本發(fā)明屬于超快診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦裝置及方法。

背景技術(shù)：

人類對自然界的認(rèn)識日益深入到微觀世界。反映物質(zhì)世界表象最本質(zhì)的過程皆發(fā)生在分子或原子內(nèi)部，其相應(yīng)的時(shí)間尺度均在皮秒、飛秒甚至阿秒量級(稱為超快過程)，可謂“瞬息萬變”。這些超快過程的深入了解，無不需要借助具有超高時(shí)空分辨的診斷工具來彌補(bǔ)人眼分辨能力(1/24秒&0.1毫米)的不足。超快電子衍射(UED)、超快電子晶體學(xué)(UEC)、超快電子顯微鏡(UEM)和條紋相機(jī)(Streak Camera)等超快診斷技術(shù)以其皮秒乃至亞飛秒量級的超高時(shí)間分辨廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)以及生物學(xué)中結(jié)構(gòu)相變等超快過程的探測研究，以此幫助人們了解這些快速現(xiàn)象變化的過程，極大地增加人類對于客觀世界認(rèn)識的深度，提高人類改造自然的能力。這些超快診斷技術(shù)的關(guān)鍵在于如何獲得高電荷密度(高亮度)、高時(shí)空分辨的高質(zhì)量的電子源，它決定了我們對微觀世界的探測精度。

超快電子脈沖，作為一個(gè)帶電粒子的集合，傳播過程嚴(yán)重受限于空間電荷效應(yīng)(電子-電子間庫倫排斥)，其束斑形狀、大小以及各個(gè)電子的軌跡都可能被改變，往往造成電子脈沖的橫向(空間分辨)和縱向(時(shí)間分辨)展寬。然而，對于高時(shí)空分辨率探測、超快診斷設(shè)備來說，電子脈沖束斑的尺寸一定程度上直接決定了該系統(tǒng)的空間分辨能力，其必須要小于500μm左右才能提供足夠的空間分辨率進(jìn)行超快過程的探測研究。參考Siwick等人的文獻(xiàn)，能量30keV、單脈沖電子數(shù)目10⁴、初始脈寬50fs(1fs＝10^-15s)的電子脈沖僅傳播4ns(即能量30keV的電子脈沖傳播40cm)就已經(jīng)展寬至6.5ps(1ps＝10^-12s)。同時(shí)，參考Robinson等人的文獻(xiàn)，在陰陽極間距15mm、加速電壓45kV的前提下，初始束斑半徑200μm的電子脈沖未經(jīng)聚焦壓縮傳播40cm后，自然展寬至～1.1mm，而引入強(qiáng)度為37.8mT的磁場聚焦后，電子束斑縮小至～100μm，空間分辨能力顯著提升。

由此可見，在超快診斷技術(shù)中，引入高穩(wěn)定性的聚焦裝置進(jìn)行電子脈沖的橫向壓縮，抑制電子束空間電荷效應(yīng)，減小因?yàn)榭臻g電荷效應(yīng)的存在而對電子束發(fā)散度的影響，避免其在飛行過程中沿三維空間擴(kuò)散開來，在滿足時(shí)間分辨的前提下，最大程度地壓縮束斑尺寸至關(guān)重要。目前常用的電子束聚焦手段可分為：靜電聚焦和磁聚焦。

文獻(xiàn)Shakya M M,Chang Z.An accumulative x-ray streak camera with 280-fs resolution[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2004,5534:125-131.涉及一種電四極透鏡作聚焦裝置，其由四根柱形電極所組成，且具有兩個(gè)對稱面，利用電極間的電勢差使電子束連續(xù)通過一系列等勢面后在一個(gè)對稱面被聚焦，另一個(gè)對稱面被散焦，透鏡總的會(huì)聚特性是兩種相反特性互相抵消后的剩余，即一種“差分”結(jié)果。該靜電聚焦裝置雖具有球差較小的優(yōu)點(diǎn)，但是仍存在較大的畸變場，導(dǎo)致獲得的圖像加寬，且由于不同的電子在靜電聚焦透鏡中的加速與減速不均勻，使得脈沖出射后發(fā)生一定程度的展寬，能量彌散大，空間電荷效應(yīng)顯著，對高能光電子聚焦能力較弱，而且會(huì)造成光電子減速，電子光學(xué)系統(tǒng)較長。所有這些不利因素均導(dǎo)致電子渡越時(shí)間彌散增大，不利于系統(tǒng)時(shí)空分辨率的提高。

