Електронна і іонна оптика, наука про поведінку пучків електронів і іонів у вакуумі під впливом електричних і магнітних полів. Т. до. вивчення електронних пучків почалося раніше, чим іонних, і перші використовують набагато ширше, ніж другі, вельми поширений термін «електронна оптика». Е. і в.о. займається головним чином питаннями формування, фокусування і відхилення пучків заряджених часток, а також здобуття з їх допомогою зображень які можна візуалізувати на люмінесцирующих екранах або фотографічних плівках. Такі зображення прийнято називати електроннооптичними і іоннооптічеськимі зображеннями. Розвиток Е. і в.о. в значній мірі обумовлено потребами електронної техніки.
Зародження Е. і в.о. пов'язано із створенням в кінці 19 ст електроннопроменевої трубки (ЕЛТ). У першій осцилографічною ЕПТ, виготовленою в 1897 До. Ф. Брауном, електронний пучок відхилявся магнітним полем. Відхилення за допомогою електростатичного поля здійснив в своїх дослідах за визначенням відношення заряду електрона до його маси Дж. Дж. Томсон, пропускаючи пучок через плоский конденсатор, поміщений усередині ЕЛТ. У 1899 німецький фізик І. Е. Віхерт застосував для фокусування електронного пучка в ЕЛТ котушку з ізольованого дроту, по якому протікав електричний струм. Проте лише в 1926 німецький учений Х. Буш теоретично розглянув рух заряджених часток в магнітному полі такої котушки і показав, що вона придатна для здобуття правильних електроннооптичних зображень і, отже, є електронною лінзою (ЕЛ). Подальша розробка електронних лінз (магнітних і електростатичних) відкрила дорогу до створення електронного мікроскопа, електроннооптичного перетворювача і ряду ін. приладів, в яких формуються правильні електроннооптичні зображення об'єктів, — або що випускають електрони, або тим або що іншим чином впливають на електронні пучки. Конструювання спеціалізованих ЕЛТ для телевізійної і радіолокації апаратури, для запису, зберігання і відтворення інформації і т. п. привело до подальшого розвитку розділів Е. і і. о., пов'язаних з управлінням пучками заряджених часток. Значний вплив на розвиток Е. і в.о. надала розробка апаратури для аналізу потоків електронів і іонів (бети-спектрометрів, мас-спектрометрів і інших аналітичних приладів). У Е. і і. о., як правило, не розглядаються питання, що виникають в надвисоких частот техніці, лише зрідка розглядаються процеси в електронних лампах, прискорювачах заряджених часток і інших приладах і пристроях, специфіка яких відокремлює їх від основних напрямів Е. і в.о.
Для вирішення більшості завдань Е. і в.о. досить розглядати рух заряджених часток в рамках класичної механіки, т. до. волновая природа часток (див. Корпускулярно-хвильовий дуалізм ) в цих завданнях практично не виявляється. У такому наближенні Е. і в.о. носить назва геометричною Е. і і. о., що обумовлене наявністю глибокої аналогії між геометричною Е. і в.о. і геометричною оптикою світлових променів, яка виражається в тому, що поведінка пучків заряджених часток в електричних і магнітних полях багато в чому подібно до поведінки пучків променів світла в неоднорідних оптичних середовищах. У основі вказаної аналогії лежить загальніша аналогія між класичною механікою і світловою геометричною оптикою, встановлена В. Р. Гамільтоном, що довів в 1834, що загальне рівняння механіки (рівняння Гамільтона — Якобі) формою подібний оптичному рівнянню ейконалу. Як і в світловій геометричній оптиці, в геометричною Е. і в.о. вводиться поняття заломлення показника, при обчисленні погрішностей зображення — аберації, велика частина якої аналогічна аберації оптичних систем, — частенько використовується метод ейконалу. Коли наближення геометричної Е. і в.о. недостатньо, наприклад при дослідженні роздільній здатності електронного мікроскопа, притягуються методи квантової механіки .
В електроннооптичних пристроях широко застосовуються електричні і магнітні поля, обертання, що володіють симетрією, відносно оптичної осі системи. ЕЛ і електронні дзеркала з такими полями називаються осесиметричними. Електричні поля з симетрією обертання створюються електродами у вигляді циліндрів, чашок, діафрагм з круглими отворами і т. п. ( мал. 2 ). Для здобуття осесиметричних магнітних полів використовують електромагніти (інколи постійні магніти) з полюсами у формі тіл обертання або тороїдальні котушки з намотуванням з ізольованого дроту, по якому пропускається електричний струм ( мал. 3 ). Осесиметричні лінзи і дзеркала створюють правильні електроннооптичні зображення, якщо заряджені частки рухаються досить близький до осі симетрії поля, а їх початкові швидкості мало відрізняються один від одного. Якщо ці умови не виконуються, погрішності зображення стають вельми значними. Коли предмет і зображення лежать за межами поля, осесиметричні ЕЛ — що завжди збирають. У електростатичних осесиметричних ЕЛ, як і в светооптічеських лінзах з сферичними поверхнями зображення може бути лише прямим або перевернутим, в магнітних ЕЛ — воно додатково повернене на деякий кут. Електроннооптичні властивості поля з симетрією обертання визначаються положенням його кардинальних крапок, аналогічних кардинальним точкам осесиметричних светооптічеських систем, що змальовують: двох фокусів, двох головних крапок і двох вузлових точок. Побудова зображення виробляється по правилам світлової геометричної оптики. Електростатичним осесиметричним полям властиві ті ж п'ять видів геометричної аберації третього порядку, що і светооптічеським центрованим системам сферичних поверхонь: сферична аберація, астигматизм, кривизна поля зображення, дісторсия і кома . В магнітних полях до них додаються ще три: т.з. анізотропні дісторсия, астигматизм і кома. Крім того, існують три види хроматичної аберації (у електростатичних полях — два), обумовленої деяким неминучим розкидом енергій часток, що поступають в полі. Взагалі кажучи, аберація полів з симетрією обертання в порівнянних умовах значно перевищують по величині аберацію светооптічеських центрованих систем, тобто ЕЛ і електронні дзеркала за якістю істотний поступаються светооптічеським. Питання про компенсацію аберації або їх зменшення є одним з основних в теоретичних Е. і в.о.
