專利名稱:一種靜電聚焦飛秒條紋變相管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛秒條紋變相管，尤其涉及一種靜電聚焦飛秒條紋變相管。
背景技術(shù)：
條紋變相管時(shí)間分辨能力的理論極限是10fs，多年以來人們一直在向這個(gè)方向奮斗。國外在提高時(shí)間分辨方面有了顯著的進(jìn)展日本濱松公司和俄羅斯科學(xué)院普通物理研究所已經(jīng)研制功時(shí)間分辨能力為200fs的變相管。美國堪薩斯大學(xué)常增虎課題組通過在陽極和偏轉(zhuǎn)板之間放置一個(gè)寬度為5μm狹縫，將靜電聚焦的變相管的時(shí)間分辨提高到280fs(積分模式)，并且開展了時(shí)間分辨為100fs的變相管的研究工作。除了時(shí)間分辨能力以外，變相管的其它性能指標(biāo)也在不斷地提高，日本變相管的動(dòng)態(tài)范圍可以高達(dá)10000∶1，同步掃描的頻率可以高達(dá)175MHz，俄羅斯變相管空間分辨能力可以達(dá)到40lp/mm。其次便是變相管光譜響應(yīng)范圍的擴(kuò)展波長為5～75μm的遠(yuǎn)紅外變相管已經(jīng)問世，其時(shí)間分辨能力達(dá)到700fs。俄羅斯開展了離子(質(zhì)子或α粒子)變相管的研究(光電陰極用CsI)，時(shí)間分辨率為7ps，空間分辨率為70微米，同時(shí)也研制成功中子變相管探測(cè)器(聚乙烯膜上鍍CsI)。時(shí)間分辨率30ps，空間分辨率100微米；變相管的超小型化也取得了很大的進(jìn)展，且可以運(yùn)用于激光雷達(dá)成像技術(shù)上，另外，關(guān)于變相管的新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)例如阿秒變相管、各向異性聚焦變相管、大輸入畫面變相管、射頻圓掃描變相管等。在國內(nèi)，常增虎于1998年采用短磁聚焦替代靜電聚焦的方法，將行波偏轉(zhuǎn)器放置在短磁聚焦透鏡之前，減少了光電子從陽極到偏轉(zhuǎn)板入口之間的飛行時(shí)間，因而減少了由光電子初能量分散及空間電荷效應(yīng)引起的飛行時(shí)間彌散，減小了由空間電荷效應(yīng)造成的時(shí)間展寬；在保證物理時(shí)間分辨率和大動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，提高變相管的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)靈敏度和空間分辨率，從而有利于提高技術(shù)時(shí)間分辨率。該短磁聚焦條紋變相管在紫外波段時(shí)間分辨率已達(dá)540fs，在軟X-射線波段時(shí)間分辨率為880fs。但是短磁聚焦條紋變相管對(duì)磁透鏡激磁電流的穩(wěn)定性要求很高，激磁電流發(fā)生微小的改變，就會(huì)造成像面前后漂移，但是很難做到滿足要求的激磁恒流源，因此開發(fā)靜電聚焦的高時(shí)間分辨率條紋變相管則具有更現(xiàn)實(shí)的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種高時(shí)間分辨率、高空間分辨率的靜電聚焦飛秒條紋變相管，其一方面解決了國內(nèi)現(xiàn)有短磁聚焦條紋變相管像面不穩(wěn)定的技術(shù)問題，另一方面解決了傳統(tǒng)靜電聚焦條紋變相管時(shí)間分辨率低的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種靜電聚焦飛秒條紋變相管，包括陰極1、柵極2、聚焦電極3、陽極4、偏轉(zhuǎn)板5和熒光屏6，其特殊之處是，所述陰極1為圓板形；所述柵極2包括柵極主體20，柵極主體20的形狀為圓筒形，其靠近陰極1的端部設(shè)置有一個(gè)外凸臺(tái)21，所述外凸臺(tái)21上設(shè)置有柵網(wǎng)；所述聚焦電極3采用圓筒形結(jié)構(gòu)；所述陽極4靠近聚焦電極3的一端為陽極碗狀結(jié)構(gòu)41，其靠近偏轉(zhuǎn)板5的一端為陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)42，在陽極碗狀結(jié)構(gòu)41的小端面上設(shè)置有中心圓孔43；所述偏轉(zhuǎn)板5為一對(duì)傾斜放置的帶狀平板；所述柵極主體20的直徑與聚焦電極3的直徑之比為1.1～2.8。
上述陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)42的直徑與聚焦電極3的直徑之比為1.6～3.1。
上述柵極主體2的直徑與聚焦電極3的直徑之比以1.6～1.9為較佳；上述陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)42的直徑與聚焦電極3的直徑之比以2.0～2.5為較佳。