相比靜電聚焦，磁聚焦具有如下優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單，通過改變線圈的激勵(lì)電流可以實(shí)現(xiàn)焦距和放大倍數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)，利用短磁聚焦可以獲得放大或縮小的電子像；而在靜電聚焦中，需要施加很高的電壓才能達(dá)到此效果。②磁聚焦激勵(lì)電流通常在0～2A之間，對應(yīng)的電壓<100V，無擊穿打火問題；而在靜電透鏡的電極上通常要加上萬伏的高壓，易造成電極之間的頻繁打火。③磁透鏡的像差較小。④在磁場作用下，電子脈沖的運(yùn)行軌跡發(fā)生改變而能量不變，即磁透鏡不會(huì)直接引起脈沖縱向展寬。故在超快診斷設(shè)備中，一般采用短磁聚焦裝置。

對于目前常用的磁聚焦裝置來說，線圈的熱效應(yīng)是一大問題，其嚴(yán)重制約著系統(tǒng)的工作時(shí)間和工作穩(wěn)定性。發(fā)熱導(dǎo)致0.01A的電流波動(dòng)便會(huì)使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在長時(shí)間工作時(shí)，電流的波動(dòng)引起磁線圈發(fā)熱，造成銅導(dǎo)線電阻增加，而電阻增加反過來加劇發(fā)熱現(xiàn)象惡化聚焦電流，周而復(fù)始，最終造成電子束斑的位置偏移。磁聚焦系統(tǒng)一般位于真空腔體外側(cè)，其與腔體的同軸性的好壞也嚴(yán)重影響著電子束斑的穩(wěn)定性。如若冷卻和同軸性不好，必將引起的電子束斑抖動(dòng)，從而致使分辨特性下降，極大地影響電子脈沖的時(shí)空分辨能力，很大程度上導(dǎo)致無法進(jìn)行超快現(xiàn)象的探測，所以必須采用有效的手段進(jìn)行聚焦裝置的降溫操作和同軸性精調(diào)。同時(shí)，文獻(xiàn)報(bào)道的大量的超快診斷設(shè)備均將聚焦裝置放在一個(gè)固定位置上，或者非常靠近陽極，只是用來在探測器處獲得最好的聚焦電子束。從整個(gè)的實(shí)驗(yàn)過程來考量，這往往可能不是最優(yōu)的聚焦位置。精密地調(diào)節(jié)磁隙相當(dāng)于是調(diào)節(jié)磁場作用范圍，微調(diào)聚焦特性，使整個(gè)系統(tǒng)處于最優(yōu)的狀態(tài)。

CN1851843A和CN1851450A公開了一種飛秒電子脈沖產(chǎn)生和控制的裝置，其中的磁線圈作為重要的壓縮部件無法有效冷卻和同軸微調(diào)，制約著系統(tǒng)的長時(shí)間穩(wěn)定工作。

文獻(xiàn)Robinson M S,Lane P D,Wann D A.A compact electron gun for time-resolved electron diffraction[J].Review of Scientific Instruments,2015,86(1):013109.中設(shè)計(jì)了一款磁聚焦裝置，主要由線包，磁屏蔽殼組成，通過xyz位移臺(tái)來精密調(diào)節(jié)由于繞線不均勻引起的系統(tǒng)的同軸偏差，保證電子脈沖從透鏡中心穿過。采用銅編織帶連接液氮容器進(jìn)行磁透鏡的冷卻。雖然該裝置可以精確地調(diào)節(jié)同軸性和穩(wěn)定溫度，但是此方案的成本太過昂貴，造價(jià)不菲，性價(jià)比太差。

