束流光學的主要研究對象是帶電粒子束流的形態及其在電磁場中的運動規律。用幾何光學的方法研究束流粒子的運動軌跡及束流傳輸的整體性質。粒子束在外場中的運動與光線在媒質中的傳播非常類似，可以把傳輸系統中各個聚焦元件當作一個個光學透鏡來看待。幾何光學中的物理概念如主平面、焦距、物、像、色散等都可以用在這裡。在旁軸近似的條件下，束流光學退化為旁軸光學。這時，不會產生任何幾何相差。然而，旁軸運動只是一種近似，場的高次項從各方面使像變得不完善，產生各種像差，其中最重要的缺陷是球面像差。另外，還有因能散引起的色散像差。當束流的流強很大時，還必須考慮粒子的空問電荷效應對成像的影響，這是束流與光線所不同的地方。
基本介紹
- 中文名：束流光學
- 外文名：Beam optics
- 含義：研究帶電粒子束流的形態及運動
- 套用：工農業生產、醫學
束流光學的研究對象,束流橫向運動的基本概念,束流傳輸設計概述,
束流光學的研究對象
束流光學（BeamOptics）是研究帶電粒子流在電磁場中的運動的理論。
“束流”在本書中指帶電粒子流，它是物質的一種特殊形態。一般地說，粒子組成束流，意味著大量粒子在進行基本上整體有序的運動，其與做熱運動的粒子群的區別，恰似整齊行進中的軍隊與市場上的人群的區別。
束流在現代科學技術中套用廣泛，遍及基礎科學研究的各個分支、工農業生產、醫學、國防和人們的日常生活。例如：
- 粒子加速器，原發粒子流和次級粒子流的收集、傳輸、加速；
- 電子束器件，如顯像管、攝像管、示波管等；
- 科學儀器，如電子顯微鏡、質譜儀、能譜儀、電子探針、離子探針等；
- 微波電真空器件，如行波管、速調管、磁控管等；
- 其他電子束與光的轉換，如X光管、光電管、夜視管、“條紋相機”、切倫柯夫效應、隧道效應等；
- 重大新技術，如受控熱核反應、自由電子雷射、電漿波、各種新加速原理等；
- 束流加工（處理）技術，如電子束打孔、焊接，離子注入、刻蝕，積體電路生產，塑膠變性處理，金屬表面處理，種子、食品、材料的輻照等；
- 無損探傷手段，用於工業探傷、危禁品檢查等；
- 癌症治療和其他醫學診斷、治療；
- 放射性核素生產，核燃料生產；
- 粒子束武器。
束流作為物質運動形態的特殊性，還在於它一般是“人造”的，是“不等待大自然恩賜，而向大自然索取”的好範例，所謂巧奪天工。它是人類在物質結構的深層（或曰微觀世界）認識自然、改造自然的重要武器，近代科學的進步、人民福祉的提高皆與束流密不可分。束流的重要性由以下幾例可見端倪：從19世紀末倫琴射線石破天驚般地打開了原子內層結構的帷幕開始，粒子流的“轟擊”一次次地向我們展示了大自然最深處的奧秘；人們津津樂道於第二次世界大戰中雷達技術扮演的重要角色，說明粒子流加速器及有關技術已不僅是國家綜合國力的象徵，也是國防能力的有效成分；電視、積體電路、計算機顯示器和各種不斷問世的與束流有關的技術產品，正日益成為當代人生活不可一日或缺的伴侶。
束流物理學是近代物理學的一個分支，它研究束流的形態和運動規律，束流與電磁波（包括光）的相互作用和能量轉換，束流與物質的相互作用，束流內部粒子之間及與/通過環境（所產生的電磁場）的相互作用，束流轉換成其他束流或中性粒子流的過程，等等。束流物理學作為獨立學科形成僅四五十年，得名的時間更短，其中關於束流運動的部分稱“束流動力學”或“粒子動力學”。
束流光學是束流動力學（也是束流物理學）最基本的組成部分，其任務主要是研究如何利用能產生某種電場和/或磁場的器件控制束流的運動，使之按使用者的要求傳輸。一般而言，其側重點不在於粒子能量的變化（稱為縱向運動），而在於約束粒子的軌跡（稱為橫向運動），使束流偏轉、會聚、發散、成形、成像或滿足其他要求。
束流光學稱為“光學”是歷史形成的；其原因主要是人們對束流運動的要求與設計光學系統時對光束的要求相似。“電磁透鏡”、“色散”等名詞的來源也在於此。後面將專門談及束流運動規律與光的傳播規律的相似性。
束流光學的基礎是經典理論力學、電動力學和狹義相對論，常用的數學工具包括微積分、微分方程求解、線性代數方法（線上性近似下描述粒子運動和狀態的分布）、複變函數論和數學物理方程（描述場）。
束流橫向運動的基本概念
束流運動是一群狀態大體相同的粒子的運動，
單個粒子的狀態用3維實空間的3個位置坐標和動量的3個分量表示，共6個自由度，其“狀態”與6維“相空間”中的一個點對應。其運動方程是狀態隨時間，的變化關係，基本方程就是洛倫茲公式和位置、動量關係（1個向量方程相當於3個方程）。
