本發(fā)明屬于光陰極電子槍領(lǐng)域，尤其涉及一種直流光陰極超快電子槍。

背景技術(shù)：

光陰極電子槍是通過激光激發(fā)陰極材料，產(chǎn)生的光電子被施加在陰陽兩極間的高壓加速，繼而用產(chǎn)生的高能電子進(jìn)行樣品探測的一種裝置。電子束具有一定能量、一定束流以及速度和角度。由于電子空間排斥力的存在，電子束在漂移至樣品的過程中會被展寬，導(dǎo)致電子束時間分辨能力降低。由于相對論效應(yīng)，高能量電子束可有效減弱庫倫展寬效果，另外，光電子脫出陰極也需克服鏡像電荷的吸引作用。對于空間長度固定的電子束，電子能量越高，電子束漂移時間周期越短，實(shí)驗探測的時間精度越高。因此，原則上加在電子槍陰極和陽極上的電壓越大越好，加速場區(qū)電場越大越好。然而，過高的電壓會在局部超過材料本身的電壓擊穿閾值，使電子槍放電，無法工作。因此，目前使用的直流電子槍一般工作電壓在60keV-80keV左右。一般更高電壓的超快電子槍則需要射頻加速獲得。

直流光陰極超快電子槍采用紫外光激發(fā)光電子獲得短促的電子脈沖。目前，國內(nèi)已存的直流電子槍都是采用激光透射激發(fā)方式，由于紫外光在金屬膜中的穿透深度很小(十個納米量級)，過厚的金屬膜將大大降低電子產(chǎn)額，這是目前透射電子槍單發(fā)電子數(shù)量小的主要原因；減薄的金屬膜，增加透射激光強(qiáng)度，這雖可一定程度上提高電子產(chǎn)額，但金屬膜極易損壞，降低了電子槍的穩(wěn)定性。

在電子槍工作時，偶爾會有放電發(fā)生，放電中過大的短路電流不但會對電子槍造成損害也可能通過地線影響周圍電子產(chǎn)品工作。另外，該過程往往伴隨電磁輻射，也會對電子產(chǎn)品造成損害。因此，如何提高放電保護(hù)，是電子槍設(shè)計的一個重要問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種光陰極超快電子槍，包括由電場程序模擬結(jié)果確定的陰極、陽極形狀構(gòu)造，從而將傳統(tǒng)的光陰極電子槍穩(wěn)定工作電壓提高至100kV；為保證電場對稱均勻分布和發(fā)射電子束徑向質(zhì)量而采用的特殊的同軸固定方式；為提高單發(fā)電子產(chǎn)額而增加的電子槍在激光激勵下的反射工作模式；以及連接至所述陰極的高壓電源、放電保護(hù)、轉(zhuǎn)接。其中，

所述陰極為軸對稱結(jié)構(gòu)，包括第一圓柱形側(cè)面、圓形底面以及連接所述第一圓柱形側(cè)面和所述圓形底面的第一連接面，所述圓形底面的中心具有通光孔，以及所述圓形底面的外側(cè)具有用于容納金屬膜的圓形凹槽，

所述陽極為軸對稱結(jié)構(gòu)，包括圓形頂面、第二圓柱形側(cè)面、圓環(huán)形底面、以及連接所述圓形頂面和所述第二圓柱形側(cè)面的第二連接面，所述圓環(huán)形底面從所述第二圓柱形側(cè)面的下邊緣徑向向外延伸，所述圓形頂面中心具有通孔。

其中，根據(jù)電腦程序電場優(yōu)化模擬結(jié)果，在該種結(jié)構(gòu)的電子槍要求下，所述第一連接面具有圓形倒角，所述圓形倒角的半徑大于或等于所述陰極的圓形底面和所述陽極的圓形頂面之間的距離，所述第二連接面具有橢圓形倒角，所述橢圓形倒角的長軸大于或等于所述陰極的圓形底面和所述陽極的圓形頂面之間的距離。根據(jù)電子束電腦程序模擬結(jié)果，要求電場對稱分布，所述電子槍具有特殊的保證同軸對稱的安裝結(jié)構(gòu)

