帶電粒子束或團(tuán)可移動時間切片三維成像探測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種針對帶電粒子束發(fā)生和應(yīng)用領(lǐng)域真空設(shè)備中帶電粒子束（團(tuán)）的三維空間結(jié)構(gòu)成像探測方法。該方法采用微通道板（MCP）和熒光屏組成成像探測單元，通過步進(jìn)電機(jī)控制成像探測單元在帶電粒子束的飛行路線上前后移動，通過記錄一定時間內(nèi)到達(dá)成像探測器前表面的帶電粒子數(shù)量及其二維分布情況，實現(xiàn)對帶電粒子束截面的成像探測。通過在MCP上加直流脈沖電壓，可以得到帶電粒子束的時間切片成像，獲得短時間（最短可至10ns級）內(nèi)的帶電粒子變化情況；通過對切片圖像的還原重構(gòu)，可以獲得帶電粒子束（團(tuán)）的三維空間結(jié)構(gòu)。
【專利說明】帶電粒子束或團(tuán)可移動時間切片三維成像探測方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及分子束、離子束及電子束實驗中的帶電粒子檢測及空間分布檢測及評價技術(shù)，特別是在分子束裝置上利用光電離或光解實驗產(chǎn)生的超低溫等離子體的正負(fù)離子及電子空間結(jié)構(gòu)探測方面，本發(fā)明還可以用于分子束外延鍍膜、磁控濺射鍍膜、表面處理、表面研究等涉及離子束或電子束的實驗研究或生產(chǎn)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]帶電粒子束(電子或正負(fù)離子束)的空間探測及分析評價對于分子束裝置中進(jìn)行的光解或者光電離實驗十分重要，在分子束外延鍍膜、磁控濺射鍍膜、材料表面改性及相關(guān)研究中也起著關(guān)鍵作用，對于其他使用離子束(電子束)的實驗也十分必要。目前針對這類實驗的帶電粒子探測技術(shù)方法主要有以下幾種:1)采用MCP或光電倍增管等電子探測器，結(jié)合示波器探測帶電粒子的電信號強(qiáng)度及時間分布，但這些技術(shù)或者不能實現(xiàn)二維探測，只能在某一特定位置觀測帶電粒子的速度分布；2)采用成像型MCP對粒子的速度及強(qiáng)度信息進(jìn)行探測，但這一技術(shù)只能在某一特定位置觀測帶電粒子的二維分布情況；3)離子的吸收成像技術(shù)，適用于中心靜止的帶電粒子團(tuán)的探測，不適用于飛行的粒子，且受限于目前可用的激光器波長，只對于部分離子適用，另外后續(xù)數(shù)據(jù)處理技術(shù)復(fù)雜；4)離子的熒光成像技術(shù)，該技術(shù)同樣適用于中心靜止的帶電粒子團(tuán)的探測，不適用于飛行的粒子，技術(shù)特點(diǎn)與離子吸收成像技術(shù)類似；這些技術(shù)的缺陷或適用范圍的局限性對于帶電粒子束的探測非常不利。本發(fā)明針對上述問題，提出一種普遍適用于處于一維運(yùn)動狀態(tài)的各種帶電離子束(團(tuán))的切片成像方法，解決沿一維飛行的帶電粒子束(或團(tuán))的三維空間結(jié)構(gòu)探測問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003]本發(fā)明針對一維方向飛行的帶電粒子束(或團(tuán))的三維空間結(jié)構(gòu)探測問題，提出一種可移動時間切片式三維成像方法，并基于此方法設(shè)計了探測設(shè)備。本發(fā)明可以用于離子(電子)束源的質(zhì)量評價，離子噴射鍍膜的質(zhì)量控制，分子束中帶電粒子數(shù)量、密度及空間分布和演化情況的三維成像檢測。