專利名稱：一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法及裝置的制作方法
一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法及裝置技術領域
本發(fā)明屬于電子光學領域，特別涉及電子束團與粒子束技術。
技術背景
隨著超短激光技術的發(fā)展，研究人員已經獲得了具有幾個光周期寬度的激光脈 沖；但是，超快測量技術相對落后(尤其是在X射線波段)，已經嚴重阻礙了要求具有 高時間分辨的研究工作的進展，其中包括軟X射線高次諧波測量、飛秒電子衍射、同步 輻射加速器技術和超快光生物現象等。近幾年傳統的X射線條紋相機的時間分辨率已 經提高到約 300fs，如 Appl.Phys.Lett.87, 041103 (2005)的由 Mahendra Man Shakya and Zenghu Chang,撰寫的論文"Achieving 280fs resolution with a streak camera by reducing the deflection dispersion"，這些實驗結果是通過提高變相管陰極和柵極之間的場強來減小電 子渡越時間彌散實現的；但是陰極和柵極之間的場強不可能很高，否則將產生陰極材料 表面電子發(fā)射引起的高壓擊穿。為了補償變相管陰極和柵極之間的電子渡越時間彌散， 本項目將對腔型結構的電子束時間壓縮和時間準直器進行理論和實驗研究，同時這種方 法對在陰極和柵極之間空間電荷效應所引起的電子束團時間展寬也能起到補償作用。
在國際上，目前主要采用兩種方法對電子渡越時間彌散進行補償或壓縮，一是 采用電子單色儀對電子初能量分布進行限制和補償(見P.A.Jaanimagi，SPIE Vol.5194, 171(2004))，從而達到減小電子渡越時間彌散，這種方法要求電子單色儀具有很高的能 譜分辨率，這種方法的實質是將獲得高時間分辨的難度轉嫁到獲得高的能譜分辨的難 度上，這樣就對實驗工作帶來了很大的困難，因此，采用這種方法目前在實驗上還沒 有取得進展，僅限于理論分析和數值模擬；二是采用隨時間變化的電場對電子束的一 次彌散進行補償壓縮[5](或稱電子束的時間聚焦)(見M.A.Monastyrski，S.V.Andreev, D.E Greenfoed，V.A.Tarasov and M.Ya.Schelev, SPIE Vol.4948, 305 (2003) ) 近年 來，隨著高速電電子學技術的發(fā)展，使該項技術的研究成為可能(見J.Liu，B.Shan and Z.Chang, Rev.Sci.Instram.，69，3066， (1998)禾Π J.Liu, X.Zhang, Lli，W.Peng, Q.Yang and H.Niu，27th International Congress on High-Speed Photography and Photonics, Proc.of SPIE Vol.6279, 62790G-1，2007)；該方法在同步輻射加速器中對電子束流時 間寬度壓縮的實驗中得到了一些應用，獲得了壓縮后的高能電子束團(MeV)的時間 寬度約 130fs，(見 Kenneth N.Ricci and Todd I.Smith, PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS-ACCELERATORS AND BEAMS, VOLUME 3，032801(2000))但是對于電 子能量分布小于幾個eV、電子能量為5keV-50keV的較低能量電子束團的時間寬度 壓縮技術，在理論和實驗上尚未建立(見Bao-Liang Qian and Hani E.Elsayed-Ali， PHYSICALREVIEW Ε, VOLUME 65，046502，2002)。