可以看出，現(xiàn)有超快電子脈沖橫向壓縮的裝置及方法存在無法有效冷卻，其嚴(yán)重影響工作穩(wěn)定性及時(shí)間、同軸微調(diào)以及極靴間隙精調(diào)或者成本高昂等缺點(diǎn)，急需一種新的高穩(wěn)定性的脈沖橫向壓縮的裝置及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的脈沖橫向壓縮裝置冷卻效果差、同軸性調(diào)節(jié)困難、制造成本高的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦裝置。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦裝置，其特殊之處在于：

包括同軸設(shè)置的管狀的線軸和管狀的內(nèi)磁屏蔽殼；所述線軸的兩個(gè)端面上各設(shè)置有一個(gè)圓環(huán)狀擋板，擋板的內(nèi)圓直徑等于線軸的直徑，擋板的外圓直徑等于內(nèi)磁屏蔽殼的直徑；內(nèi)磁屏蔽殼、線軸和兩個(gè)擋板共同圍成環(huán)形空腔，空腔內(nèi)設(shè)置有繞在線軸上的線圈；

還包括兩個(gè)外磁屏蔽殼，第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼沿線軸的軸向扣合于內(nèi)磁屏蔽殼的外側(cè)；第一外磁屏蔽殼的中心同軸設(shè)置有伸入線軸內(nèi)的第一極靴，第二外磁屏蔽殼的中心同軸設(shè)置有伸入線軸內(nèi)的第二極靴，第一極靴和第二極靴之間形成磁隙；

所述第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼的扣合處安裝有磁隙調(diào)節(jié)裝置；

所述第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼的外端面上設(shè)置有同軸調(diào)節(jié)裝置；

所述第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼的內(nèi)端面與對應(yīng)的擋板之間設(shè)置有冷卻系統(tǒng)。

上述第一外磁屏蔽殼的外端面上設(shè)置有第一同軸調(diào)節(jié)裝置，第二外磁屏蔽殼的外端面上設(shè)置有第二同軸調(diào)節(jié)裝置；所述同軸調(diào)節(jié)裝置包括多個(gè)沿徑向設(shè)置的旋轉(zhuǎn)螺釘。

上述第一外磁屏蔽殼的內(nèi)端面與對應(yīng)的擋板之間形成環(huán)形空腔，空腔內(nèi)設(shè)置有第一冷卻室和第二冷卻室；第一冷卻室上設(shè)置有冷卻入口，第二冷卻室上設(shè)置有冷卻出口；

所述第二外磁屏蔽殼的內(nèi)端面與對應(yīng)的擋板之間形成環(huán)形空腔，空腔內(nèi)設(shè)置有第三冷卻室；第三冷卻室通過冷卻通道分別與第一冷卻室和第二冷卻室連通。

上述冷卻通道設(shè)置在線軸內(nèi)部。

上述冷卻入口位于第一冷卻室底部，所述冷卻出口位于第二冷卻室底部，所述冷卻通道位于第一冷卻室和第二冷卻室頂部。

上述第一極靴的軸向長度大于第二極靴的軸向長度。

第一外磁屏蔽殼與第二外磁屏蔽殼之間的距離等于第一極靴與第二極靴之間的距離。

上述第一極靴和第二極靴之間的距離在0-39mm內(nèi)調(diào)節(jié)。

上述線軸由非磁材料制成；所述內(nèi)磁屏蔽殼、第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼均由高磁導(dǎo)率材料制成。

本發(fā)明還提供一種用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

將用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦裝置套裝于超快電子運(yùn)動(dòng)的真空腔體外側(cè)，然后進(jìn)行同軸性調(diào)節(jié)、磁隙調(diào)節(jié)和溫度控制；