上述柵極主體20的直徑與聚焦電極3的直徑之比以1.74為最佳；上述陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)42的直徑與聚焦電極3的直徑之比為以2.3為最佳。
上述柵極2上設(shè)置有第一柵網(wǎng)22和第二柵網(wǎng)23，所述第二柵網(wǎng)23設(shè)置在柵極主體20之內(nèi)，所述第二柵網(wǎng)23的電壓比第一柵網(wǎng)22的電壓低100～200V。
上述柵極2、聚焦電極3、陽極4與陰極1間的電勢(shì)差分別為12～20kV、5～8kV、15～25kV。
上述偏轉(zhuǎn)板5的結(jié)構(gòu)為沿偏轉(zhuǎn)板5寬度方向往復(fù)連續(xù)的蛇形。
上述柵極2、聚焦電極3、陽極4與陰極1間的電勢(shì)差分別以15kV、6.3kV、20kV為最佳。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、空間分辨率高。從電子光學(xué)設(shè)計(jì)來講(不考慮熒光屏的實(shí)際空間分辨率)，整個(gè)變相管具有很高的空間分辨能力，即使在距離屏中央18.8mm遠(yuǎn)處，其空間分辨率也可以達(dá)到35lp/mm。
2、時(shí)間分辨率高。經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在沒有考慮空間電荷效應(yīng)的情況下，變相管的時(shí)間分辨能力可以達(dá)到290fs(包括技術(shù)時(shí)間和物理時(shí)間)，考慮到空間電荷效應(yīng)的不可避免性以及工藝過程中的對(duì)準(zhǔn)誤差，可望研發(fā)出時(shí)間分辨能力在500fs的變相管。本發(fā)明超過國內(nèi)靜電聚焦條紋相機(jī)時(shí)間分辨能力難以突破1ps的瓶頸。
3、像面穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)。因?yàn)椴捎渺o電聚焦而不是磁聚焦，像面的穩(wěn)定性高，一般不會(huì)造成圖像的模糊。
附圖圖面說明圖1是飛秒條紋變相管的電極結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是飛秒條紋變相管等位線分布圖；圖3是飛秒條紋變相管立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是飛秒條紋變相管行波偏轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)示意圖其中；1-陰極，2-柵極，20-柵極主體，21-外凸臺(tái)，22-第一柵網(wǎng)，23-第二柵網(wǎng)，3-聚焦電極，4-陽極，41-陽極碗狀結(jié)構(gòu)，42-陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)，43-中心圓孔，5-偏轉(zhuǎn)板，6-熒光屏。
具體實(shí)施方式本發(fā)明的一種靜電聚焦飛秒條紋變相管結(jié)構(gòu)參見圖1和圖3，包括陰極1、柵極2、聚焦電極3、陽極4、偏轉(zhuǎn)板5和熒光屏6，陰極1為圓板形，柵極主體20為圓筒形，其靠近陰極1的端部設(shè)置有一個(gè)外凸臺(tái)21，外凸臺(tái)21上設(shè)置有第一柵網(wǎng)22，該第一柵網(wǎng)22一方面在陰極1和柵極2之間形成強(qiáng)電場(chǎng)，保證電子在陰極1和柵極2之間具有較小的時(shí)間彌散，另一方面，被加速的光電子可以通過柵網(wǎng)小孔。在柵極2后半部分內(nèi)部可以設(shè)置第二柵網(wǎng)23，電壓比柵極2電壓低100～200V，以截獲第一柵網(wǎng)22上產(chǎn)生的二次電子。聚焦電極3采用圓筒狀結(jié)構(gòu)，后端有一個(gè)內(nèi)沿。陽極4靠近聚焦電極3的一端為陽極碗狀結(jié)構(gòu)41，其靠近偏轉(zhuǎn)板5的一端為陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)42，在陽極碗狀結(jié)構(gòu)41的小端面上設(shè)置有中心圓孔43，偏轉(zhuǎn)板5為行波偏轉(zhuǎn)板，其結(jié)構(gòu)為一對(duì)傾斜放置的帶狀平板，每個(gè)行波偏轉(zhuǎn)板的具體結(jié)構(gòu)為沿偏轉(zhuǎn)板寬度方向往復(fù)連續(xù)的蛇形。柵極主體20的直徑與聚焦電極3的直徑之比為1.74∶1；陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)42的直徑與聚焦電極3的直徑之比為2.3∶1。柵極2、聚焦電極3、陽極4與陰極1間的電勢(shì)差分別為15kV、6.3kV、20kV。