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的方法是:在沿一維方向高速運(yùn)動的帶電粒子束或帶電粒子團(tuán)的飛行路線上，放置一個可一維移動的時間切片成像型探測器。當(dāng)成像器處于某一位置時，通過調(diào)整切片電壓起始點(diǎn)，可以對帶電粒子束(團(tuán))中不同部位進(jìn)行切片成像，通過CXD等采集各個切片圖像并對切片圖像進(jìn)行還原重構(gòu)，可以獲得該位置處帶電粒子束(團(tuán))的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)隨時間變化情況。在帶電粒子束(團(tuán))的飛行路線上移動成像探測器，在不同位置進(jìn)行切片成像，可以得到不同位置處帶電粒子束(團(tuán))的三維空間結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明通過調(diào)節(jié)切片脈沖電壓的寬度控制切片厚度，切片脈寬可低至10-2000ns量級，能實現(xiàn)微米級精度的帶電粒子分布探測，飛行方向上的一維空間分辨率極高。另外，本發(fā)明可以通過改變MCP所加電壓的極性，實現(xiàn)對各類正負(fù)離子或電子的三維切片成像探測；通過外部信號源控制脈沖電壓的起止時間，結(jié)合探測器在帶電粒子束或團(tuán)飛行方向上的移動，可以探測任意位置處帶電粒子束或團(tuán)隨時間的變化情況。[0006]本發(fā)明還包含相應(yīng)的帶電粒子束或團(tuán)三維成像探測裝置，包括密閉的真空腔體、步進(jìn)電機(jī)和移動平臺；步進(jìn)電機(jī)和移動平臺置于真空腔體內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)與移動平臺間傳動連接，成像型探測器放置在移動平臺上，成像型探測器由平行放置的平板狀MCP和熒光屏組成，MCP與移動平臺相垂直，帶電粒子束源置于真空腔體內(nèi)一側(cè)，帶電粒子束源的出口面向MCP，MCP通過導(dǎo)線與真空腔體外部的脈沖直流電源相連，熒光屏通過導(dǎo)線與真空腔體外部的直流電源相連，熒光屏遠(yuǎn)離MCP側(cè)與光纖傳像束輸入端面緊貼，光纖傳像束的輸出端面緊貼觀察屏的一端端面，觀察屏設(shè)置于真空腔體的側(cè)壁上，觀察屏的另一端端面外側(cè)設(shè)有CCD，CCD的鏡頭與觀察屏的端面相平行，CCD通過數(shù)據(jù)傳輸線與計算機(jī)相連；放置在移動平臺上的成像型探測器，可以通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動在帶電粒子束或團(tuán)的飛行路線上往復(fù)移動，能夠?qū)щ娏Ｗ邮驁F(tuán)飛行過程中密度分布及演變情況進(jìn)行成像觀測。
[0007]本發(fā)明包含的三維成像探測裝置的平板狀MCP與熒光屏之間還設(shè)有一平行放置的輔助平板狀MCP，可以提高該成像探測裝置的靈敏度，其中輔助平板狀MCP通過導(dǎo)線與真空腔體外部的直流電源相連。
[0008]在該成像探測裝置中采用了柔性光纖傳像束實現(xiàn)熒光屏和觀察窗的耦合連接，將圖像由真空腔內(nèi)傳輸?shù)秸婵涨煌?，可以提高傳輸效率，同時減小圖像傳輸過程中的失真。
