ЭЛЕКТРО́ННАЯ И ИО́ННАЯ О́ПТИКА

ЭЛЕКТРО́ННАЯ И ИО́ННАЯ О́ПТИКА, раз­дел фи­зи­ки, в ко­то­ром изу­ча­ют за­ко­ны рас­про­стра­не­ния пуч­ков за­ря­жен­ных час­тиц (элек­тро­нов и ио­нов) в мак­ро­ско­пич. маг­нит­ных и элек­трич. по­лях. Раз­ви­тие элек­трон­ной оп­ти­ки на­ча­лось с изу­че­ния ка­тод­ных лу­чей, с по­мо­щью ко­то­рых бы­ло по­лу­че­но те­не­вое изо­бра­же­ние объ­ек­та. В ре­зуль­та­те экс­пе­ри­мен­тов бы­ло об­на­ру­же­но, что ха­рак­тер рас­про­стра­не­ния этих лу­чей по­до­бен рас­про­стра­не­нию све­то­вых лу­чей в гео­мет­рич. оп­ти­ке. Сме­ще­ние изо­бра­же­ния под дей­ст­ви­ем маг­нит­но­го по­ля по­ка­за­ло, что ка­тод­ные лу­чи пред­став­ля­ют со­бой по­ток за­ря­жен­ных час­тиц (У. Крукс, 1879). Опы­ты по от­кло­не­нию за­ря­жен­ных час­тиц со­вме­щён­ны­ми элек­трич. и маг­нит­ны­ми по­ля­ми при­ве­ли к от­кры­тию элек­тро­на (Дж.Дж. Том­сон, 1897). Од­ним из пер­вых элек­трон­но-лу­че­вых при­бо­ров ста­ла ос­цил­ло­гра­фич. элек­трон­но-лу­че­вая труб­ка (ЭЛТ; К. Ф. Бра­ун, 1897). В 1899 нем. фи­зик И. Э. Вихерт сфо­ку­си­ро­вал в ЭЛТ элек­трон­ный пу­чок маг­нит­ным по­лем ка­туш­ки с то­ком. Ис­сле­до­ва­ния дви­же­ния элек­тро­нов в осе­сим­мет­рич­ном маг­нит­ном по­ле ка­туш­ки с то­ком по­ка­за­ли, что она при­год­на для фор­ми­ро­ва­ния элек­трон­но-оп­тич. изо­бра­же­ний и, сле­до­ва­тель­но, яв­ля­ет­ся элек­трон­ной лин­зой. Соз­да­ние линз и др. элек­трон­ных уст­ройств от­кры­ло путь к соз­да­нию элек­трон­ных мик­ро­ско­пов, элек­трон­но-оп­ти­че­ских пре­об­ра­зо­ва­те­лей, тех­но­ло­гич. элек­трон­но-лу­че­вых ус­та­но­вок и др. Кон­ст­руи­ро­ва­ние спец. ЭЛТ для те­ле­ви­зи­он­ной и ра­дио­ло­кац. ап­па­ра­ту­ры, для за­пи­си, хра­не­ния и вос­про­из­ве­де­ния ин­фор­ма­ции при­ве­ло к даль­ней­ше­му раз­ви­тию раз­де­лов элек­трон­ной оп­ти­ки, свя­зан­ных с управ­ле­ни­ем пуч­ка­ми за­ря­жен­ных час­тиц.

Ион­ная оп­ти­ка ста­ла раз­ви­вать­ся в свя­зи с раз­ра­бот­кой масс-спек­тро­мет­ров, фо­ку­си­рую­щих сис­тем для ус­ко­рите­лей за­ря­жен­ных час­тиц, ус­та­но­вок ион­но­го трав­ле­ния и эпи­так­сии, ион­ных мик­ро­ско­пов и др. уст­ройств. Ме­ж­ду ион­ной и элек­трон­ной оп­ти­кой нет прин­ци­пи­аль­ных раз­ли­чий; дви­же­ние ио­нов и элек­тро­нов в по­ле опи­сы­ва­eт­ся те­ми же урав­не­ния­ми. Но для их при­ме­не­ния су­ще­ст­вен­но то, что элек­тро­ны лег­че по­лу­чать и вслед­ст­вие их ма­лой мас­сы ими мож­но управ­лять бо­лее сла­бы­ми и ме­нее про­тя­жён­ны­ми по­ля­ми. Кро­ме то­го, рас­пре­де­ле­ние элек­тро­нов лег­че ви­зуа­ли­зи­ро­вать на лю­ми­нес­цент­ном эк­ра­не. По­это­му боль­шее при­ме­не­ние по­лу­чи­ли элек­трон­но-лу­че­вые при­бо­ры.