圖4是飛秒條紋變相管行波偏轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)示意圖，即由沿偏轉(zhuǎn)板寬度方向往復(fù)連續(xù)的蛇形結(jié)構(gòu)形成偏轉(zhuǎn)板。
本發(fā)明原理從光電陰極上發(fā)射出來的光電子，其初始能量、方位角、仰角、初始位置都滿足一定的統(tǒng)計(jì)分布。光電子的初始位置分布可以是均勻分布(均勻光照射時(shí))或近于高斯分布(激光近距離照射)，光電子的初始能量一般認(rèn)為服從β分布，當(dāng)給定光電子的初能量、初位置、以及初始傾斜角分布后，可以利用Monte Carlo(M-C)方法進(jìn)行抽樣。根據(jù)概率論中的大數(shù)定理，只有當(dāng)抽樣次數(shù)達(dá)到無窮大的時(shí)候，抽樣分布才能接近實(shí)際分布，而實(shí)際又很難做到抽樣次數(shù)達(dá)到無窮大，因此M-C抽樣結(jié)果是否可靠，必須得到驗(yàn)證。跟蹤電子軌跡的計(jì)算是基于以下假設(shè)A、光電子的初能量滿足在(0～0.6eV)上的β(1，4)分布，該分布的M-C抽樣采用直接抽樣法；B、電子的初位置滿足均勻分布；C、電子仰角服從(0～90°)的余弦分布，方位角服從(0～2π)范圍內(nèi)的均勻分布的電子，余弦分布的M-C抽樣采用積分抽樣法；有限差分法是應(yīng)用最早的一種電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法，具有簡單、直觀等優(yōu)點(diǎn)。有限差分法的基本原理是將連續(xù)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)集用離散的點(diǎn)陣來代替，從而將求解電場(chǎng)的泊松方程(拉普拉斯方程)中的偏微商用相鄰點(diǎn)之間的差分代替，經(jīng)過這樣的處理，利用數(shù)值方法迭代求解由差分方程組建的方程組。
當(dāng)不考慮空間電荷分布時(shí)，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱靜電場(chǎng)中的拉普拉斯方程為∂2U∂r2+∂Ur·∂r+∂2U∂z2=0---(1)]]>
在直角坐標(biāo)系下，三維空間的Laplace方程有如下形式∂2U∂x2+∂U∂y2+∂2U∂z2=0---(2)]]>上述方程的求解，對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱場(chǎng)，采用5點(diǎn)差分公式(Pnew、P1、P2、P3、P4)，而三維空間場(chǎng)(偏轉(zhuǎn)場(chǎng))的計(jì)算，采用7點(diǎn)差分公式(Pnew、P1、P2、P3、P4、P5、P6)。
當(dāng)用有限差分法計(jì)算得到空間電場(chǎng)分布以后，就可以用四階Runge-Kutta法求解電子運(yùn)動(dòng)方程、追蹤電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖2為飛秒條紋變相管等位線分布圖。
要提高變相管的時(shí)間分辨率，首先要增強(qiáng)陰極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度。但研究表明僅僅提高陰極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度來提高變相管的時(shí)間分辨率是有限的。事實(shí)上，透鏡區(qū)域的時(shí)間彌散要大于柵極以前的時(shí)間彌散。而且空間電荷效應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響也是大于柵極以前的區(qū)域。對(duì)變相管來說，電子束交叉區(qū)域的空間電荷效應(yīng)對(duì)時(shí)間彌散以及脈沖展寬的貢獻(xiàn)并不大，而是存在一個(gè)最優(yōu)的掃描速度，在該速度下，其技術(shù)時(shí)間分辨率達(dá)到最高。因此，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是聚焦電極以及陽極電極結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及最佳掃描速度的確定上，并沒有考慮空間電荷效應(yīng)對(duì)變相管性能參數(shù)的影響。用Monte Carlo方法抽取3000個(gè)電子，其初始狀態(tài)滿足上面給出的三個(gè)假設(shè)，然后利用軌跡追蹤法對(duì)變相管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括最佳像面的確定、調(diào)制傳遞函數(shù)的計(jì)算、像差、畸變等。