[0009]本發(fā)明是一種針對帶電粒子束發(fā)生和應(yīng)用領(lǐng)域真空設(shè)備中帶電粒子束(團(tuán))的三維空間結(jié)構(gòu)成像探測方法。該方法采用微通道板(MCP)和熒光屏組成成像探測單元，通過步進(jìn)電機(jī)控制成像探測單元在帶電粒子束的飛行路線上前后移動，通過記錄一定時間內(nèi)到達(dá)成像探測器前表面的帶電粒子數(shù)量及其二維分布情況，實現(xiàn)對帶電粒子束截面的成像探測。通過在MCP上加直流脈沖電壓，可以得到帶電粒子束的時間切片成像，獲得短時間(最短可至IOns級)內(nèi)的帶電粒子變化情況；采用光纖傳像束等柔性傳像器將熒光屏上的切片圖像傳輸?shù)秸婵涨煌獾挠^察屏上，再用CCD等采集各切片圖像，通過對切片圖像的還原重構(gòu)，可以獲得帶電粒子束(團(tuán))的三維空間結(jié)構(gòu)；通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動探測單元在帶電粒子飛行路線上移動，可以獲得不同位置處帶電粒子束(團(tuán))三維空間結(jié)構(gòu)的變化情況。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可實現(xiàn)帶電粒子束(團(tuán))的三維切片成像，直觀的獲得帶電粒子束(團(tuán))的三維空間結(jié)構(gòu)及其隨時間或空間的變化情況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明涉及的成像探測裝置原理示意圖。圖中:1—MCP1，2—MCP2，3—-*屏，4一成像器固定件，5—柔性傳像束，6—觀察屏，7—真空腔側(cè)壁密封法蘭，8—底座，9一步進(jìn)電機(jī)或直線驅(qū)動器，10—脈沖電源，11—直流高壓電源，12—成像鏡頭，13—CCD, 14—圖像處理單元，A為帶電粒子束或團(tuán)。
[0011]圖2是移動成像探測單元在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下沿一維方向移動的示意圖，圖中步進(jìn)電機(jī)9通過底座8驅(qū)動1、2、3、4組成的成像探測單元一維移動，在不同位置完成對帶電粒子束的切片成像，圖中a，b代表不同的位置。
[0012]圖3是采用本發(fā)明探測隨分子束運(yùn)動的等離子體的空間尺寸及密度分布隨時間變化的方法示意圖，圖中a，b代表不同的位置，步進(jìn)電機(jī)9可以通過底座8驅(qū)動1、2、3、4組成的成像探測單元一維移動。
[0013]圖4是本發(fā)明采用的三維圖像重構(gòu)方法示意圖。圖中切片圖像是由C⑶采集到的觀察屏上的切片圖像，代表切片電壓脈寬時間內(nèi)飛抵成像探測器前端面的帶電粒子的二維分布，由不同填充圖案區(qū)分不同時刻獲得的切片圖像，圖案強(qiáng)度表征圖像強(qiáng)度即該時間內(nèi)探測到的帶電粒子密度，圖像大小表征帶電粒子分布空間。圖中下方橢球代表經(jīng)三維圖像還原算法處理后得到的帶電離子團(tuán)的空間分布，它是由多個切片圖像拼接而成的，強(qiáng)度尺寸等含義與切片圖像一致。
【具體實施方式】
[0014]該方法涉及的整套成像探測裝置由以下幾個部分組成:1.微通道板(Microchannel plate_MCP)l ；2.微通道板(MCP)2 ；3.熒光屏；4.MCP與熒光屏的固定單元；5.柔性傳像束；6.觀察屏；7.真空腔側(cè)壁密封法蘭；8.底座；9.步進(jìn)電機(jī)或直線驅(qū)動器；10.直流脈沖電源；11.直流高壓電源；12.鏡頭，13.(XD，14.圖像處理單元等；共十四部分組成，詳見圖1所示。該發(fā)明的成像探測裝置中的脈沖電源10、直流高壓電源11、鏡頭12、(XD13和圖像處理單元均位于真空腔外，觀察屏6由固定法蘭7固定在真空系統(tǒng)的端面，其余部分均位于產(chǎn)生或使用帶電粒子束的真空腔內(nèi)。
