Большая энциклопедия техники

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 Х. 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.