По ана­ло­гии со све­то­вой оп­ти­кой Э. и и. о. де­лит­ся на гео­мет­ри­че­скую и вол­но­вую. В гео­мет­рич. Э. и и. о. пред­по­ла­га­ют, что дли­на вол­ны элек­тро­нов и ио­нов ма­ла и не влия­ет на их тра­ек­то­рии. В вол­но­вой Э. и и. о. учи­ты­ва­ют ди­фрак­цию элек­тро­нов и ио­нов, ко­то­рая влия­ет на раз­ре­шаю­щую спо­соб­ность элек­трон­ных мик­ро­ско­пов, на фор­ми­ро­ва­ние элек­трон­ных и ион­ных зон­дов пре­дель­но ма­лых раз­ме­ров и т. п. Од­нако для ре­ше­ния боль­шин­ст­ва за­дач Э. и и. о. дос­та­точ­но рас­смат­ри­вать дви­же­ние за­ря­жен­ных час­тиц в рам­ках гео­мет­рич. оп­ти­ки и счи­тать их дви­же­ние в маг­нит­ных и элек­трич. по­лях по­доб­ным дви­же­нию све­то­вых лу­чей в не­од­но­род­ных сре­дах. Прин­цип наи­мень­ше­го дей­ст­вия в ме­ха­ни­ке, опи­сы­ваю­щий дви­же­ние ма­те­ри­аль­ных тел в си­ло­вых по­лях, уни­вер­са­лен в Э. и и. о. и по­до­бен Фер­ма прин­ци­пу в све­то­вой оп­ти­ке. В ос­но­ве это­го по­до­бия ле­жит бо­лее об­щая ана­ло­гия ме­ж­ду клас­сич. ме­ха­ни­кой и све­то­вой гео­мет­рич. оп­ти­кой, ус­та­нов­лен­ная ещё У. Р. Га­миль­то­ном, до­ка­зав­шим, что об­щее урав­не­ние ме­ха­ни­ки (Га­миль­то­на – Яко­би урав­не­ние) по­доб­но по фор­ме оп­тич. урав­не­нию эй­ко­на­ла. Как в оп­ти­че­ской, так и в Э. и и. о. вво­дят по­ня­тие по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния, а при вы­чис­ле­нии по­греш­но­стей изо­бра­же­ния, ана­ло­гич­ных абер­ра­ци­ям оп­тич. сис­тем, при­ме­ня­ют ме­тод эй­ко­на­ла.

В элек­трон­но-оп­тич. уст­рой­ст­вах ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся элек­трич. и маг­нит­ные по­ля, об­ла­даю­щие сим­мет­ри­ей вра­ще­ния от­но­си­тель­но оси сис­те­мы, а так­же уст­рой­ст­ва с пло­ской сим­мет­ри­ей или с не­сколь­ки­ми плос­ко­стя­ми сим­мет­рии (элек­трон­ные лин­зы и элек­трон­ные зер­ка­ла). Элек­трич. по­ля с сим­мет­ри­ей вра­ще­ния соз­да­ют­ся элек­тро­да­ми в ви­де ци­лин­д­ров, диа­фрагм с круг­лы­ми от­вер­стия­ми. Маг­нит­ные осе­сим­мет­рич­ные по­ля соз­да­ют с по­мо­щью элек­тро­маг­ни­тов с по­лю­са­ми в фор­ме тел вра­ще­ния или ка­туш­ки с то­ком. Осе­сим­мет­рич­ные лин­зы и зер­ка­ла фор­ми­ру­ют пра­виль­ное изо­бра­же­ние, ес­ли за­ря­жен­ные час­ти­цы дви­жут­ся вбли­зи оси сим­мет­рии по­ля, а их ско­ро­сти ма­ло от­ли­ча­ют­ся друг от дру­га. Осе­сим­мет­рич­ные элек­тро­ста­тич. по­ля име­ют те же гео­мет­рич. абер­ра­ции, что и све­то­оп­тич. сис­те­мы. Абер­ра­ции маг­нит­ных линз мень­ше, чем элек­тро­ста­ти­че­ских, по­это­му, напр., в элек­трон­ных мик­ро­ско­пах ис­поль­зу­ют­ся маг­нит­ные лин­зы. Од­на­ко в ион­ной оп­ти­ке элек­тро­ста­тич. лин­зы не­за­ме­ни­мы, т. к. их оп­тич. си­ла по от­но­ше­нию к ио­нам та­кая же, как и к элек­тро­нам, и су­ще­ст­вен­но пре­вос­хо­дит оп­тич. си­лу маг­нит­ных линз. Это свя­за­но с мас­сой ио­нов, пре­вос­хо­дя­щей мас­су элек­тро­нов на 3 и бо­лее по­ряд­ка ве­ли­чи­ны.

