говоря, аберрации ЭЛ с симметрией вращения в сопоставимых условиях значительно превышают по величине аберрации светооптич. центриров. систем. Вопрос о компенсации аберраций или их уменьшении явл. одним из основных в теоретич. Э. и и. о.
Существуют и др. типы ЭЛ и ЭЗ, поля к-рых обладают разл. видами симметрии. Т. н. цилиндрические электростатич. и магн. ЭЛ и ЭЗ создают линейные изображения точечных предметов. В ряде аналитич. приборов высококачеств. фокусировка необходима только в одном направлении. В этих случаях целесообразно применять т. н. трансаксиальные электростатич. ЭЛ или ЭЗ. Для воздействия на пучки заряж. ч-ц с большими энергиями применяют квадрупольные ЭЛ (электростатические и магнитные).
Для отклонения пучков заряж. ч-ц используют электронно-оптич. устройства с электрич. или магн. полями, направленными поперёк пучка. Простейшим электрич. отклоняющим элементом явл. плоский электростатич. конденсатор. В ЭЛТ с целью уменьшения отклоняющего напряжения применяют системы с электродами более сложной формы. Отклоняющие магн. поля создаются электромагнитами или проводниками, по к-рым течёт ток. Очень разнообразны формы отклоняющих электрич. и магн. полей, применяемых в масс-спектрометрах, электронных спектрометрах и др. аналитич. приборах, в к-рых поля пространственно разделяют (разрешают) заряж. ч-цы по энергии и массе, а также фокусируют пучки.
ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА5
Рис. 5. Сферич. конденсатор: 1 — электроды конденсатора; 2 —точечный предмет; 3 — изображение предмета; 4 — кольцевые диафрагмы. Изображение лежит на прямой, проходящей через источник и центр О сферич. электродов.
Электрич. поля обычно формируются разл. конденсаторами: плоским, цилиндрическим, сферическим (рис. 5) и тороидальным. Из разл. типов магн. полей часто применяются однородное поле (рис. 6) и секторное поле (рис. 7). Для улучшения кач-ва фокусировки искривляют границы секторных магн. полей, а также применяют неоднородные магн. поля, напряжённость к-рых меняется по определ. закону.
ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА6
Рис. 6. Отклонение и фокусировка пучка заряж. ч-ц однородным магн. полем: 1 — предмет; 2 — изображение. Заряж. ч-цы, испущенные линейным предметом (щелью) в пределах небольшого угла 2a, сначала расходятся, а затем, описав полуокружности с радиусом r, который для всех ч-ц с одной и той же массой и энергией одинаков, фокусируются, формируя изображение предмета в виде полоски шириной ra2. Линейный предмет и полоска-изображение расположены параллельно силовым линиям магн. поля, направленным перпендикулярно к плоскости рисунка. О1? О2 и О3 — центры круговых траекторий ч-ц.
ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА7
Рис. 7. Отклонение и фокусировка пучка заряж. ч-ц секторным однородным магн. полем: 1 — магн. поле; 2 — предмет (щель источника); 3 — изображение. Силовые линии магн. поля направлены перпендикулярно к плоскости рисунка. Изображение лежит на линии, соединяющей предмет с вершиной сектора О. Ширина изображения того же порядка, что и в однородном магн. поле.
Перечисл. отклоняющие электрич. и магн. устройства, иногда наз. электронными (ионными) призмами, отличаются от светооптич. призм тем, что они не только отклоняют, но и фокусируют пучки заряж. ч-ц. Фокусировка приводит к тому, что попадающие в поля таких устройств параллельные пучки после отклонения перестают быть параллельными. Между тем для создания высококачеств. аналитич. приборов необходимы электронные (ионные) призмы, к-рые подобно световым призмам сохраняют параллельность пучков. В кач-ве таких электронных призм применяют телескопич. системы электрич. и магн. полей. Добавив к электронной призме коллиматорную ЭЛ на входе и фокусирующую — на выходе, можно получить аналитич. прибор, в к-ром сочетаются высокая разрешающая способность и большая электронно-оптич. светосила.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.


.

Смотреть что такое "ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА" в других словарях:

  • ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА — раздел физики, в к ром изучают законы распространения пучков за ряж. частиц электронов и ионов в макроскопич. магн. и электрич. полях и вопросы их фокусировки, отклонения и формирования изображений. Развитие электронной оптики (ЭО) началось с… …   Физическая энциклопедия

  • ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА — совокупность методов и устройств для создания сфокусированных электронных и ионных пучков и управления ими. Устройства электронной и ионной оптики содержат источники электронов и ионов (т. н. электронные и ионные пушки и прожекторы) и… …   Большой Энциклопедический словарь

  • электронная и ионная оптика — совокупность методов и устройств для создания сфокусированных электронных и ионных пучков и управления ими. Устройства электронной и ионной оптики содержат источники электронов и ионов (так называемые электронные и ионные пушки и прожекторы) и… …   Энциклопедический словарь

  • Электронная и ионная оптика —         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… …   Большая советская энциклопедия

  • ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА — совокупность методов и устройств для создания сфокусированных электронных и ионных пучков и управления ими. Устройства Э. и и. о. содержат источники электронов и ионов (т. н. электронные и ионные пушки и прожекторы) и фокусирующие устройства в… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Электронная оптика — дисциплина, занимающаяся вопросами формирования, фокусировки и транспортировки пучков заряженных частиц, в частности электронов, в магнитных и электрических полях. Практическое применение формирование пучка электронов, и управление им, например,… …   Википедия

  • ЭЛЕКТРОННАЯ ОПТИКА — теория формирования потоков эл нов и управления ими с помощью электрич. и магн. полей, а также совокупность приборов и методов исследования, основанных на использовании таких потоков. Подробнее (см. ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА). Физический… …   Физическая энциклопедия

  • ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА — вакуумное устройство (обычно диод) для получения пучков эл нов. Эл ны в Э. п. вылетают из катода И ускоряются электрич. полем (рис. 1). Испускание эл нов из катода происходит Рис. 1. Схема электронной пушки: 1 катод; 2 модулятор; 3 первый анод; 4 …   Физическая энциклопедия

  • Электронная оптика —         теория формирования потоков электронов и управления ими с помощью электрических и магнитных полей, а также совокупность приборов и методов исследования, основанных на использовании таких потоков. Подробнее см. в ст. Электронная и ионная… …   Большая советская энциклопедия

  • Электронная пушка —         устройство для получения потоков (пучков) электронов в объёме, из которого удалён воздух (в вакууме). Электроны в Э. п. вылетают из катода и ускоряются электрическим полем (рис. 1). Испускание электронов из катода происходит главным… …   Большая советская энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.