在國內，根據我們掌握的材料，在飛秒時間段對電子束團的時間補償壓縮技 術方面主要有兩家單位進行該方面的研究工作。一是北京理工大學的研究小組采用了“直接積分方法”，在理論上分析了電子圖像的時間畸變；(見Lhvei Zhou, Yuan Li，Zhiquan Zhang, 26th International Congress on High-Speed Photography and Photonics, Proc.of SPIE Vol.5580, 710，2006.) 二是深圳大學研究小組提出了 一種腔型結構的電子 束時間壓縮和時間準直器，并在理論上對其進行了初步的分析(見ILiu，L.Niu, J.Li， J.Shi, H.Liao, W.Peng, Q.Yang and H.Niu，27th International Congress on High-Speed Photography and Photonics, Proc.of SPIE Vol.6279, 627921-1, 2007) 在超短脈沖的產 生和測量方面，我國有多家研究單位和高校進行相關方面的研究和應用；例如中國科 學院物理所從事飛秒電子衍射方面的研究工作，西安光機所從事超快診斷方面的研究工 作，中國工程物理研究院和上海光機所從事強場物理方面的研究工作，高能物理研究所 從事束流診斷方面的研究工作。
申請人多年從事變相管診斷技術方面的研究工作，獲得了 X射線變相管條紋相 機的積分時間分辨率為600fs的結果(見ILiu，J.Wang, B.Shan, C.Wang and Z.Chang, Appl.Phys丄ett.82，3553(2003)；在2006年在國際會議上首次提出了一種新型的腔型 結構的電子束團時間壓縮與時間準直系統(見Bao-Lkng Qian and Hani E.Elsayed-Ali， PHYSICALREVIEW E，VOLUME 65，046502，2002)，并進行了理論數值分析；同時申 請人在高壓超快電脈沖具有一定的技術儲備(見J.Liu，X.Zhang, L.Li, W.Peng, Q.Yang and H.Niu, 27th International Congress on High-Speed Photography and Photonics, Proc.of SPIE Vol.6279, 62790G-1，2007)。但是沒有提供能夠獲得時間分辯率小于150fs的時間 壓縮器和準直器。發(fā)明內容
為了補償變相管陰極和柵極之間的電子渡越時間彌散，本發(fā)明對腔型結構的電 子束團時間壓縮和時間準直器進行理論和實驗研究。提供一種時間聚焦的方法、準直方 法和實現該方法的聚焦和準直的裝置。
本發(fā)明為了實現其技術目的所采用的技術方案是一種超短電子束團時間聚焦 和時間準直方法，在真空環(huán)境的腔形結構內實現時間范圍在納秒到皮秒范圍內的超短電 子束團時間聚焦和時間準直，包括以下步驟
A、對組成所述的超短電子束團中的電子進行第一次速度調整，將組成超短電子 束團中的電子的速度調整為從前到后依次遞加；
B、經過步驟A調整速度后的超短電子束團在真空環(huán)境的腔形結構內內繼續(xù)向前 移動一設計距離，使所述的超短電子束團的聚焦程度達到設計要求；
C、對經過步驟B的聚焦程度達到設計要求的超短電子束團進行第二次速度調 整，使所有的組成超短電子束團各電子的速度相同。
進一步的，上述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法中步驟A中， 所述的超短電子束團具有一定的初速度，對所述的超短電子束團進行第一次速度調整是 按以下步驟完成的
Al、將組成所述的超短電子束團的電子依次從低電壓極向高電壓極穿過聚焦電 極，在所述的超短電子束團穿過所述的聚焦電極時，在所述的聚焦電極之間施加一個斜 坡電脈沖，所述的斜坡電脈沖的電壓根據第一次調整所述的超短電子束團中電子速度的 要求逐漸升高。
進一步的，上述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法，步驟B中，在 真空環(huán)境的腔形結構內中，組成超短電子束團的電子移動完設計距離后，超短電子束團 時間聚焦符合要求。