В Э. и и. о., кро­ме осе­сим­мет­рич­ных, ис­поль­зу­ют­ся лин­зы и зер­ка­ла с др. ви­да­ми сим­мет­рии. Ци­лин­д­рич. лин­зы и зер­ка­ла фор­ми­ру­ют ли­ней­ные изо­бра­же­ния то­чеч­ных пред­ме­тов, т. к. в ря­де ана­ли­тич. при­бо­ров фо­ку­си­ров­ка нуж­на толь­ко в од­ной плос­ко­сти. В этих слу­ча­ях при­ме­ня­ют так­же тран­сак­си­аль­ные фо­ку­си­рую­щие сис­те­мы. Лин­зы с не­сколь­ки­ми плос­ко­стя­ми сим­мет­рии – квад­ру­поль­ные и ок­ту­поль­ные – при­ме­ня­ют­ся в ус­ко­ри­те­лях для фо­ку­си­ров­ки час­тиц боль­ших энер­гий. Они же ис­поль­зу­ют­ся для кор­рек­ции при­осе­во­го ас­тиг­ма­тиз­ма осе­сим­мет­рич­ных линз, в ко­торых в не­дос­та­точ­ной сте­пе­ни вы­дер­жа­на осе­вая сим­мет­рия. Сек­сту­поль­ные лин­зы в со­че­та­нии с квад­ру­поль­ны­ми пы­та­ют­ся при­ме­нять для кор­рек­ции сфе­рич. и хро­ма­тич. абер­ра­ций осе­сим­мет­рич­ных линз.

Для от­кло­не­ния пуч­ков за­ря­жен­ных час­тиц при­ме­ня­ют сис­те­мы с од­ной плос­ко­стью сим­мет­рии. Они ис­поль­зу­ют­ся в ЭЛТ, в дис­пер­си­он­ных эле­мен­тах масс-спек­тро­мет­ров ио­нов и в спек­тро­мет­рах энер­ге­тич. по­терь элек­тро­нов, а так­же для управ­ле­ния элек­трон­ным или ион­ным пуч­ком в при­бо­рах и тех­но­ло­гич. ус­та­нов­ках. Элек­трич. по­ля в этих уст­рой­ст­вах обыч­но фор­ми­ру­ют­ся кон­ден­са­то­ра­ми разл. форм, в т. ч. пло­ски­ми, ци­лин­д­рич., то­рои­даль­ны­ми, сфе­ри­че­ски­ми.

С по­мо­щью ме­то­дов рас­чё­та элек­трон­но- и ион­но-оп­тич. сис­тем, по­зво­ляю­щих про­во­дить все­сто­рон­ний ана­лиз па­ра­мет­ров при­бо­ров и ус­та­но­вок, с при­вле­че­ни­ем вы­чис­лит. средств и про­грамм­но­го обес­пе­че­ния ста­но­вит­ся воз­мож­ным ре­ше­ние про­бле­мы син­те­за соз­да­вае­мых уст­ройств – т. е. на­хо­ж­де­ния их кон­фи­гу­ра­ции и др. дан­ных, обес­пе­чи­ваю­щих реа­ли­за­цию за­дан­ных па­ра­мет­ров при вы­пол­не­нии всех ог­ра­ни­чит. ус­ло­вий (пре­дель­ных га­ба­ри­тов, мак­си­маль­но до­пус­ти­мых на­пря­же­ний, то­ков и т. п.). Пе­ре­ход от ана­ли­за элек­трон­но- и ион­но-оп­тич. сис­тем к их син­те­зу – од­но из пер­спек­тив­ных на­прав­ле­ний раз­ви­тия элек­трон­ной и ион­ной оп­ти­ки.