《光學學報》：靜電聚焦同心球系統的成像電子光學
發布時間：2022-10-10 1186人看過
2019年，中國工程院院士周立偉曾在《光學學報》發表系列文章《復合電磁同心球系統的成像電子光學》。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，再次選擇發表在《光學學報》上。周老今年已90高齡，他感嘆自己“年紀大了，寫作進度很慢，這恐怕是自己的封筆之作了”，但從構思到寫作再到文章插圖都堅持由其個人完成，一定要沒有一點瑕疵后再投稿送審。
周立偉介紹，自己在鉆研電子光學的過程中，主要思考了兩個問題：
一是近軸電子光學理論只能解決理想成像，僅適合解決鄰近對稱 軸區域的電子光學問題，成像電子光學要研究由光陰極逸出的大物面寬電子束在系統中的行進軌跡及其成像的規律和所形成的像差。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，離實際情況相差甚遠，當時的理論、方法和手段尚無法解決實際問題，需要探索新的途徑。
二是成像電子光學系統的橫向像差究竟應該如何定義？當時國內外電子光學學術界都在研究成像電子光學系統的三級（幾何）橫向像差，普遍認為主要是它影響器件的成像質量。但這個概念是由細束電子光學引伸的推論，并未得到證實。成像電子光學是否只存在三級幾何橫向像差，有無其他類型的橫向像差，并無明確的結論。
成像電子光學研究是從哪里切入的？
周立偉說科學研究從何處切入是解決問題的關鍵，經過漫長的思索，他認為如果能找到一個可以求得解析解的成像電子光學系統的理想模型，將其成像規律、實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，可指導一般靜電聚焦電子光學系統的理論分析與設計。
周立偉還指出科學研究中，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，必須有特殊性加以證實，而普遍性寓于特殊性之中。成像電子光學的研究也是一樣，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律性的線索。
本研究的關鍵是什么？
周立偉介紹，找電子軌跡精確解與近軸解是本研究的關鍵。研究找到了兩電極與多電極同心球靜電聚焦系統自陰極逸出電子的軌跡成像位置的精確解以及近軸解，并把它表達成級數展開的形式，由此解決了理想成像等電子光學性質和定義電子光學像差的問題。因此，研究是由靜電聚焦同心球系統的電子光學理想模型所具有的矛盾特殊性出發，進而研究寬電子束成像矛盾的普遍性，以指導成像電子光學的深入研究。
本課題取得了什么樣的進展？
(1)導出了自陰極面逸出的電子在靜電聚焦同心球系統中新的軌跡表示式，它如同光線光學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的電子光學，而且也適用于研究任意多個電極同心球系統的電子追跡。
(2)找到了電子束自陰極面逸出并經過同心球系統后最終會聚的精確落點，即電子軌跡的精確解，這為研究理想成像、討論電子光學性質和定義橫向像差打下堅實基礎。與此同時，給出了兩電極靜電同心球系統中圓柱坐標系下由陰極面原點逸出的實際電子軌跡的解析表示式。
(3)由精確解導出了靜電聚焦同心球系統中電子軌跡的近軸解，它正是電子運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)給出了成像系統的電子光學橫向像差新的定義，提出了成像電子光學系統的軸上點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，而不僅僅是當時電子光學學術界普遍認為的只有幾何橫向像差。
(5)證實了不論是兩電極、多電極同心球系統，還是一般的靜電聚焦成像電子光學系統，決定系統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，以及系統的線性放大率有關，而與系統的具體電極結構及軸上電位分布無關。
(6)考察了成像系統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。