進一步的，上述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法中步驟C中， 對組成所述的超短電子束團中的電子進行第二次速度調整是按以下步驟完成的
Cl、將組成所述的超短電子束團中的電子從高電壓極向低電壓極穿過準直電 極，在超短電子束團穿過所述的準直電極時，在所述的準直電極之間施加一個斜坡電脈 沖，所述的斜坡電脈沖的電壓根據目前組成所述的超短電子束團中各電子的速度情況逐 漸升高，使穿過所述的準直電極的超短電子束團中的各電子速度相同。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置，包括 在一個真空空腔內沿電子束團前進方向依次設置的時間聚焦器和時間準直器組成的腔形 結構，還包括斜坡電脈沖發(fā)生器，所述的時間聚焦器和時間準直器之間相隔一設計距 罔；
所述的時間聚焦器包括時間聚焦器接地電極和時間聚焦器脈沖電極，在時間聚 焦器接地電極和時間聚焦器脈沖電極之間連接所述的斜坡電脈沖發(fā)生器的斜坡電脈沖輸 出端；
所述的時間準直器包括時間準直器脈沖電極和時間準直器接地電極，在時間準 直器脈沖電極和時間準直器接地電極之間連接所述的斜坡電脈沖發(fā)生器的斜坡電脈沖輸出端。
進一步的，上述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置中所述的真空 空腔為圓柱體形。
進一步的，上述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置中所述的時間 聚焦器接地電極和時間聚焦器脈沖電極、時間準直器脈沖電極和時間準直器接地電極均 為圓形電極。
進一步的，上述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置中所述圓形電 極中間設置有圓孔或者狹縫或者柵網。
進一步的，上述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置中所述的時間 聚焦器接地電極和時間聚焦器脈沖電極之間的距離是5mm，時間準直器脈沖電極和時間 準直器接地電極之間的距離是5mm。
進一步的，上述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置中所述的時間 聚焦器和時間準直器之間相隔一設計距離為20mm。。
本發(fā)明在由時間聚焦和時間準直器的四個電極組成的腔形結構內電子束團的時 間寬度壓縮到200fs，時間壓縮比達到3 1。
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作較為詳細的描述。


圖1為本發(fā)明的超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置結構示意圖。
圖2為初始狀態(tài)時電子束團的分布狀態(tài)和能量分布示意圖。
圖3為經過時間壓縮器后并在自由空間運動一特定距離后電子束團的分布狀態(tài)和能量分布示意圖。
圖4為在準直器輸出電極后的電子束團的分布狀態(tài)和能量分布示意圖。
說明圖中虛線方框中部分為本實施例1中的腔型電子時間壓縮器和時間準直 器，FP:飛秒紫外光脈沖，PC:光陰極，GA:時間壓縮器接地電極，TCl:時間壓 縮器脈沖電極，EB:電子束團，TC2:時間準直器脈沖電極，GB:時間準直器接地電 極，EP:斜坡電脈沖，DP:偏轉板，PS:熒光屏。
具體實施方式
實施例1，如圖1所示，本實施例是一種實現時間范圍在納秒到皮秒范圍內的超 短電子束團時間聚焦和時間準直的裝置，超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置，包括 在一個真空空腔(圖中虛線框內部分)內沿電子束團EB前進方向依次設置的時間聚焦 器和時間準直器、斜坡電脈沖EP發(fā)生器，時間聚焦器和時間準直器之間相隔一設計距離 L。