同軸性調(diào)節(jié)：分別擰動(dòng)第一同軸調(diào)節(jié)裝置和第二同軸調(diào)節(jié)裝置上的旋轉(zhuǎn)螺釘，調(diào)整所述短磁聚焦裝置與真空腔體之間的相對位置，保持同軸；

磁隙調(diào)節(jié)：保持第二外磁屏蔽殼位置固定，軸向移動(dòng)第一外磁屏蔽殼，改變第二極靴與第一極靴之間的距離，根據(jù)磁隙調(diào)節(jié)裝置上的刻度尺判斷磁隙大?。?/p>

溫度控制：由冷卻入口通入冷卻液或者冷卻氣體，冷卻液或者冷卻氣體填充第一冷卻室后，由第一冷卻室頂部的冷卻通道流入并填充第三冷卻室，再經(jīng)過另一個(gè)冷卻通道流入第二冷卻室，然后從冷卻出口導(dǎo)出；通過調(diào)整冷卻液或者冷卻氣體的流速來進(jìn)行溫度控制。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明具有有效冷卻線圈和同軸性可微調(diào)以及極靴間隙可精調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，尤其可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定工作。

(2)本發(fā)明通過設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，可采用風(fēng)冷或者水冷進(jìn)行有效降溫，解決現(xiàn)有聚焦系統(tǒng)長時(shí)間工作的冷卻散熱問題，提高系統(tǒng)由于線圈焦耳熱致使溫度升高造成的電流波動(dòng)的工作穩(wěn)定性。

(3)本發(fā)明設(shè)置了同軸微調(diào)結(jié)構(gòu)，可采用旋轉(zhuǎn)螺釘進(jìn)行同軸調(diào)節(jié)，解決現(xiàn)有聚焦裝置由于器件加工和繞線均勻性引起的同軸性問題。

(4)本發(fā)明通過設(shè)置帶刻度的可伸縮型極靴，可連續(xù)地調(diào)節(jié)磁場作用區(qū)域，改變磁場作用中心，解決現(xiàn)有系統(tǒng)極靴間隙無法精確調(diào)節(jié)問題，更好地將實(shí)際壓縮效果調(diào)整到模擬設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)，提高系統(tǒng)的時(shí)空分辨。

附圖說明

圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例的短磁聚焦裝置剖面示意圖。

圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的短磁聚焦裝置拆分狀態(tài)示意圖。

圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例的冷卻系統(tǒng)剖面視圖。

圖4為圖3中冷卻系統(tǒng)的左視圖(透視圖)。

圖5為圖3中冷卻系統(tǒng)的右視圖。

圖6為本發(fā)明短磁聚焦裝置在不同磁隙寬度條件下對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

圖7為本發(fā)明短磁聚焦裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁隙寬度的變化趨勢圖。

圖8為本發(fā)明短磁聚焦裝置的俯仰角指示圖。

圖9為本發(fā)明短磁聚焦裝置在不同俯仰角下對應(yīng)的縱軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種可進(jìn)行冷卻，同時(shí)可對磁隙寬度和同軸性進(jìn)行調(diào)節(jié)的短磁聚焦裝置，通過調(diào)節(jié)磁隙寬度、激勵(lì)電流以及同軸性，實(shí)現(xiàn)超快電子脈沖的橫向聚焦。

參見圖1和圖2，本發(fā)明較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)包括同軸設(shè)置的管狀線軸1和管狀內(nèi)磁屏蔽殼2；線軸1的兩個(gè)端面上各設(shè)置有一個(gè)圓環(huán)狀擋板3，擋板的內(nèi)圓直徑等于線軸的直徑，擋板的外圓直徑等于內(nèi)磁屏蔽殼的直徑；內(nèi)磁屏蔽殼2、線軸1和兩個(gè)擋板3共同圍成環(huán)形空腔，空腔內(nèi)設(shè)置有繞在線軸上的線圈4；