表1是電子束在不同偏轉(zhuǎn)電壓下，距離屏中央不同距離的空間分辨率。
表1空間分辨率與偏轉(zhuǎn)距離的關(guān)系(對(duì)比度降低到10％的空間頻率)
可以看出就電子光學(xué)設(shè)計(jì)來講(不考慮熒光屏的實(shí)際空間分辨率)，整個(gè)變相管具有很高的空間分辨能力，即使在距離屏中央18.8mm遠(yuǎn)處，其空間分辨率也可以達(dá)到35lp/mm。陰極上寬度為20μm的狹縫范圍內(nèi)的光電子達(dá)到熒光屏邊緣(18.8mm)時(shí)形成寬度為90μm像，而在靠近熒光屏中心位置處，狹縫的像基本保持在65～70μm左右，表現(xiàn)出良好的偏轉(zhuǎn)線性，這一結(jié)論可以從表2的結(jié)果中充分體現(xiàn)出來(表2為在陰極上寬度為20μm的狹縫范圍內(nèi)的光電子，在不同的偏轉(zhuǎn)電壓下達(dá)到熒光屏不同位置時(shí)的展寬效應(yīng))。在靠近屏中央位置附近，狹縫像的寬度基本就等于陰極上狹縫寬度與變相管放大倍率3的乘積，而靠近熒光屏邊緣處(電子在離開偏轉(zhuǎn)板時(shí)距離偏轉(zhuǎn)板很近)，受到偏轉(zhuǎn)板邊緣場(chǎng)作用很大，導(dǎo)致狹縫像進(jìn)一步展寬。
表2狹縫像寬與偏轉(zhuǎn)電壓、離軸距離的關(guān)系
變相管時(shí)間分辨能力的估算通過軌跡追蹤法得到變相管的偏轉(zhuǎn)靈敏度為P＝3.12115×10-5m/V，如果要得到3×108m/s的掃描速度，則要求掃描電壓的斜率K＝9.612kV/ns，是屬于快掃描電壓，這就要采用行波偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，以改善頻率響應(yīng)，采用傾斜放置的彎曲帶型偏轉(zhuǎn)板，長度為40mm，兩端間距分別為3mm和7mm，寬度為30mm，為了改善偏轉(zhuǎn)像質(zhì)，掃描電壓采用正負(fù)對(duì)稱接法。電子束到達(dá)最佳像面的物理時(shí)間分辨為τ物理＝272.6fs，如果掃描速度可以達(dá)到3×108m/s，則在熒光屏上寬度為90μm的條紋所對(duì)應(yīng)的技術(shù)時(shí)間分辨率τ技術(shù)＝300fs，則變相管的總的時(shí)間分辨率
這種估計(jì)是比較保守的一種估計(jì)方法，如果狹縫的像能落在靠近熒光屏6中心位置的地方，偏轉(zhuǎn)板的“散焦作用”相對(duì)弱一些，陰極上寬度為20μm的條紋在熒光屏上的條紋像越窄，對(duì)應(yīng)的技術(shù)時(shí)間分辨率會(huì)更高一些，表2就說明了這一點(diǎn)距離熒光屏中心越近，電子經(jīng)過偏轉(zhuǎn)板受到邊緣場(chǎng)作用越弱，電子受到偏轉(zhuǎn)場(chǎng)的作用幾乎是一致的，狹縫像的寬度幾乎保持在70μm左右。如果采用濱松公司的計(jì)算方法陰極上寬度為5μm的狹縫到達(dá)熒光屏邊緣的像寬為30μm，對(duì)應(yīng)的技術(shù)時(shí)間分辨能力為τ技術(shù)＝100fs，總的時(shí)間分辨能力就是290.4fs。另外，為了提高提高熒光屏上圖像的對(duì)比度，必須在柵極后面放置一個(gè)二次電子陷阱，使二次電子不能到達(dá)熒光屏，以降低變相管的噪聲，也會(huì)提高變相管的空間分辨率，二次電子陷阱可以由放置在柵網(wǎng)后面的另一個(gè)柵網(wǎng)構(gòu)成，電壓比柵極電壓低100～200V就可以了。
本發(fā)明的變相管的總長度為300mm，放大倍率為3，陰極和柵極之間的間距為2mm，陰極和柵極之間的電勢(shì)差為15kV，聚焦電極電壓為6.3kV，陽極電壓為20kV，電子束交叉點(diǎn)距離陰極的距離為151mm。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的飛秒條紋變相管，在沒有考慮空間電荷效應(yīng)的情況下，變相管最保守的時(shí)間分辨能力的估算值為405fs，考慮到空間電荷效應(yīng)的不可避免性以及工藝過程中的對(duì)準(zhǔn)誤差，可望研發(fā)出時(shí)間分辨能力在500fs的變相管，不過在工藝上采取一些切實(shí)可行的辦法，有望進(jìn)一步提高該變相管的時(shí)間分辨能力，比如改進(jìn)工藝條件，提高陰極和柵極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度、在偏轉(zhuǎn)板前設(shè)置狹縫以及讓條紋像盡量落在熒光屏中心附近等，都是提高變相管時(shí)間分辨能力的好辦法。
權(quán)利要求