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，還包括固定所述陰極的陰極底座。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，所述第一圓柱形側(cè)面的開口端內(nèi)側(cè)具有突出部，所述陰極底座為一端開放一端封閉的空心圓柱，所述空心圓柱的開放端具有能夠與所述突出部嚙合的卡槽，所述空心圓柱的封閉端的中心具有通光孔。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，還包括固定所述陽極的空心圓盤。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，所述空心圓盤的最外邊緣所在的面為弧面。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，所述陰極的圓形底面和所述陽極的圓形頂面之間的距離為8mm。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，還包括激光源，用于激發(fā)所述金屬膜產(chǎn)生電子。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，所述激光源發(fā)射的激光通過陰極的圓形底面的中心通光孔到達(dá)所述金屬膜。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，還包括反射鏡，所述反射鏡將所述激光源發(fā)射的激光反射通過所述陽極的通孔并到達(dá)所述金屬膜。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，所述陽極的圓形頂面的內(nèi)側(cè)具有凹槽，所述陽極的通孔設(shè)置在所述凹槽內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，所述電子槍頂部具有開孔的磁屏蔽板。

根據(jù)本發(fā)明的光陰極超快電子槍，優(yōu)選地，所述高壓電源與電子槍陰極之間串聯(lián)大電阻，阻值為串聯(lián)前系統(tǒng)阻值的十分之一至百分之一。

本發(fā)明的光陰極超快電子槍的倒角設(shè)計消除了可能存在的尖端放電，防止表面局部電場增大，使傳統(tǒng)的光陰極電子槍穩(wěn)定工作電壓提升至100kV，電子槍特殊的結(jié)構(gòu)及固定方式保證了電場均勻?qū)ΨQ的分布，屏蔽外界干擾，確保產(chǎn)生的電子束的對稱分布質(zhì)量，另外，反射模式的電子槍的金屬膜的厚度可以達(dá)到微米到毫米量級，克服了目前透射電子槍單發(fā)電子數(shù)量小的問題，提高了電子槍的穩(wěn)定性。最終提供了一種陰陽極可在100kV左右穩(wěn)定工作，電場對稱均勻分布，單發(fā)電子產(chǎn)額可達(dá)到百萬量級的光陰極超快電子槍。

附圖說明

以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子槍的分解立體視圖；

圖2為沿圖1的中心軸線AA’截取的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子槍的截面視圖；

圖3A和3B分別為本發(fā)明實(shí)施例的電子槍的陰極的背面和正面立體視圖；

圖4為沿圖1的中心軸線AA’截取的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子槍的陰極的截面視圖；

圖5A和5B分別為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的陰極底座的正面和背面立體視圖；

圖6A和6B分別為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子槍的陽極的背面和正面立體視圖；

圖7為沿圖1的中心軸線AA’截取的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子槍的陰極的截面視圖；

圖8A和8B分別為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的空心圓盤的正面和背面立體視圖；

圖9為沿圖1的中心軸線AA’截取的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的空心圓盤的截面視圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中，在各個附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電子槍的分解立體視圖。圖2為沿圖1的中心軸線AA’截取的根據(jù)圖1的實(shí)施例的電子槍的截面視圖。沿入射激光的傳播方向，電子槍依次主要包括入射藍(lán)寶石窗10、電子槍底座9、陶瓷柱8、陰極底座7、陰極6、鏡片5、空心圓盤4、陽極3和磁場屏蔽板1，上述部件組合之后固定在電子槍支架2上。