上述方程中，P為動量，v為粒子速度。E和B分別是電場強度、磁場強度，e為單位電荷，m是粒子質量。q是粒子的電荷數，以上方程應能求解，故粒子在電磁場中的運動可解，其在任一時刻的狀態由電磁場分布和初始狀態唯一確定（由此可見。束流動力學的基礎是經典理論力學，而非量子力學）。
束流是一群粒子，在相空間中對應於許多點的集合，研究其中心（質心），可得中心軌跡或平均軌跡，更重要的是此集合的集體性質，如相空間中的分布範圍、邊界、密度和體積，有關物理量有：橫向尺寸（u的分布，最大尺寸又名包絡）、包絡的變化趨勢、發散角（u'的分布）、發射度（指相空間中的體積或面積，綜合了u和u'的分布）、邊界曲面、密度分布等。這些量描述了粒子群作為一個集體的橫向不理想程度，
縱向的相應量則有：中心動量、功量分散（能散）、束團長度、縱向密度分布等。
束流物理的常用假設。列舉如下：
- 小量假設，認為不理想程度的標誌如u，u'和a是小量，其高次冪可忽略。
- 單粒子假設，認為粒子相互間、束流與環境間的作用遠小於外加場的作用，予以忽略，粒子的行為如同它足單個粒子，束流中其他粒子仿佛並不存在。
- 理想場假設，忽略外加場的“缺陷”。將電磁場作利於數學處理的簡化。例如，軸對稱假設和區間常數假設，後者設場的參量在元件的有效區間內為常數，而在其邊界上躍變，有時某些常被忽略的因素不可忽略，則藉助下述似設處理之。
- 微擾假設，將該因素視為小量，求原得之解住其“微擾”下的不太大的、與該閃素大致成比例（線性的變化）。
- 衝量假設，將該因素視為短時間或短距離內起作用的“衝撞”，能改變粒子的動量使之躍變而不改變其位置，故軌跡有折轉，但保持連續，
這些假設如皆成立，運動方程一般只包含變數（及其一階、二階導數）的一次項，故為線性方程；不同變數的方程常可以分離，即為無耦合的單變遙方程；方程的常數項為0（對於理想場、單粒子。各變數恆為0是對應於理想粒子的解），即為齊次方程。這種單變鍵的齊次線性二階微分方程可稱為粒子運動的基本方程。
深入的分析常引入與此相異的情形：高階項的影響產生非線性效應，又叫“像差”或“畸變”；場不盡理想時常數項不為0。對應於中心軌跡畸變；存在耦合時不同變數相關；束流較強時，其他粒子的存在不可忽略，其作用稱為“空間電荷效應”。
束流傳輸設計概述
試構想某種帶電粒子束流已從電子槍或離子源中產生，很可能經過前級加速而具備一定的初始能量，將要進入下一級加速器，或被直接利用（“打靶”，進行束流加工或作為探查手段，被測量以提供數據，等等），其間必須經過一段空間—也許幾厘米，也許幾百米，或以千米計。這個空間中必須有真空管線，有使束流彎轉和/或控制束流橫向運動的磁鐵，可能有對縱向運動參數進行調節的元件，還可能有一些測量元件、校正元件、對束流包絡加以限制的元件（類似“光闌”，可能依其用途或形狀稱為“刮束器”、“狹縫”等），等等。所有這些，尤其是那些直接影響束流運動的元件，組成一個“束流傳輸系統”，或稱為束流輸運線。
用束流的“狀態”一詞指其質心的各種參數（位置、方向、動量等）和束流整體圍繞質心的相空間橢球的各種參數（發射度、相橢圓形狀、橫向東斑大小（即包絡）、發散角、變化趨勢、縱向的動量分散，可能還有束團長度等）的總稱。在傳輸系統起點的束流初始狀態假定已知。特別的關心常給予束流在傳輸系統終點的狀態。有時主要是質心位置和束斑的大小，有時關心方向和角度的發散，有時是粒子位置或方向與其動量的關係，有時則以上各項皆在關注之列-束流能否（或有多少能夠）無損失地通過下一段傳輸線，或在下一級加速器中被“俘獲”和被加速?
在整個輸運線中，束流質心的軌跡與包絡大小總是被關心的對象。這涉及輸運過程中是否有束流損失。有時尤其關心動量略有不同的粒子在傳輸中的不同表現，這種不同稱為色散。因為前一級加速後的粒子的動量分散可能比較大，遠大於電子光學中的熱運動初速差，色散常不容忽略。設計者會希望有些地方色散十分小，也可能有的地方希望它足夠大。色散引起的縱向位置差偶爾令人關心。關心測量元件處的束流狀態是自然的—測量結果總該與理論值比較。如有偏差—也許來自初始條件之差，或計算的誤差、機械誤差、電源波動等，使用者應知道如何調整可以克服此種偏差，或者這些調整、即校正元件的參數變化會在其“下游”產生何種效果。假如輸運線中有光闌，那裡的束流狀態如何、裝光闌的目的是否達到亦值得關心……所有這些，就是束流傳輸系統要解決的問題。
