Částicová optika (FSI-TCO)

Akademický rok 2022/2023
Garant: prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc.  
Garantující pracoviště: ÚFI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem kurzu je umožnit studentům prohoubit si znalosti funkcí nejdůležitějších technologických přístrojů používaných v oblasti fyziky povrchů a pevných látek.
Výstupy studia a kompetence:
Prohloubení znalostí o chování nabitých částic v elektromagnetických polích. Přehled použití elektronových a iontových čoček a spektrometrů využívaných současnými moderními technologiemi a jejich aplikace.
Prerekvizity:
Znalosti elektromagnetismu na úrovni učebnice HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - WALKER, J.: Fyzika, VUTIUM, Brno 2001.
MATEMATIKA: Základy vektorové analýzy.
Obsah předmětu (anotace):
Kurz se zabývá problematikou optiky nabitých částic ve fokusačních a vychylovacích
systémech a spektrometrech. Jsou charakterizovány zdroje elektronů a iontů, optické prvky a systémy přístrojů a zařízení využívající svazky nabitých částic. Kromě praktického provedení jednotlivých prvků částicově optických systémů je důraz kladen také na teorii zobrazení a vad těchto systémů tak, aby studenti byli schopni efektivně využívat prostředky pro návrh těchto systémů.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:
Aktivní účast na cvičení, zpracování příkladů a protokolu. Zkouška je ústní a skládá se ze dvou otázek z předem zadaného seznamu, k třicetiminutové přípravě je možno použít jakoukoliv literaturu včetně vlastních poznámek z přednášek.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Povinná účast na cvičeních, písemné zpracování příkladů. Protokol o výpočtech elektronových čoček prostřednictvím programu EOD.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Cvičení  7 × 2 hod. povinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  6 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška Přehled přístrojů využívajících svazky nabitých částic pro studium složení a struktury látek.
Vlnové a relativistické vlastnosti částic. Pohybová rovnice pro nabité částice v elektrických a magnetických polích.
Kvalitativní popis elektrostatické a magnetické čočky a deflektoru.
Rozvoj potenciálu v blízkosti osy. Realizace multipólů pro částicovou optiku.
Obecné vyjádření rovnice trajektorie, paraxiální rovnice pro rotačně souměrnou a kvadrupólovou čočku, vlastnosti čočky s vychylovacími systémy.
Optické vady systémů v částicové optice.
Transport částic - použití maticového popisu.
Základní numerické metody výpočtu rozložení potenciálu a jejich charakteristika.
Zdroje elektronů a iontů. Základní vlastnosti a použití.
Rastrovací elektronový mikroskop - princip tvorby obrazu, hloubka ostrosti, závislost proudu ve stopě na velikosti stopy. Elektronový litograf.
Prozařovací mikroskop - konstrukce a parametry, tvorba obrazu a kontrastu, difrakce, rastrovací prozařovací mikroskop.
Elektronové a iontové spektrometry - základní typy a vlastnosti.
    Cvičení Pohyb elektronu v homogenním elektrickém a magnetickém poli
Odvození rovnice trajektorie a paraxiální rovnice
Rozvoj potenciálu v blízkosti osy
Geometrické vady 3. řádu elektrostatické a magnetické čočky
Sférická vada magnetické čočky
    Cvičení s počítačovou podporou Aberační polynom - znázornění vad, vlastnosti jednotlivých vad a možnosti jejich potlačení. Velikost stopy - rozlišení
Metoda konečných prvků - ukázka řešení 1D elektrostatického pole
Úvod k programu EOD (Electron Optical Design)
EOD - elektrostatická čočka: design čočky, fokusace, výpočty vad
EOD - magnetická čočka, deflektory
Práce na projektu
Literatura - základní:
1. M. Lenc, B. Lencová: Optické prvky elektronových mikroskopů. Metody analýzy povrchů. Elektronová mikroskopie a difrakce. (L. Eckertová, L. Frank ed.), Academia 1996.
2. B. Lencová, M. Lenc: Optika iontových svazků. Metody analýzy povrchů. Iontové, sondové a speciální metody. (L. Frank, J.Král, ed.), Academia 2002, 65-103.
3. B. Sedlák, I. Štoll: Elektřina a magnetismus. Academia 1993.
4. J. Orloff (ed.), Handbook of Charged Particle Optics. CRC Press, 2008.
5. L. Reimer, Scanning Electron Microscopy (2nd ed.), Springer,1998
6. D. B. Williams, C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy (2nd ed.), Springer, 2009
Literatura - doporučená:
1. V. Hulínský a K. Jurek: Zkoumání látek elektronovým paprskem. SNTL 1982.
2. B. Urgošík: Dynamické hmotové spektrometry. SNTL 1972.
3. S. Humphries, Jr.: Charged Particle Beams. J. Wiley 1990.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 5 Povinný 1 1 Z
N-PMO-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 5 Povinný 2 2 Z
N-FIN-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 5 Povinný 2 2 Z