圖3A和3B分別為圖1的實(shí)施例的電子槍的陰極6的背面和正面立體視圖，在本文中，“正面”是指正對入射激光束36的面，而“背面”是指背對入射激光束36的面。圖4為沿圖1的中心軸線AA’截取的本發(fā)明實(shí)施例的電子槍的陰極6的截面視圖，圖4的視圖是圖2所示的視圖中的陰極6逆時針旋轉(zhuǎn)90°得到的。結(jié)合圖3A、3B和4可以看出，陰極6為“鈴鐺”形狀，具有軸對稱結(jié)構(gòu)，包括圓柱形側(cè)面W_6a、圓形底面W_6b以及連接圓柱形側(cè)面W_6a和圓形底面W_6b的連接面W_6c。其中，所述圓形底面W_6b的半徑為18mm，其中心具有通光孔21，外側(cè)具有深度為1mm、半徑為12.7mm的圓形凹槽20，用于容納石英片5，石英片5上鍍有納米量級厚度的金屬膜，在該實(shí)施例中，為了放置石英片5，陰極6的圓形底面W_6b的半徑至少大于石英片5的半徑，而為了便于從凹槽20中取出石英片5，還在中心通光孔21周圍設(shè)置四個小孔。石英片采用導(dǎo)電銀膠與陰極黏牢，保證表面的金屬膜與陰極導(dǎo)電。另外，所述圓柱形側(cè)面W_6a的開口端內(nèi)側(cè)具有四個突出部，形成為小圓柱22；所述連接面W_6c為圓弧面，其倒角半徑為13mm。這樣的陰極設(shè)計源于電腦模擬優(yōu)化的結(jié)果，使陰極在該電子槍結(jié)構(gòu)尺寸要求范圍內(nèi)，獲得表面電場優(yōu)化，W_6c處表面電場最大值不超過12keV/mm，防止陰極表面的局部電場過大，消除了可能存在的尖端放電。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，石英片5用于支持金屬膜，也可以選擇其他的能夠使入射激光透過的材料，例如藍(lán)寶石等。

如圖5A和5B所示，圖5A和5B分別為本發(fā)明的實(shí)施例的陰極底座的背面和正面立體視圖。陰極底座7為一端開放一端封閉的空心圓柱，其開放端有四個L形卡槽23，對應(yīng)陰極6內(nèi)側(cè)的四個小圓柱22，通過將小圓柱22擰入卡槽23并與卡槽23嚙合使得陰極6固定在陰極底座7上。陰極底座7的封閉端中心具有圓形通光孔25(參見圖2，圖5A中未示出)，同時有四個圍繞圓形通光孔25的通孔，用于將陰極底座7固定于陶瓷柱8上。陶瓷柱8通過螺栓30固定于電子槍底座9上。

圖6A和6B分別為本發(fā)明的實(shí)施例的電子槍的陽極3的背面和正面立體視圖，圖7為沿圖1的中心軸線AA’截取的本發(fā)明實(shí)施例的電子槍的陽極3的截面視圖，圖7的視圖是圖2的視圖中的陽極3逆時針旋轉(zhuǎn)90°得到的。結(jié)合圖6A、6B和7可以看出，陽極3為“草帽”形狀，也具有軸對稱結(jié)構(gòu)，包括圓形頂面W_3a、圓柱形側(cè)面W_3b、圓環(huán)形底面W_3c、以及連接圓形頂面W_3a和圓柱形側(cè)面W_3b的連接面W_3d，其中，所述圓環(huán)形底面W_3c從所述圓柱形側(cè)面W_3b的下邊緣徑向向外延伸，所述圓形頂面W_3a的半徑為8mm，圓形頂面W_3a的中心具有直徑2mm的通孔19，所述連接面W_3d為弧面，具有橢圓形倒角，所述橢圓的長軸為10mm，短軸為4mm，所述圓環(huán)形底面W_3c上具有圓孔，用于將所述陽極3固定在空心圓盤4上。這樣的陽極設(shè)計為電腦模擬優(yōu)化的結(jié)果，使陽極在該電子槍結(jié)構(gòu)尺寸要求范圍內(nèi)，獲得表面電場優(yōu)化，W_3d處表面電場最大值不超過13.5keV/mm，防止了陽極表面的局部電場過大，消除了可能存在的尖端放電。