時間聚焦器包括時間聚焦器接地電極GA和時間聚焦器脈沖電極TC1，時間聚焦 器接地電極GA和時間聚焦器脈沖電極TCl之間的距離為5_，在時間聚焦器接地電極 GA和時間聚焦器脈沖電極TCl之間連接所述的電脈沖EP發(fā)生器的電脈沖EP輸出端。
時間準直器包括時間準直器脈沖電極TC2和時間準直器接地電極GB，時間準直 器脈沖電極TC2和時間準直器接地電極GB之間的距離為5_，在時間準直器脈沖電極 TC2和時間準直器接地電極GB之間連接所述的電脈沖EP發(fā)生器的電脈沖EP輸出端。
在聚焦器接地電極GA的外則，設置有一個光陰極PC，光陰極PC與作為聚焦 器接地電極GA的陽極之間加入IOkv電壓，當向光陰極PC發(fā)射一個飛秒紫外光脈沖FP 時，光陰極PC上將會產生一團電子束團EB，當控制飛秒紫外光脈沖FP時，可使電子束 團EB成為時間范圍在納秒到皮秒范圍內的超短電子束團EB，該電子束團EB中的電子分 布圖和能量分布圖如圖2所示，電子束團的時間范圍為186fs。這里陰極和陽極之間的距 離是1mm，當該電子束團EB穿過從陰極到陽極的這Imm時，每個電子將獲得IOOOOeV 的能量，然后，從聚焦器接地電極GA中間的圓孔中進入間聚焦器接地電極GA和時間聚 焦器脈沖電極TCl之間，在時間準直器脈沖電極TC2和時間準直器接地電極GB之間， 電子束團中的各電子的速度進行了調整。為了使電子束團能穿過電極，本實施例中時間 聚焦器接地電極GA和時間聚焦器脈沖電極TC1，時間準直器脈沖電極TC2和時間準直 器接地電極GB均為圓形電極，在其圓心處設置供電子束團EB穿過的圓孔，在實際應用 中，電極也可以有其它開關，在電極中設置的供電子束團穿過的機構也可以是狹縫或者 柵網。電子束團在時間聚焦器接地電極GA和時間聚焦器脈沖電極TCl通過斜坡電脈沖 EP再次加速，使電子束團EB中，從位于前面電子到位于后面的電子都進行加速，使電 的速度從位于前面電子到位于后面的電子依次遞加，其遞加速度分布如圖3所示，通過 速度調整后的電子束團EB穿過時間聚焦器脈沖電極TCl中間的圓孔后進入到一個自由空 間中，在自由空間繼續(xù)前進20mm，此時，在電子束團中處于稍后面的電子由于速度較徜 前面的電子的大，因此，后面的電子向前追前面的電子，使電子束團EB更加緊密，如圖 1所示，電子具體分布和能量分布如圖3所示，此時，電子束團的時間范圍為50fs，電子 束團EB繼續(xù)前進，在時間準直器脈沖電極TC2中間的圓孔中進入到時間準直器脈沖電極TC2和時間準直器接地電極GB2之間進行第二次速度調整，時間準直器脈沖電極TC2和 時間準直器接地電極GB2之間的距離是5mm，此時，是對電子束團EB中的所有電子進 行減速，使電子束團EB中的所有電子的速度接近相同，實現時間準直。此時，電子束 團分布圖和電子束團能量分布圖如圖4所示。通過時間聚焦和時間準直后的電子束團EB 繼續(xù)前進，通過兩個偏轉板DP之間，電子束團最后在熒光屏PS上顯示。
下面對本實施例的可行性進行分析。
1、時間壓縮和時間準直的原理可行性分析
為了簡化分析起見，我們假設電子是軸向運動的，當電子在運動中受到隨時間 變化的電場作用時，電子的渡越時間中ο,、/ ,ζ)可以用微擾理論來表示[5]
t(t0,拭，z) = t(z) + B1 (z)t0 + B2 {ζ)4ε~ζ +...(1)
其中^是電子運動的初始時刻并具有軸向能量εζ，ζ是電子在軸上運動的軌跡 坐標，t(ζ)是在to = 0時刻和初能量ε z = 0時電子的渡越時間，B1(Z)和B2(Z)是和電 場有關的系數；在靜電場情況下，電子束團團的渡越時間彌散可
表示為
At = t(t0,灰,ζ) - t{z) = t0- J—V^ +. ·.K e(2)
其中Etl是電場強度，m，e分別是電子質量和電量。從(2)式可以看出1)在 靜電場中運動的電子束團將保持其時間結構；幻在靜電場中一次電子渡越時間彌散(在 (2)式中右邊的第二項)是不可避免的。
