电子和离子光学的象差理论t)

象 差 理 论 ，导 出 了 全 部 三 级 几 何 象 差 和 一 级 色 究 了 变梯 度 、 非 均 匀 磁 场 弯 曲 轴 电 子 谱 仪 的 二 差 公 式 ，讨 论 了 多 级 电 磁 偏 转 系统 象 差 的 叠 级 象 差 这 些 理 论 对 于 设 计 制 造 高 性 能 粒 子 加 ； 研 究 了 电子 束 扫 描 系 统 象 差的 动 态 校 正 谱 仪 有 重 要 意 义． 问 题 ， 证 明 了 可 以 消除 复 台系 统 中 大 多 数 的 总 之 以 上 六 个 方 面 的 成 果 ，不 仅 在 理 论 上 三 级 偏 转 象 差． ４ 通 常 细 束 电子 光 学 器 件 （ 显 象 管 和 示 ． 如 渡 管 ） 电 子 束 满 足 旁 轴 条 件 （ 离 轴 距 离 和 相 中 即 有 创 造 性 与 重 要 性 ， 且 对 于 电子 光 学 仪 器 （ 而 电
偏 转 复 合 系 统 的 电子 光 学 理 论研 究 ． 我 们 发 子光 学 象 差理 论“ 导 出 了 电 磁 正 交 重 叠 场 中 ｍ， 展 了 普 遍 的 电 磁 聚 焦 一 转 复合 系 统 的 相 对 论 以矩 阵 表 示 的 ＝ 、 三 级 象 差 ． 近来 作 者 研 偏
１ 卷 ９期 ８
在 这 种 复合 系 统 中 ， 偏 转 象 差 与 电磁 透镜 轴 外 显微 镜 的 分 辨 率 出现 重 大 突破 （ 到 Ｏ０ ｒ ） 达 ．５ ｍ ． ｉ 象 差 互 相 补 偿 ，使 总 的 象 差 能 够 急 剧 减 少 ． 根 ６通 常 的 电 子 光 学 系 统 都是 直 线 轴 系 统 ， ．
电子 和 离 子 光 学 已 渗 透 到 无 线 电 电子 学 、 电子
国 的 学 术 出版 社 作 为《 电子 学 和 电子 物 理 进 展 》
和 离 子 显 微 学 、 质谱 学 、 体 物 理 和 表 面物 理 、 丛 书 的 单 独 增 刊 发 行 ． 作者 的 主 要 研 究 成 果 有 固
ａｎ Ｉ Ｏ ｐｔ ｃ‘ Ａ ｄｖ． ｉ Ｅｌ ｃ ｌ ｄ ｏｎ ｉ ． ｎ ｅ ｔ－ ０ｎｉ ｃ● ａ Ｅ Ｉ ｃ ｎｄ ｔ＿
ｔ Ｏ Ｐ ｃ ．Ｓ ｐｐ ．１ （ ９ ６ Ｉ Ｔ ｎ ｈｙ ｉ 。 ｕ １ ７ Ｉ ８ ） ｓ Ａｃ ｄｅ ｃ ａ ｍｉ Ｐｒ
ｓ ． Ｎ ｅｗ Ｙｏｆ ｓ ｋ．
１ 旋 转 对 称 成 象 系 统 （ 旋 转 对 称 静 电 透 镜 或 ． 由
系统 、 电磁 偏 转 系 统 、 电磁 多 极 系 统 和 弯 曲轴 离
磁 透 镜 掏 成 ） 细 束 、 束 电子 光 学 （ 究 电子 子 光 学 系 统 都 纳 入 统 一 的理 论 框 架 中 ，形 成 完 的 宽 研 柬聚焦成象 ， 何 象差和 色差） 几 ，应 用 于 电 子显 整 的 普 适 的 理 论 体 系 ．
和 概 念 （ 如 费 马 原 理 、 程 函 数 、 折射 率 、射 书 总 结 了 作 者 从 事 电子 和 离子 光 学 研 究 的 主 要 例 光
线 、透 镜 和 象 差等 ）形 成 自 己 的 理 论 体 系． 在 成 果 ． １ ８ ９ ６年 作 者 将 其 专 著 译 成 英 文 ，书名 为 二、 十年代 ， 三 电子 和 离 子 光 学开 始 发 展 ． 现 在 《电子 和 离 子 光 学 的 象 差理 论 》 ， 由 美 国 和 英