在該實(shí)施例中，采用空心圓盤4固定陽極3。圖8A和8B分別為空心圓盤4的正面和背面立體視圖，圖9為沿圖1的中心軸線AA’截取的空心圓盤4的截面視圖，圖9的視圖也是圖2的視圖中的空心圓盤4逆時針旋轉(zhuǎn)90°得到的。結(jié)合圖8A、8B和9進(jìn)行說明，空心圓盤4的表面為光滑平面，其中央孔的半徑(內(nèi)半徑)為18mm(大于陽極3的圓形頂面W_3a的半徑)，空心圓盤4最外邊緣所在的圓的半徑(外半徑)為75mm，另外，空心圓盤4最外邊緣所在的面為弧面，具有半徑5mm的倒角，倒角表面電場最大值為4keV/mm，防止了圓盤表面的局部電場過大，消除可能的尖端放電。空心圓盤4的背面有螺紋孔，參見圖2，借助于螺栓17通過陽極3的圓環(huán)形底面上的圓孔和空心圓盤4的靠近中央孔的螺紋孔將陽極3和空心圓盤4固定在一起(在圖2中僅示出一個螺栓17，對稱分布的另外三個未示出)，借助于螺栓16通過電子槍支架2上的孔和空心圓盤4的靠近外邊緣的螺紋孔將空心圓盤4固定在電子槍支架2上(在圖2中僅示出一個螺栓16，對稱分布的另外三個未示出)。

發(fā)明人針對上述陰極、陽極和空心圓盤的設(shè)計利用電腦進(jìn)行模擬優(yōu)化，使在該電子槍結(jié)構(gòu)尺寸要求范圍內(nèi)，各部件表面電場獲得優(yōu)化，低于真空電場的擊穿閾值，效果優(yōu)于傳統(tǒng)電子槍。同時，為了進(jìn)一步優(yōu)化表面電場分布，保證表面平滑度，對陰極、陽極和空心圓盤表面進(jìn)行機(jī)械粗拋、電解拋光、人工精拋、高真空清洗，使表面的平滑度達(dá)到微米量級。

在該實(shí)施例的電子槍的組裝過程中，陰極6采用將其內(nèi)側(cè)小圓柱22擰入卡槽23并與卡槽23嚙合而固定在陰極底座7上。不使用在陰極W_6a內(nèi)側(cè)和陰極底座頂部外側(cè)加工螺紋，進(jìn)而將陰極底座擰入陰極內(nèi)的固定方式。陽極3的圓形頂面W_3a和圓柱形側(cè)面W_3b穿過空心圓盤4的中心，陽極3的圓環(huán)形底面W_3c上的圓孔與空心圓盤4背面的螺紋孔對齊并用螺栓17固定(參見圖2)。不使用分別在陽極外側(cè)W_3b和空心圓盤中心孔上加工螺紋，將陽極通過螺紋擰入空心圓盤的固定方式。以上兩種均不使用螺紋固定方式，原因是螺紋固定方式會降低陽極面W_3a與陰極表面W_6b的平行度，同時兩表面之間的距離也不能精確維持。在該實(shí)施例中，電子槍支架2由整塊金屬挖空得到，不使用焊接，保證垂直度，進(jìn)一步保證陽極面W_3a與陰極表面W_6b的平行度。陽極面W_3a與陰極表面W_6b的平行度的保證，是為了防止由于陰極和陽極表面由于不平行而使之間的電場分布不均勻，導(dǎo)致局部電場過大，對稱性降低，影響電場對對電子的加速效果，電子束內(nèi)部分布質(zhì)量降低，影響實(shí)驗精度。電子槍支架2通過螺栓32固定在電子槍底座9上。整個固定方式保證了陰極和陽極表面的平行度，陰陽極表面距離的精確度，電子槍各個部件的同軸度。整個設(shè)計經(jīng)過力學(xué)優(yōu)化分析，確保組件受力均勻。

另外，參見圖2，在該實(shí)施例中，陰極6與高壓電源29相連。為了避免高壓電源29接入時對陰極各部件產(chǎn)生過大應(yīng)力，高壓接入連接部件采用特殊設(shè)計。連接部件整體為球形，從而消除了尖端放電、降低了局部電場強(qiáng)度。參見附圖1和2，12、13為相互匹配的兩個半球形連接部分，上半球連接部分13通過導(dǎo)線14連接至高壓電源，下半球連接部分12通過導(dǎo)線11連接至陰極底座7。導(dǎo)線11與14分別通過緊固螺桿27擰入下半球連接部分12與上半球連接部分13側(cè)面的螺紋孔。在導(dǎo)線11與14被緊固前，下半球連接部分12與上半球連接部分13的組合體可自由移動，對陰極不產(chǎn)生應(yīng)力。