如果電場是隨時間變化的，在這種情況下是否存在一個特定的隨時間變化的 場，使系數B1 (ζ)和B2 (ζ)在某個時刻趨近于零，那么電子束團的一次彌散將被減小， 束團的時間寬度得到壓縮，這樣的電場是存在的。見M.A.Monastyrski，S.V.Andree， D.E.Greenfied, V.A.Tarasov and M.Ya.Schelev, SPIE Vol.4948, 305(2003)。
當電子束團實現了時間壓縮或稱時間聚焦之后，我們可以通過第二個隨時間變 化的電場對電子束團實現時間準直，實現時間準直后所有電子在傳輸方向的能量將相 同，那么再經過傳輸后，電子束團將不會在時間寬度上展開。時間壓縮器和時間準直器 構成一個腔型結構，這樣腔內的隨時間變化的電場不會影響到腔外電子的運動。
2、時間壓縮和時間準直器的可行性分析
總體結構如圖1所示，為了在實驗上能夠評價時間壓縮器和準直器，我們將腔 型的時間壓縮器和準直器引入到變相管中如圖1中虛線部分。當光輻射信號入射到光陰 極上發(fā)出光電子，光電子被陰極和陽極之間的高電場加速(IOkV)，陰極和陽極之間的距 離是1mm，此時，電子束團的每個電子的動能都是lOOOOev，具有狹縫結構的陽極板接 地，同時陽極板作為時間壓縮器輸入電極GA，它和時間壓縮器輸出電極TCl之間的距 離是0.5mm ；時間壓縮器輸出電極GA和輸入電極TCl構成一個共面波導傳輸線結構， 使其能夠支持寬帶超快斜坡電脈沖信號EP ；超快斜坡電脈沖和壓縮器輸出電極TCl相連 接，如果斜坡電脈沖的前沿時間和電子渡越時間相等，那么電子束團離開壓縮輸出電極 TCl后將經歷一個漂移過程；進入時間壓縮加速場的電子獲得的能量增加和它進入加速 場的時間成正比，通過加速場后低能電子的能量將超過原來的高能電子，因此經過一段距離的漂移L電子束團EB在陰極和陽極間產生的渡越時間彌散就會得到補償。由于在 系統中有多個狹縫對電子束團進行空間準直，所以不需要電子束團的空間聚焦系統。
電子時間準直器也由兩個具有狹縫的電極板組成一個共面波導結構，另一個超 快斜坡電脈沖加到其輸入極，這樣在該兩個電極之間就形成一個隨時間變化的減速場； 兩個超快斜坡電脈沖在時間上有一定的延遲，其延時量等于電子在L的漂移時間；時間 準直器的輸入電極有一個直流電壓偏置，它和第一個超快斜坡電脈沖頂部電壓相等，從 而保證了電子在Ll的運動是一個無電場的漂移；時間準直器的輸出電極接地；電子束團 進入時間準直器經歷一個減速過程，獲得的能量減小和它進入減速場的時間成正比，通 過減速場后所有電子的能量將相等，因此不會產生新的電子渡越時間彌散。最后電子束 團立即進入加有超快掃描電脈沖的行波偏轉器將電子束團在時間上的分布轉換成空間分 布，并通過微通道板MCP增益成像在熒光屏上。
條紋相機的物理時間分辨率可以表示為
權利要求
1.一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法，在真空環(huán)境的腔形結構內實現時間 范圍在納秒到皮秒范圍內的超短電子束團時間聚焦和時間準直，其特征在于包括以下 步驟A、對組成所述的超短電子束團中的電子進行第一次速度調整，將組成超短電子束團 中的電子的速度調整為從前到后依次遞加；B、經過步驟A調整速度后的超短電子束團在真空環(huán)境的腔形結構內內繼續(xù)向前移動 一設計距離，使所述的超短電子束團的聚焦程度達到設計要求；C、對經過步驟B的聚焦程度達到設計要求的超短電子束團進行第二次速度調整，使 所有的組成超短電子束團各電子的速度相同。
2.根據權利要求1所述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法，其特征在于 步驟A中，所述的超短電子束團具有一定的初速度，對所述的超短電子束團進行第一次 速度調整是按以下步驟完成的Al、將組成所述的超短電子束團的電子依次從低電壓極向高電壓極穿過聚焦電極， 在所述的超短電子束團穿過所述的聚焦電極時，在所述的聚焦電極之間施加一個斜坡電 脈沖，所述的斜坡電脈沖的電壓根據第一次調整所述的超短電子束團中電子速度的要求 逐漸升高。