[0015]其中，I和2是微孔徑相同、體電阻接近的MCP，用來接收帶電粒子信號，中間留有Imm的縫隙以便抽真空。3是有效面積與1、2兩個MCP面積一致的熒光屏，用來對帶電粒子撞擊I產(chǎn)生并經(jīng)I和2放大的電子成像。4是固定MCP1、2和熒光屏3的機(jī)械單元，與底座8結(jié)合，把由1、2、3組成的成像探測單元固定在步進(jìn)電機(jī)9上，在步進(jìn)電機(jī)9的驅(qū)動下實現(xiàn)一維移動。5是柔性傳像束，由光纖束組成，輸入端與熒光屏3耦合，輸出端與觀察屏6耦合，可以將熒光屏上的圖像傳輸?shù)接^察屏6上，觀察屏6為光纖面板，采用真空密封粘接的方式固定在法蘭7上，并通過7與真空腔密封，把圖像傳輸?shù)秸婵涨坏耐獠恳员阌^察或拍攝記錄。10為脈沖電源，通過電纜線a將直流脈沖切片電壓加載在MCPl上，11為直流高壓電源，通過電纜b、c分別將直流高壓加載在MCP2和熒光屏上。12是成像鏡頭，將觀察屏上的圖像聚焦成像在(XD13的感光面上，由CXD記錄切片圖像，并傳輸?shù)綀D像處理單元14，由圖像處理單元將切片圖像重組成三維空間圖像。
[0016]圖2是移動成像探測單元在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下沿一維方向移動的示意圖，當(dāng)需要探測帶電粒子束在飛行過程中隨不同位置的變化情況時，可以由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動1、2、3、4組成的探測單元前后一維移動，在不同位置成切片圖像。
[0017]可移動三維成像式帶電粒子探測器在真空環(huán)境中使用，工作狀態(tài)下，直流高壓電源11穩(wěn)定輸出直流電壓，MCP2和熒光屏一直處于開啟狀態(tài)；10輸出脈沖電壓，當(dāng)10輸出的脈沖電壓加載在MCPl上時，MCPl開始工作，帶電粒子束在MCPl前表面產(chǎn)生的電子被MCPl和MCP2依次放大，熒光屏上產(chǎn)生圖像；當(dāng)脈沖結(jié)束時，MCPl停止工作，此時帶電粒子與MCPl前表面碰撞產(chǎn)生的電子不能通過MCP1，成像結(jié)束。通過控制10產(chǎn)生的脈沖電壓寬度，可以實現(xiàn)對帶電離子束的切片成像，通過控制10產(chǎn)生的脈沖電壓幅值和MCP2加載的直流電壓幅值，可以控制成像的強(qiáng)度。整個設(shè)備可以由操作人員手動控制探測時間及位置，也可以通過同步信號源如SRS DG645等實現(xiàn)與帶電粒子發(fā)生裝置的同步控制。
[0018]實施例1:探測帶電粒子束中正離子的三維密度分布及演變情況。
[0019]當(dāng)帶電粒子束飛行到MCPl的端面時，會撞擊MCPl的端面并在相應(yīng)位置產(chǎn)生電子，當(dāng)需要探測某一位置處某一時間內(nèi)帶電粒子中正離子的三維密度及空間分布信息時，可控制步進(jìn)電機(jī)將MCPl的前端面移動到此位置，同時在該時間段的起點(diǎn)由脈沖電源10給MCPl前表面加一定寬度(10-2000ns級，以IOOns為例)的幅值為Vl的直流負(fù)脈沖電壓(依據(jù)希望的切片精度確定)，同時在MCP2前表面加幅值V2，熒光屏前表面加幅值V 3的直流負(fù)電壓，Vl的典型值為-1500V，V2的典型值為-800V，V3的典型值為-100V，此時就可以在熒光屏3上獲得IOOns時間內(nèi)飛抵MCPl的正離子垂直于飛行方向的二維強(qiáng)度圖像。該圖像經(jīng)柔性傳像束傳輸?shù)接^察屏6上，由CCD13或其他攝像設(shè)備記錄，即為切片精度為IOOns的一幅圖像，該圖像的強(qiáng)度表征正離子的密度信息，圖像強(qiáng)度的二維分布就表示正離子的二維密度分布。通過改變脈沖電壓的時間起點(diǎn)，可以獲得該位置處正離子密度分布的變化情況；改變脈沖電壓的寬度，可以獲得不同精度的切片圖像。比較不同時刻得到的切片圖像，就可以得到該位置處正離子的密度分布隨時間變化情況。