在本發(fā)明的電子槍中，所有的固定部件(例如螺栓或螺桿等)都內(nèi)藏或背藏，從而防止局部間隙電場放電現(xiàn)象。

如圖1或2所示，在該實(shí)施例中，陰極6和陽極3之間的距離為8mm，這是對應(yīng)100kV電子槍的優(yōu)選設(shè)計。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，所要求的電子槍承載電壓不同，陰極6和陽極3之間的距離可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。本發(fā)明人通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明的設(shè)計中，陰極6和陽極3的連接面的倒角半徑并不限于上述具體值，只要陰極6的圓形倒角的半徑大于陰極6和陽極3之間的距離，陽極3的橢圓形倒角的長軸大于陰極6和陽極3之間的距離，就能很好地消除尖端放電，從而防止局部電場過大。另外，當(dāng)陽極3的連接面W_3d具有圓形倒角時，消除尖端放電的效果會更好。

參見附圖2，在本發(fā)明的實(shí)施例中，電子槍具有兩種工作模式，從而保證了電子產(chǎn)額。

透射模式：第一激光源發(fā)出的激光36通過藍(lán)寶石窗10，進(jìn)入陶瓷柱8內(nèi)部的通孔31，接著通過陰極底座通光孔25和陰極中心通光孔21(參見圖4，圖2未示出)，射入陰極凹槽20處的石英片5并激發(fā)石英片5表面的金屬薄膜產(chǎn)生電子，所產(chǎn)生的電子被施加在陰極和陽極之間的電場加速并從電子槍射出。

反射模式：所述電子槍還包括反射鏡38，反射鏡38距陰極6外表面中心垂直距離(圖2中所示的反射鏡38與陰極6外表面中心的橫向距離)為250mm，水平距離(橫向距離的垂直方向上的距離)可調(diào)，用于改變反射鏡38反射到陽極3的中心通孔19的光的方向，同時保證不阻擋從陽極3的中心通孔19出射的電子束。在反射模式下，第二激光源發(fā)出的激光37被反射鏡38反射，通過磁屏蔽通光孔35、陽極中心通孔19，最終入射至石英片5表面的金屬薄膜，激發(fā)電子。在該實(shí)施例中，為了保證反射模式正常工作，磁屏蔽通光孔35的直徑至少為8mm，另外，為了使激光順利地通過陽極3的中心通孔19，在陽極3的圓形頂面W_3a的內(nèi)側(cè)設(shè)置包圍中心通孔19的凹槽18，如圖6A和7所示，凹槽18長14mm、寬2mm、深2mm，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，凹槽18的尺寸和形狀并不限于此。反射模式的電子槍克服了目前透射電子槍單發(fā)電子數(shù)量小的問題，提高了電子槍的穩(wěn)定性。對于反射模式的電子槍，金屬膜的厚度可以達(dá)到微米到毫米量級，因此，在這種情況下可以不需要支持金屬膜的石英片5。

參見附圖1和2，在本發(fā)明的實(shí)施例中，電子槍內(nèi)部所有部件均采用弱磁不銹鋼，從而提高抗磁性能。由于本發(fā)明的電子槍支架的特殊設(shè)計以及陽極固定圓盤的存在，電子槍呈現(xiàn)半封閉狀態(tài)，同時在支撐背面磁場屏蔽板1的存在，使電子槍可有效的防止外部磁場干擾，進(jìn)一步保證電子槍的穩(wěn)定工作狀態(tài)。本發(fā)明人通過優(yōu)化計算發(fā)現(xiàn)，為保證出射電子束穩(wěn)定性，電壓源電壓29輸出波動不超過0.1％。在電子槍與電壓源之間串聯(lián)限流電阻28，其阻值為串聯(lián)前系統(tǒng)阻值的十分之一至百分之一。通過此限流電阻，防止意外的放電對周邊電子設(shè)備的破壞。由于保護(hù)機(jī)制的存在，在電子槍預(yù)熱過程中，可利用可控弱放電過程對陰陽極表面進(jìn)行拋光與清理，為該類型電子槍增加了一種陰陽極表面拋光與清理方法。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。