該短磁聚焦裝置還包括兩個(gè)外磁屏蔽殼，第一外磁屏蔽殼5和第二外磁屏蔽殼6沿線軸1的軸向扣合于內(nèi)磁屏蔽殼2的外側(cè)。內(nèi)磁屏蔽殼2將線軸1包圍在內(nèi)，抑制磁場的泄露。第一外磁屏蔽殼5和第二外磁屏蔽殼6進(jìn)一步將磁場約束其內(nèi)。兩個(gè)外磁屏蔽殼為非對稱的結(jié)構(gòu)，第一外磁屏蔽殼5的軸向長度大于第二外磁屏蔽殼6的長度。

第一外磁屏蔽殼5的中心同軸設(shè)置有伸入線軸內(nèi)的第一極靴7，第二外磁屏蔽殼6的中心同軸設(shè)置有伸入線軸內(nèi)的第二極靴8，第一極靴7和第二極靴8之間形成磁隙；第一外磁屏蔽殼5與第二外磁屏蔽殼6之間的距離等于第一極靴7與第二極靴8之間的距離，因此通過讀取兩個(gè)外磁屏蔽殼間的距離便可以直接獲得磁隙大小。磁隙在0～39mm內(nèi)精密可調(diào)，這樣可以使得磁場能夠集中在這0～39mm的間隙中，減小了磁場的橫向分布寬度同時(shí)增大了場強(qiáng)。使用過程中通過對短磁聚焦裝置施加不同的激勵(lì)電流便可在0～39mm磁隙處產(chǎn)生非均勻磁場，使得超快電子脈沖以不同的束斑大小聚焦在不同的位置上。與外磁屏蔽殼相對應(yīng)的，兩個(gè)極靴也是非對稱的結(jié)構(gòu)，即第一極靴7的長度大于第二極靴8的長度。初始磁隙所在位置靠近短磁聚焦裝置的一端而非位于中心，這樣設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)是在某些需要電子漂移距離較小時(shí)就完成聚焦的情況下，初始磁隙位置越靠近邊緣便可以越早完成聚焦，因?yàn)槎檀啪劢寡b置本身也占有一定的軸向長度。

第一外磁屏蔽殼5和第二外磁屏蔽殼6的扣合處安裝有磁隙調(diào)節(jié)裝置；磁隙調(diào)節(jié)裝置9包括用于衡量第一極靴和第二極靴之間距離的精密刻度尺；通過該刻度尺可以沿軸向精確地移動(dòng)定位，進(jìn)而準(zhǔn)確調(diào)節(jié)磁隙大小。

第一外磁屏蔽殼5的外端面上設(shè)置有第一同軸調(diào)節(jié)裝置10，第二外磁屏蔽殼6的外端面上設(shè)置有第二同軸調(diào)節(jié)裝置11；同軸調(diào)節(jié)裝置由多個(gè)沿徑向設(shè)置的旋轉(zhuǎn)螺釘構(gòu)成；通過緩慢擰動(dòng)螺釘來微調(diào)短磁聚焦裝置與真空腔體外側(cè)的同軸性，同時(shí)螺釘還可以固定調(diào)好后的狀態(tài)。

線軸可以采用不銹鋼(316L或者304L)、黃銅或者其它非磁材料；聚焦線圈采用的材料可以是0.5-1mm的銅導(dǎo)線；內(nèi)、外磁屏蔽殼(以及極靴)采用的是具有高磁導(dǎo)率的軟鐵材料(μ>200)，例如純鐵、鐵鈷合金或者鐵鈷釩合金，其主要作用就是將磁場約束在狹窄的磁隙處，增加最大軸向磁場，并防止磁場泄漏，極靴處即為真正聚焦的部位；在整個(gè)內(nèi)磁屏蔽殼外部還有一層厚度為1-2mm的坡莫合金，用于進(jìn)一步防止磁場泄漏。

參見圖3至圖5，第一外磁屏蔽殼5的內(nèi)端面與對應(yīng)的擋板3之間形成環(huán)形空腔，空腔內(nèi)設(shè)置有第一冷卻室12和第二冷卻室13；第一冷卻室12上設(shè)置有冷卻入口15，第二冷卻室上設(shè)置有冷卻出口16；