[0020]當(dāng)需要探測帶電粒子束在不同位置處的密度及空間變化情況時一這一點(diǎn)對于鍍膜、等離子體或表面研究中的離子(電子)束特別重要一可以控制步進(jìn)電機(jī)在帶電粒子束飛行軌跡上移動，在多個不同位置處重復(fù)上述成像過程，即可獲得帶電粒子束中的正離子在飛行過程中不同時刻的三維空間密度分布及演變情況。
[0021]實施例2:探測帶電粒子束中負(fù)離子或電子的三維密度及演變情況。
[0022]當(dāng)需要探測某一位置處某一時間內(nèi)帶電粒子中負(fù)離子或電子的三維密度及空間分布信息時，可控制步進(jìn)電機(jī)將MCPl的前端面移動到此位置，同時在該時間段的起點(diǎn)由脈沖電源10給MCPl前表面加一定寬度(10-2000ns級，以IOOns為例)的幅值為Vl的直流正脈沖電壓(依據(jù)希望的切片精度確定)，同時在MCP2前表面加幅值V2，熒光屏前表面加幅值V3的直流正電壓，Vl的典型值為1500V，V2的典型值為800V，V3的典型值為-100V，此時就可以在熒光屏3上獲得IOOns時間內(nèi)飛抵MCPl的負(fù)離子(或電子)垂直于飛行方向的二維強(qiáng)度圖像。該圖像經(jīng)柔性傳像束傳輸?shù)接^察屏6上，由CCD13或其他設(shè)備記錄，即為切片精度為IOOns的一幅圖像，該圖像的強(qiáng)度表征負(fù)離子(或電子)的密度信息，圖像強(qiáng)度的二維分布就表示負(fù)離子(或電子)的二維密度分布。通過改變脈沖電壓的時間起點(diǎn)，可以獲得該位置處正離子密度分布的變化情況；改變脈沖電壓的寬度，可以獲得不同精度的切片圖像；比較不同時刻得到的切片圖像，就可以得到該位置處負(fù)粒子的密度分布隨時間變化情況。
[0023]當(dāng)需要探測帶電粒子束在不同位置處的密度及空間變化情況時，同樣控制步進(jìn)電機(jī)在帶電粒子束飛行軌跡上移動，在多個不同位置處重復(fù)上述成像過程，即可獲得帶電粒子束中的負(fù)離子(或電子)在飛行過程中不同時刻的三維空間密度分布及演變情況。
[0024]實施例3:探測等離子體橢球中正離子的三維密度分布。
[0025]在分子束裝置中采用光解或者光電離的方法可以產(chǎn)生一定數(shù)量的離子及電子組成的等離子體，這類實驗一般采用短脈沖激光與分子束作用，產(chǎn)生的等離子體的初始空間分布一般是一個橢球體或相近的幾何體。這類等離子體產(chǎn)生還會隨著分子束繼續(xù)向前高速運(yùn)動，同時發(fā)生復(fù)合損耗或者揮發(fā)等現(xiàn)象，導(dǎo)致等離子體的體積不斷膨脹，密度不斷減小，同時密度分布也可能隨之變化。
[0026]需要探測這種等離子體的三維尺寸及密度分布變化情況時，將本發(fā)明的探測單元放置在分子束飛行路線上，詳見附圖3。首先移動探測成像單元至等離子體的產(chǎn)生區(qū)域附近位置1，通過調(diào)節(jié)切片電壓時間起點(diǎn)及寬度，在位置I對等離子體中的正粒子或負(fù)粒子進(jìn)行切片成像，經(jīng)過對切片圖像的三維重構(gòu)處理，就能獲得位置I處的正(負(fù))粒子的空間密度分布，也就是等離子體橢球的三維密度分布和尺寸，詳見附圖4。隨后控制步進(jìn)電機(jī)將成像探測器沿分子束飛行方向向后移動，獲得位置2處等離子體橢球的三維密度分布及尺寸。通過不斷移動成像探測器的位置，就可以得到各個位置處等離子體橢球的三維密度分布及尺寸，由此可知等離子體因膨脹、蒸發(fā)、復(fù)合損耗等各種原因引起的變化情況。
[0027]在上述實例中，都可以通過調(diào)節(jié)脈沖電壓寬度調(diào)節(jié)切片厚度。在步進(jìn)電機(jī)移動的過程中，柔性光纖傳像束可以彎曲并隨之移動，不影響傳像質(zhì)量；另外柔性傳像束還可減小圖像傳輸過程中的失真，提高傳輸效率。
【權(quán)利要求】