材 料 科 学 、 高 能 加 速 器 物理 和等 离子 体 物 理 等 以 下 六 个 方 面 ：
许 多学科领 域中． １运 用 变 分 原 理 全 面 处 理 电 子 和 离 子 光 学 ． 聚 焦 、 象 、 转 、 差 等 基 本 问题 ， 旋 转 对 称 成 偏 象 将
电子 和 离 子 光 学 包 括 如 下 几 个 主 要 方 面：
成 ） 扫描 束 电子 光 学 （ 究 偏 转 扫 描 与 偏转 象 差 ． 电 子 和 离 子 通 过 存 在 象 差 的 光 学 系统 时 可 的 研
差 ） 应 用 于 扫描 电子 显 微 镜 和 电子 束 管 的 偏 转 ， 以 用 变换 矩 阵 来 描 写 其 传 输 性 质 ，证 明了 刘 维 器． ３ 电磁 多极 系 统 （ 方 位 角 方 向 对 称 配 置 定 理 成 立 ． 由于 采 用 了 普 遍 的 矩 阵 代 数 表 述 ， 由 的 电极 或 磁 极组 成 ） 非 旋 转 对 称 电子 光 学 （ 的 研 方 式 ，我 们 就 可 以 把 电子 和 离 子 光 学 理论 与 仪 究聚 焦 散 焦 性 质 、 流 传 输 与 非 旋 转 对 称 象 差 ） 器 器 件 的实 际 设 计 结 合 起 来 ， 从而 适 合 于 运 用 束 ， 应 用于象差矫正 器和束流 传输系统． ４能 量 一 ． 质 量 分 析 系 统 （ 不 同 类 型 电场 、 场 分 析 器 构 由 磁 现 代 电 子 计 算 机 辅 助 设 计 方 法 来 解 决 电子 和 离 子光 学 设计 计 算 问题 ，其 中 包 括 计 算 电场 和 磁
作 者 从五 十 年 代 初 开 始 从事 电 子 和 离 子 光 和 离 子 光 学 系 统 的 最 优 化 设 计 等．
学 的研 究 ， 作 范 围 涉 及 上 述 各 主 要 方 面 ， 重 工 着
道 ，由于 不 同 类 型 的 电磁 场 具 有 不 同 的光 学 性 质 ， 致 了独 特 的 、 导 形式 复杂 的 电子 离 子光 学 象
基 础是 经 典 力 学 、经 典 电动 力 学 和 光 学 ． 它 依 是 一 个 重 要 课 题 ．
据 带 电粒 子 在 电磁 场 中 运 动 与 光 线 在光 学 媒 质 由作 者撰 写 的 《电子 和 离 子 光 学 原 理 及 象 中传 播 之 间 的 相 似 性 ，运 用 类 似 于 光 学 的 方 法 差 导 论》 一 书 于 １ ８ 年 由 科 学 出版 社 出 版 ， ９３ 谈
电子 和离 子 光 学 的 象 差理 论 ｔ ）
西 门 纪 业
（ 京 大学 无线 电电 子学 系） 北
电 子 和 离 子 光 学 的 研 究 范 畴 是 带 电 粒 子 在
差 ， 们 决 定 了 光 学 系 统 的性 能 和 品 质． 因 此 ， 它
电磁 场 中 聚 焦 、 象 转 等 的 规 律 ，它 的 理 论 在 电子 和 离 子 光 学 发展 历 史 上 ，象差 理 论 一 直 成 偏
・¨●・
３ 近 年 来 扫 描 束 电 子 光 学 的 最 新 发 展 集 中 ．
偏 致 力于 研 究 电子 和 离 子 光 学 的 象 差 ． 大 家 知 在 电磁 聚 焦 一 转 复 合 系 统 的 研 究 和 应 用 方 面 ．
１ 本文 介绍 的研 究成 果 于 ｌ８ 年 获第三 次屋 家 宜 熟 科 ） ９７ 学奖 四等 奖．
光 学 透 镜 系 统 的 球 差和 色 差 不 可 能 消 除 ， 此 ， 园
长 期 以 来 人 们 致 力 于 寻 找 其 他 途 径 来 实现 电子
束 聚焦 成 象 ． 于 是 ，非 旋 转 对 称 的 电磁 多 极 系 统 便应 运 而 生． 作 者研 究 了 电磁 多 极 系 统 的 象 差 理 论“ ， 导 了 电子 显 微 镜 中 六 极 透 镜 与 圆 推 形 透 镜 复合 系 统 的 象 差 ， 证 明 了运 用 六 极 透 镜 可 消 除 三 级 球 差． 作 者 与 美 国 科 学 院 院 士 Ａ ．Ｃ ｅ ．Ｖ ｒｗｅ 教 授 合 作 ， 文 献 ［ ０ １ 】 在 １ ， １ 中讨 沦 了 六 极 透 镜 与 圆 形 透镜 复 合 系 统 的 轴 外 象 差 与
弯 曲 轴 的 电子 和 离 子 光 学 系统 ，它 们 具有 特 殊 成 电 路 和 超 高速 电子 计算 机 的 生 产 中 将 起 重 要 的 质 量 分 散 和 能 量 分 散 性 质． 作 者 发 展 了 粒 子 作 用 ． 作 者 从 七 十 年 代 以 来 开 展 了 电磁 聚 焦 一 谱 仪 中 环 形 电 场 和 非 均 匀 磁场 正 交 重 叠 场 的 离
５ 电子 光 学 理 论 已 经证 明 了 旋转 对 称 电子 ．
［ ３】 ｆ 目】 ｆ ５】 ｆ ６】 ［ ７】 ［ ８】 【 ９】 『 ０ １１
［１ 西 门 纪 业 ， 子 和 高 子 光 学 原 理 厦 象 差 导 论 ，科 学 出 版 】 电
牡，Ｉ （ ９略）． ［ ｘｉ ｔ ｉ 。 Ａｂｅ ａ ｌｎ ２】 ｍ ｎ Ｊ ｙｅ ¨ 【０ Ｔｈ ｏ ｙ ｉ 耳ｔｃ ０ ￣ ｒ ｎ ｅｔ ｎ ｒ
子 显 微 镜 质 谱 仪 、 谱 仪 ） 器 件 （ 子 束 管 和 能 、 电
ห้องสมุดไป่ตู้
象 管 ）装 置 （ 、 电子 和 离 子 束 曝 光 机 ） 设 计 研 的 对 于 轴线 的 斜 率 都 很 小 ） 而 宽 束 电子光 学 器 件 均 有 指 导 意 义． 本 项 目 已经 在 国 内 有 关 高 等 学 ， （ 变 象 管 和 象 增 强 管 ） 电 子 束 却 满 足 与 前 不 校 、 究 所 的 电 子 离 子光 学 教 学 、 研 工 作 中 得 如 中 研 科 同 的 近 轴 条 件 （ 离 轴 距 离 很 小 ， 横 向 速 度 也 到 了 推 广 应 用 并 发 挥 了 作 用 ． 展 望 电 子和 离 子 即 且 很 小 ） 因 此 ， 传 统 的 电子 光 学 文 献 中 ， 们 认 光 学 未 来 的 发 展 ，作 者 预 期 在 多 学 科 交叉 渗 透 ． 在 人 为 细 束 和 宽 束 电子 光 学 系 统 是 极 其 不 同 的 两 种 的 基 础 上 将 进 一 步 建 立 起 电 子和 离 子 光 学 的 新 类型 ， 而采 用很不相 同的方法 来计算象 差 ． 从 作 理 论 和 新 体 系 ． 者 于 １ ５ 年 首 次 建 立了 电磁 聚 焦 阴极 透 镜 三 ９７ 级 象 差 的 严 格 理 论 ． 最 近 我 们 在 文献 ［ 】中 ８ 从 普 遍 的 变 分 原 理 出 发 ，发 展 了 适 用于 细 束 和 宽 束 的 广 义 电子 光 学 象 差 理 论 ，确 立 了 两 者 之 间 的 转 换 关 系． 这 一理 论 推 广 了 电子 光 学 奠 基 人 Ｗ ．Ｇｌｓｒ的 象 差理 论 ， 用于 各 种 广 泛 类 ａｅ 适 型 的 细 束 、 束 电 子 光 学 仪 器 器件 的 设 计 ． 宽