第二外磁屏蔽殼6的內(nèi)端面與對應(yīng)的擋板3之間形成環(huán)形空腔，空腔內(nèi)設(shè)置有第三冷卻室14；第三冷卻室14通過冷卻通道17分別與第一冷卻室12和第二冷卻室13連通。

冷卻通道17可以設(shè)置在線軸1內(nèi)部。冷卻通道的個(gè)數(shù)以兩個(gè)為佳，其中一個(gè)與第一冷卻室12連通，另外一個(gè)與第二冷卻室13連通。冷卻入口15位于第一冷卻室12底部，冷卻出口16位于第二冷卻室13底部，冷卻通道17位于第一冷卻室12和第二冷卻室13的頂部。通過接通冷卻液或者冷卻氣體可以對短磁聚焦裝置進(jìn)行冷卻。

為了準(zhǔn)確的安裝外磁屏蔽殼和準(zhǔn)確定位冷卻入口、冷卻出口的位置，可以在線軸頂部的兩個(gè)冷卻通道之間設(shè)置前后貫通的定位孔9。

使用本發(fā)明提供的短磁聚焦裝置進(jìn)行短磁聚焦的方法具體如下：

首先將本發(fā)明中的短磁聚焦裝置套裝于超快電子運(yùn)動(dòng)的真空腔體外側(cè)，然后進(jìn)行同軸性調(diào)節(jié)、磁隙調(diào)節(jié)和溫度控制；

同軸性調(diào)節(jié)：分別擰動(dòng)第一同軸調(diào)節(jié)裝置10和第二同軸調(diào)節(jié)裝置11上的旋轉(zhuǎn)螺釘，調(diào)整短磁聚焦裝置與真空腔體之間的相對位置，保持同軸；

磁隙調(diào)節(jié)：保持第二外磁屏蔽殼6位置固定，軸向移動(dòng)第一外磁屏蔽殼5，改變第二極靴8與第一極靴7之間的距離，根據(jù)磁隙調(diào)節(jié)裝置上的刻度尺判斷磁隙大?。?/p>

溫度控制：由冷卻入口15通入冷卻液或者冷卻氣體，冷卻液或者冷卻氣體填充第一冷卻室12后，由第一冷卻室頂部的冷卻通道17流入并填充第三冷卻室14，再經(jīng)過其他的冷卻通道17流入第二冷卻室13，然后從冷卻出口16導(dǎo)出；通過調(diào)整冷卻液或者冷卻氣體的流速來進(jìn)行溫度控制。經(jīng)過該冷卻循環(huán)后，線軸的兩個(gè)側(cè)面以及上表面均可以形成冷卻面，從而及時(shí)導(dǎo)走線圈產(chǎn)生的熱量，起到穩(wěn)定聚焦裝置溫度的效果。此循環(huán)為最合理的循環(huán)路徑，無論聚焦裝置如何調(diào)整總可以保持最大冷卻面積地進(jìn)行有效冷卻。

圖6和圖7為不同磁隙寬度下對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與其隨磁隙寬度的變化趨勢。加上磁屏蔽殼與極靴時(shí)磁場更加集中，峰值更強(qiáng)，且磁隙寬度越小，磁場越集中，峰值越大。對于同樣大小的磁場，具有極靴的短磁聚焦裝置只需較小的電流即可，有助于減少線圈發(fā)熱。

圖9為不同俯仰角下對應(yīng)的縱軸(垂直于軸向方向，即y軸)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布(該俯仰角如圖8所示)。磁場隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大向y軸負(fù)方向移動(dòng)，即磁透鏡俯仰對于超快電子脈沖的聚焦有很大的影響，因而短磁聚焦裝置與其耦合的真空管道的同軸性是保證電子脈沖具有較好聚焦特性的關(guān)鍵因素。