1.帶電粒子束或團(tuán)可移動時間切片三維成像探測方法，其特征是將平行放置的平板狀MCP和熒光屏組成的成像型探測器放置在帶電粒子束或團(tuán)的飛行路線上，MCP端面與帶電粒子束或團(tuán)的飛行方向垂直；于MCP上施加直流脈沖電壓，帶電粒子束或團(tuán)在熒光屏上切片成像，通過沿帶電粒子束或團(tuán)的飛行方向移動探測器，實現(xiàn)對帶電粒子束或團(tuán)的三維探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶電粒子束或團(tuán)三維成像探測方法，其特征是可以通過調(diào)節(jié)切片脈沖電壓的寬度控制切片厚度，切片脈寬可低至IO-1OOOns量級，能實現(xiàn)微米級精度的帶電粒子分布探測，飛行方向上的一維空間分辨率極高。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶電粒子束或團(tuán)三維成像探測方法，其特征在于可以通過改變MCP所加電壓的極性，實現(xiàn)對各類正負(fù)離子或電子的三維切片成像探測。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶電粒子束或團(tuán)三維成像探測方法，其特征在于可以通過外部信號源控制脈沖電壓的起止時間，結(jié)合探測器在帶電粒子束或團(tuán)飛行方向上的移動，探測任意位置處帶電粒子束或團(tuán)隨時間的變化情況。
5.一種權(quán)利要求1所述的帶電粒子束或團(tuán)三維成像探測裝置，包括密閉的真空腔體、步進(jìn)電機(jī)和移動平臺；步進(jìn)電機(jī)和移動平臺置于真空腔體內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)與移動平臺間傳動連接，成像型探測器放置在移動平臺上，成像型探測器由平行放置的平板狀MCP和熒光屏組成，MCP與移動平臺相垂直，帶電粒子束源置于真空腔體內(nèi)一側(cè)，帶電粒子束源的出口面向MCP，MCP通過導(dǎo)線與真空腔體外部的脈沖直流電源相連，熒光屏通過導(dǎo)線與真空腔體外部的直流電源相連，熒光屏遠(yuǎn)離MCP側(cè)與光纖傳像束輸入端面緊貼，光纖傳像束的輸出端面緊貼觀察屏的一端端面，觀察屏設(shè)置于真空腔體的側(cè)壁上，觀察屏的另一端端面外側(cè)設(shè)有CCD，CCD的鏡頭與觀察屏的端面相平行，CCD通過數(shù)據(jù)傳輸線與計算機(jī)相連；放置在移動平臺上的成像型探測器，可以通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動在帶電粒子束或團(tuán)的飛行路線上往復(fù)移動，能夠?qū)щ娏Ｗ邮驁F(tuán)飛行過程中密度分布及演變情況進(jìn)行成像觀測。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶電粒子束或團(tuán)三維成像探測裝置，其特征在于平板狀MCP與熒光屏之間平行設(shè)有一輔助平板狀MCP，可以提高該成像探測裝置的靈敏度，輔助平板狀MCP通過導(dǎo)線與真空腔體外部的直流電源相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶電粒子束或團(tuán)三維成像探測裝置，其特征在于采用了柔性光纖傳像束實現(xiàn)熒光屏和觀察窗的耦合連接，將圖像由真空腔內(nèi)傳輸?shù)秸婵涨煌?，可以提高傳輸效率，同時減小圖像傳輸過程中的失真。
【文檔編號】G01T1/29GK103513265SQ201210224944
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】劉金波, 郭敬為, 孟慶琨, 金玉奇 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所