3.根據權利要求1所述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法，其特征在于 步驟B中，在真空環(huán)境的腔形結構內中，組成超短電子束團的電子移動完設計距離后， 超短電子束團時間聚焦符合要求。
4.根據權利要求1所述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法，其特征在于 步驟C中，對所述的超短電子束團進行第二次速度調整是按以下步驟完成的Cl、將組成所述的超短電子束團中的電子從高電壓極向低電壓極穿過準直電極， 在超短電子束團穿過所述的準直電極時，在所述的準直電極之間施加一個斜坡電脈沖， 所述的斜坡電脈沖的電壓根據目前組成所述的超短電子束團中各電子的速度情況逐漸升 高，使穿過所述的準直電極的超短電子束團中的各電子速度相同。
5.一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置，包括在一個真空空腔內沿電子束團 (EB)前進方向依次設置的時間聚焦器和時間準直器組成的腔形結構，其特征在于還包 括斜坡電脈沖(EP)發(fā)生器，所述的時間聚焦器和時間準直器之間相隔一設計距離(L)；所述的時間聚焦器包括時間聚焦器接地電極(GA)和時間聚焦器脈沖電極(TCl)， 在時間聚焦器接地電極(GA)和時間聚焦器脈沖電極(TCl)之間連接所述的斜坡電脈沖 (EP)發(fā)生器的斜坡電脈沖(EP)輸出端；所述的時間準直器包括時間準直器脈沖電極(TC2)和時間準直器接地電極(GB)， 在時間準直器脈沖電極(TC2)和時間準直器接地電極(GB)之間連接所述的斜坡電脈沖 (EP)發(fā)生器的斜坡電脈沖(EP)輸出端。
6.根據權利要求5所述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置，其特征在于 所述的真空空腔為圓柱體形。
7.根據權利要求6所述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置，其特征在于 所述的時間聚焦器接地電極(GA)和時間聚焦器脈沖電極(TCl)、時間準直器脈沖電極 (TC2)和時間準直器接地電極(GB)均為圓形電極。
8.根據權利要求7所述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置，其特征在于 所述的圓形電極中間設置有圓孔或者狹縫或者柵網。
9.根據權利要求8所述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置，其特征在于 所述的時間聚焦器接地電極(GA)和時間聚焦器脈沖電極(TCl)之間的距離是5mm，時 間準直器脈沖電極(TC2)和時間準直器接地電極(GB)之間的距離是5mm。
10.根據權利要求5所述的一種超短電子束團時間聚焦和時間準直裝置，其特征在 于所述的時間聚焦器和時間準直器之間相隔一設計距離(L)為20mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超短電子束團時間聚焦和時間準直方法及裝置，該方法公開一種在腔形結構內，電子束團通過對前面電子束團加速度小而對后面電子束團加速度大，并經過一特定距離后，電子束團中后面的電子趕上前面的電子，實現時間壓縮，此時再對該電子束團進行減速，前面的電子減速度小后面的電子減速度在，使電子運動速度相當實現時間準直。不均勻加速后，本發(fā)明將電子束團團的時間寬度壓縮到200fs，時間壓縮比達到3∶1。
文檔編號H01J23/08GK102024651SQ201010507338
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權日2010年10月13日
發(fā)明者劉進元, 龍井華 申請人:深圳大學