1.一種靜電聚焦飛秒條紋變相管，包括陰極(1)、柵極(2)、聚焦電極(3)、陽極(4)、偏轉(zhuǎn)板(5)和熒光屏(6)，其特征在于所述陰極(1)為圓板形；所述柵極(2)包括柵極主體(20)，柵極主體(20)的形狀為圓筒形，其靠近陰極(1)的端部設(shè)置有一個(gè)外凸臺(tái)(21)，所述外凸臺(tái)(21)上設(shè)置有柵網(wǎng)；所述聚焦電極(3)采用圓筒形結(jié)構(gòu)；所述陽極(4)靠近聚焦電極(3)的一端為陽極碗狀結(jié)構(gòu)(41)，其靠近偏轉(zhuǎn)板(5)的一端為陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)(42)，在陽極碗狀結(jié)構(gòu)(41)的小端面上設(shè)置有中心圓孔(43)；所述偏轉(zhuǎn)板(5)為一對(duì)傾斜放置的帶狀平板；所述柵極主體(20)的直徑與聚焦電極(3)的直徑之比為1.1～2.8。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種靜電聚焦飛秒條紋變相管，其特征在于所述陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)(42)的直徑與聚焦電極(3)的直徑之比為1.6～3.1。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的一種靜電聚焦飛秒條紋變相管，其特征在于所述柵極主體(20)的直徑與聚焦電極(3)的直徑之比為1.6～1.9；所述陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)(42)的直徑與聚焦電極(3)的直徑之比為2.0～2.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的一種靜電聚焦飛秒條紋變相管，其特征在于所述柵極主體(20)的直徑與聚焦電極(3)的直徑之比為1.74；所述陽極圓筒狀結(jié)構(gòu)(42)的直徑與聚焦電極(3)的直徑之比為2.3。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1或2或3或4所述的一種靜電聚焦飛秒條紋變相管，其特征在于所述柵極(2)上設(shè)置有第一柵網(wǎng)(22)和第二柵網(wǎng)(23)，所述第二柵網(wǎng)(23)設(shè)置在柵極主體(20)之內(nèi)，所述第二柵網(wǎng)(23)的電壓比第一柵網(wǎng)(22)的電壓低100～200V。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的一種靜電聚焦飛秒條紋變相管，其特征在于所述柵極(2)、聚焦電極(3)、陽極(4)與陰極(1)間的電勢(shì)差分別為12～20kV、5～8kV、15～25kV。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的一種靜電聚焦飛秒條紋變相管，其特征在于所述偏轉(zhuǎn)板(5)的結(jié)構(gòu)為沿偏轉(zhuǎn)板(5)寬度方向往復(fù)連續(xù)的蛇形。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6或7所述的一種靜電聚焦飛秒條紋變相管，其特征在于所述柵極(2)、聚焦電極(3)、陽極(4)與陰極(1)間的電勢(shì)差分別為15kV、6.3kV、20kV。
專利摘要
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種采用靜電聚焦的飛秒條紋變相管，該變相管陰極1為圓板形；柵極2的主體部分為圓筒形，其端部設(shè)置有一個(gè)外凸臺(tái)21，外凸臺(tái)21上設(shè)置有柵網(wǎng)；聚焦電極3采用圓筒形結(jié)構(gòu)；陽極4靠近聚焦電極3的一端為碗狀結(jié)構(gòu)，碗狀結(jié)構(gòu)的小端面上設(shè)置有中心圓孔43，其靠近偏轉(zhuǎn)板5的一端為圓筒狀結(jié)構(gòu)；偏轉(zhuǎn)板5為一對(duì)傾斜放置的帶狀平板；柵極2的主體部分直徑與聚焦電極3的直徑之比為1.1～2.8。通過采用上述結(jié)構(gòu)，并利用Monte Carlo方法進(jìn)行抽樣，用有限差分法計(jì)算電場(chǎng)分布，用四階龍格－庫塔法模擬跟蹤大量光電子的運(yùn)行軌跡并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終給出了變相管的空間調(diào)制傳遞函數(shù)、時(shí)間分辨能力等基本參數(shù)。
文檔編號(hào)H01J29/02GK1992140SQ200510022762
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年12月30日
發(fā)明者田進(jìn)壽, 白永林, 劉百玉, 歐陽嫻, 白曉紅, 楊文正, 王琛, 黃蕾 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan