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* 束流光学

第一节课:绪论 中国科学技术大学国家同步辐射实验室 陈念 * 关于教材 电子版下载http://staff.

ustc.edu.cn/~chennian/ Email: [email protected] * 关于成绩 平时成绩:作业及点名,占总成绩50%考试成绩:期末成绩,占总成绩50% * 学什么 物理概念核心公式结论,如何得到核心公式结论,如何使用课程目的:使学生能够从事与束流有关学科的教学、科研、设计生产、运行等工作,为这些学生在这些领域运用和发展束流动力学理论打下良好的基础 * 课程主要内容

0 绪论 (+)

1 电子在轴对称场中的运动2 电子透镜3 有关像差的基本概念4 非轴对称电子光学器件5 宽束和强流电子光学简介6 场与轨迹方程的数值解7 束流传输理论的主要问题8 束流传输元器件和对应的传输矩阵9 组合系统设计10误差与非理想场 课程主要内容 *

0 绪论 绪论0.1 束流光学的研究对象0.2 束流横向运动的一些基本概念0.3 电子光学与束流传输理论各自的特点0.4 生束流光学与几何光学的相似性0.5 课程内容简介 *

1 电子在轴对称场中的运动 第1章 电子在轴对称场中的运动 1.1 轴对称电场和磁场 1.2 电子在轴对称电场中的运动(高斯轨迹方程)1.3 电子在轴对称电磁场中的运动(布许定理)1.4 横向运动线性方程的解的矩阵形式 1.5 传输矩阵与相空间、发射度和包络(刘维尔定理) *

2 电子透镜 第2章 电子透镜 2.1 电子透镜概述 2.2 电子透镜主要参量和传输矩阵、场分布 2.3 常用静电透镜简介 2.4 常用磁透镜简介 2.5 电子透镜应用举例 *

3 有关像差的基本概念 第3章 有关像差的基本概念 3.1 像差概述 3.2 几何像差 3.3 色差和其他像差 *

4 非轴对称电子光学器件 第4章 非轴对称电子光学器件 4.1 偏转系统 4.2 四极透镜 4.3 静电柱面透镜 *

5 宽束和强流电子光学简介 第5章 宽束和强流电子光学简介 5.1 宽电子束及其聚焦成像 5.2 强流中的空间电荷效应 5.3 强流电子束的成形和维持 *

6 场与轨迹方程的数值解 第6章 场与轨迹方程的数值解 6.1 差分法计算场分布 6.2 有限元法计算场分布 6.3 实验、测量法确定场分布 6.4 电子运动轨迹的计算 *

7 束流传输理论的主要问题 第7章 束流传输理论的主要问题 7.1 概述 7.2 曲轴正交坐标系及磁场、轨迹方程表达式 7.3 多维相空间和传输矩阵 *

8 束流传输元器件和对应的传输矩阵 第8章 束流传输元器件和对应的传输矩阵 8.1 概述及标准运动方程的解 8.2 四极透镜和其他有恒定横向磁场的直线型元件 8.3 弯转磁铁及其边缘场 8.4 色散函数和包络函数 *

9 组合系统设计 第9章 组合系统设计 9.1 概述 9.2 消色散系统及其他与纵向运动有关的组合系统 9.3 发射度匹配和组合系统设计计算 * 10误差与非理想场 第10章 误差与非理想场 10.1 概述 10.2 线性误差和非理想场 10.3 非线性效应 * 绪论 §1 束流光学的研究对像§2 束流横向运动的一些基本概念§3 电子光学与束流传输理论的各自特点§4 束流光学与几何光学的相似性§5 简介课程内容 * §1 束流光学的研究对象 束流: 束流 本课程指带电粒子流,粒子能够组成束流,意味着大量粒子在进行基本上整体有序的运动.束流光学(Beam Optics):是处理带电粒子流在电磁场中的运动的理论,隶属束流动力学,而束流动力学又隶属束流物理学.束流的应用:例如:粒子加速器、电子束器件(显像管、示波管等)、科学仪器(能谱仪、电子探针、质谱仪等)、微波电真空器件(速调管等)、其他电子束与光的转换、重大新技术(受控热核反应、自由电子激光等)、束流加工技术(电子束打孔、集成电路生产等)、无损探伤手段、癌症治疗、放射性核素生成、粒子束武器等等.束流物理学: 束流物理学 是近代物理学的一个分支,它研究束流的形态和运动规律、束流与电磁波(包括光)的相互作用和能量转换、束流与物质的相互作用、束流内部粒子之间及与/通过环境(所产生的电磁场)的相互作用,束流转换成其他束流或者中性粒子流的过程,等等.束流动力学:束流物理学中关于束流运动的部分的内容. 束流的应用(粒子加速器) 束流的应用(电子束器件) 束流的应用(电子束器件) 电子显微镜 质谱仪 束流的应用(微波电真空器件) 行波管 束流的应用(电子束与光的转换) 光电管 * §1 束流光学的研究对象 束流光学研究对象:束流光学是束流动力学和束流物理学最基本的部分.其任务主要是研究如何利用能产生某种电场和/或磁场的器件控制束流的运动,使之按使用者的要求传输.其侧重点不在粒子能量的变化(纵向运动),而在于约束粒子的轨迹(横向运动),使束流偏转、会聚、发散、成形、成像或满足其他要求.之所以称 光学 是历史形成的,主要是对束流运动的要求和设计光学系统时对光束的要求相似. 电磁透镜 、 色散 等名词的来源亦在于此. * §2 束流横向运动的一些基本概念 基本方程:单个粒子的状态用三维空间的三个位置坐标和动量的三个分量表示,共6个自由度.其 状态 与六维 相空间 中一个点对应.其运动方程是状态随时间t的变化关系.基本方程就是洛伦兹公式和位置动量关系: 以上方程可求解,因此,粒子在磁场中的运动可解,其任一时刻的状态由电磁场分布和初始状态唯一确定.(由此可见,束流动力学的基础是经典理论力学而非量子力学)理想粒子:称具有 理想 初始状态的粒子为理想粒子;