Існують і інші типи ЕЛ і дзеркал, поля яких володіють різними видами симетрії. Вони формують зображення точкових об'єктів у вигляді відрізань ліній проте інколи здатні здійснювати і стигматичне фокусування (крапка в крапку). Так звані циліндрові електростатичні і магнітні лінзи і дзеркала створюють лінійні зображення точкових предметів. Поля в таких ЕЛ «двовимірні» (їх напруженості описуються функціями лише двох декартових координат) і симетричні відносно деякої середньої плоскості, поблизу якої рухаються заряджені частки. У ряді аналітичних електровакуумних приладів високоякісна фокусування необхідне лише в одному напрямі. У цих випадках доцільно застосовувати так звані трансаксиальниє електростатичні ЕЛ або трансаксиальниє електронні дзеркала, аберація яких в середній плоскості дуже мала (порівнянні з аберацією светооптічеських лінз). Для дії на пучки заряджених часток з великими енергіями використовують квадрупольні ЕЛ (електричні і магнітні). Для відхилення пучків заряджених часток використовують електроннооптичні пристрої з електричними або магнітними полями, направленими впоперек пучка. Простим електричним елементом, що відхиляє, є плоский конденсатор ( мал. 4 ). У ЕЛТ з метою зменшення напруги, що відхиляє, застосовують системи з електродами складнішої форми. Магнітні поля, призначені для відхилення пучків, створюються електромагнітами ( мал. 5 ) або провідниками, по яких тече струм.
Дуже всілякі форми електричних і магнітних полів, що відхиляють, вживаних в аналітичних приладах, в яких використовується властивість цих полів розділяти (вирішувати) заряджені частки по енергії і масі. Широко використовується також їх властивість фокусувати пучки.
Електричні поля зазвичай формуються різними конденсаторами: плоским, циліндровим ( мал. 6 ), сферичним ( мал. 7 ). З магнітних полів часто застосовуються однорідне поле ( мал. 8 ) і секторне поле ( мал. 9 ). Для поліпшення якості фокусування скривлюють кордони секторних магнітних полів, а також застосовують неоднорідні магнітні поля, напруженість яких міняється по певному закону.
Перераховані електричні і магнітні пристрої, що відхиляють, інколи називаються електронними (іонними) призмами, відрізняються від светооптічеських призм тим, що вони не лише відхилюють, але і фокусують пучки заряджених часток. Фокусування приводить до того, що що потрапляють в поля таких пристроїв паралельні пучки після відхилення перестають бути паралельними. Тим часом для створення високоякісних аналітичних електронних і іонних приладів по точній аналогії зі светооптічеським призматичним спектрометром необхідні електронні (іонні) призми, які подібно до світлових призм зберігають паралельність пучків. Як такі електронних призм застосовують телескопічні системи електронних лінз. Додавши до електронної призми дві ЕЛ, одну так званий коліматор на вході, іншу — що фокусує на виході, можна отримати аналітичний прилад, в якому поєднуються висока роздільна здатність і велика електроннооптична світлосила.
Літ.: Арцимовіч Л. А., Лукьянов С. Ю., Рух заряджених часток в електричних і магнітних полях, М., 1972; Бонштедт Би. Е., Маркович М. Р., Фокусування і відхилення пучків в електроннопроменевих приладах, М., 1967; Череві Е., Шерцер О., Геометрична електронна оптика, пер.(переведення) з йому.(німецький), Л., 1943; Глазер Ст, Основи електронної оптики, пер.(переведення) з йому.(німецький), М., 1957; Грінберг Р. А., Вибрані питання математичної теорії електричних і магнітних явищ, М. — Л., 1948; Зінченко Н, С., Курс лекцій з електронній оптиці, 2 видавництва, Хар., 1961; Кельман Ст М., Явір С. Я., Електронна оптика, 3 видавництва, Л., 1968; Страшкевіч А. М., Електронна оптика електростатичних систем, М. — Л., 1966; Явір С. Я., Фокусування заряджених часток квадрупольними лінзами, М., 1968.
