《光學(xué)學(xué)報(bào)》：靜電聚焦同心球系統(tǒng)的成像電子光學(xué)
發(fā)布時間：2022-10-10 875人看過
2019年，中國工程院院士周立偉曾在《光學(xué)學(xué)報(bào)》發(fā)表系列文章《復(fù)合電磁同心球系統(tǒng)的成像電子光學(xué)》。2021年秋，周立偉重新梳理他在這一方向的研究，形成4篇系列文章，作為2019年文章的姊妹篇，再次選擇發(fā)表在《光學(xué)學(xué)報(bào)》上。周老今年已90高齡，他感嘆自己“年紀(jì)大了，寫作進(jìn)度很慢，這恐怕是自己的封筆之作了”，但從構(gòu)思到寫作再到文章插圖都堅(jiān)持由其個人完成，一定要沒有一點(diǎn)瑕疵后再投稿送審。
周立偉介紹，自己在鉆研電子光學(xué)的過程中，主要思考了兩個問題：
一是近軸電子光學(xué)理論只能解決理想成像，僅適合解決鄰近對稱 軸區(qū)域的電子光學(xué)問題，成像電子光學(xué)要研究由光陰極逸出的大物面寬電子束在系統(tǒng)中的行進(jìn)軌跡及其成像的規(guī)律和所形成的像差。但在以往研究中，空間電位通常是以軸上電位分布的謝爾赤展開式來表示，離實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，當(dāng)時的理論、方法和手段尚無法解決實(shí)際問題，需要探索新的途徑。
二是成像電子光學(xué)系統(tǒng)的橫向像差究竟應(yīng)該如何定義？當(dāng)時國內(nèi)外電子光學(xué)學(xué)術(shù)界都在研究成像電子光學(xué)系統(tǒng)的三級（幾何）橫向像差，普遍認(rèn)為主要是它影響器件的成像質(zhì)量。但這個概念是由細(xì)束電子光學(xué)引伸的推論，并未得到證實(shí)。成像電子光學(xué)是否只存在三級幾何橫向像差，有無其他類型的橫向像差，并無明確的結(jié)論。
成像電子光學(xué)研究是從哪里切入的？
周立偉說科學(xué)研究從何處切入是解決問題的關(guān)鍵，經(jīng)過漫長的思索，他認(rèn)為如果能找到一個可以求得解析解的成像電子光學(xué)系統(tǒng)的理想模型，將其成像規(guī)律、實(shí)際軌跡與近軸軌跡等都研究透了，便能對理想成像、橫向像差等有一個正確的理解和把握。由此出發(fā)，可指導(dǎo)一般靜電聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)的理論分析與設(shè)計(jì)。
周立偉還指出科學(xué)研究中，理論工作者最感興趣的是追求理論的普遍性。但要使普遍性廣泛得到承認(rèn)，必須有特殊性加以證實(shí)，而普遍性寓于特殊性之中。成像電子光學(xué)的研究也是一樣，如果能把問題的特殊性研究透了，便有可能找到具有普遍性和規(guī)律性的線索。
本研究的關(guān)鍵是什么？
周立偉介紹，找電子軌跡精確解與近軸解是本研究的關(guān)鍵。研究找到了兩電極與多電極同心球靜電聚焦系統(tǒng)自陰極逸出電子的軌跡成像位置的精確解以及近軸解，并把它表達(dá)成級數(shù)展開的形式，由此解決了理想成像等電子光學(xué)性質(zhì)和定義電子光學(xué)像差的問題。因此，研究是由靜電聚焦同心球系統(tǒng)的電子光學(xué)理想模型所具有的矛盾特殊性出發(fā)，進(jìn)而研究寬電子束成像矛盾的普遍性，以指導(dǎo)成像電子光學(xué)的深入研究。
本課題取得了什么樣的進(jìn)展？
(1)導(dǎo)出了自陰極面逸出的電子在靜電聚焦同心球系統(tǒng)中新的軌跡表示式，它如同光線光學(xué)由一個折射面過渡到下一個折射面的追跡公式，不但能用于研究兩電極同心球系統(tǒng)的電子光學(xué)，而且也適用于研究任意多個電極同心球系統(tǒng)的電子追跡。
(2)找到了電子束自陰極面逸出并經(jīng)過同心球系統(tǒng)后最終會聚的精確落點(diǎn)，即電子軌跡的精確解，這為研究理想成像、討論電子光學(xué)性質(zhì)和定義橫向像差打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。與此同時，給出了兩電極靜電同心球系統(tǒng)中圓柱坐標(biāo)系下由陰極面原點(diǎn)逸出的實(shí)際電子軌跡的解析表示式。
(3)由精確解導(dǎo)出了靜電聚焦同心球系統(tǒng)中電子軌跡的近軸解，它正是電子運(yùn)動方程或軌跡方程的解析解，證明了所提出的理論之無誤。
(4)給出了成像系統(tǒng)的電子光學(xué)橫向像差新的定義，提出了成像電子光學(xué)系統(tǒng)的軸上點(diǎn)橫向像差乃是近軸橫向色差與幾何橫向像差的合成的觀點(diǎn)，而不僅僅是當(dāng)時電子光學(xué)學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為的只有幾何橫向像差。
(5)證實(shí)了不論是兩電極、多電極同心球系統(tǒng)，還是一般的靜電聚焦成像電子光學(xué)系統(tǒng)，決定系統(tǒng)鑒別率的是二級近軸橫向色差，它僅與逸出電子的初電位、初角度、陰極面上的場強(qiáng)，以及系統(tǒng)的線性放大率有關(guān)，而與系統(tǒng)的具體電極結(jié)構(gòu)及軸上電位分布無關(guān)。
(6)考察了成像系統(tǒng)中電子束形成的最小彌散圓以及最佳成像面位置的確定，形象地展示了成像段所形成的電子射線的包絡(luò)。
