CN104034740B - 基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置 - Google Patents

Abstract

基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置，包括束流传输线和光学成像***，其特征在于，束流传输线分成轴对称分布的前半段和后半段，所述光学成像***位于束流传输线末端；所述前半段的传输矩阵为六阶矩阵A：传输矩阵A满足色散消除条件：A₁₂=0、A₂₆=0、A₂₁=0、A₃₄=0、A₄₃=0；前、后下标分别表示该元素所在的行、列。本发明的有益效果是：利用偏转磁铁和四极磁铁组成消色散成像***，形成了聚焦成像的功能，同时在能量甄别平面上设置能量准直器，通过带电粒子的能量损失形成图像的对比度。

Description

基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置

技术领域

本发明涉及带电粒子照相技术，具体地，涉及一种基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置。

背景技术

带电粒子照相是一种透视照相技术。利用准单能带电粒子束穿过样品以获得图像，进而获取被照样品样品内部的密度、空隙等需要关注的信息。

带电粒子照相可以有两种形式，第一种是直接透视照相，第二种是采用电磁透镜聚焦的透视照相。采用聚焦透镜可以提高图像的分辨率，本发明仅涉及第二种照相方式。

聚焦电磁透镜也有两种形式，第一种是轴对称结构的，第二种是非轴对称结构的。轴对称结构电磁透镜的聚焦作用比较弱，只能使用能量较低的粒子，对较薄的样品进行照相。非轴对称结构的聚焦电磁透镜可以形成高得多的聚焦作用，从而适用于厚样品的照相。本发明仅涉及非轴对称结构的聚焦透镜。

带电粒子在样品中运动时，受到样品物质原子的作用，会形成三种效应，分别是粒子数量减小，粒子角度散射，粒子能量损失。在照相时，这些效应都会对获得的图像造成影响，也就是携带了样品内部的信息。

在目前常用的非轴对称的聚焦磁透镜中，可以利用粒子数量减小的信息形成图像的对比度，也可以利用粒子角度散射的信息形成图像的对比度。但对于粒子能量损失的信息，不但不能加以利用，反而是形成图像模糊度的主要因素，严重影响所获得图像的质量。

发明内容

为克服现有的带电粒子成像技术不能利用粒子能量损失，造成图像模糊，成像质量差的技术缺陷，本发明提供一种基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置。

本发明所述的基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置，包括束流传输线和光学成像***，其特征在于，束流传输线分成轴对称分布的前半段和后半段，所述光学成像***位于束流传输线末端；所述前半段由包括能量准直器的第二聚焦段，位于第二聚焦段前、后的第一聚焦段和第三聚焦段组成，所述第一聚焦段和第二聚焦段之间、第二聚焦段和第三聚焦段之间分别设置有第一偏转磁铁和第二偏转磁铁，所述前半段的传输矩阵为六阶矩阵A：

传输矩阵A满足色散消除条件：A₁₂=0、A₂₆=0、A₂₁=0、A₃₄=0、A₄₃=0 ；前、后下标分别表示元素所在的行、列。

具体的，通过在各个聚焦段设置四极磁铁使得传输矩阵A满足色散消除条件。

具体的，所述能量准直器由两块平行金属板组成。

具体的，所述光学成像***由光电转换屏和CCD相机组成

本发明的有益效果是：利用偏转磁铁和四极磁铁组成消色散成像***，形成了聚焦成像的功能，同时在能量甄别平面上设置能量准直器，通过带电粒子的能量损失形成图像的对比度。

附图说明

图1是本发明所述带电粒子照相装置的一种具体实施方式示意图；

图2是本发明所述能量准直器的结构示意图；

图3是经典的消色散结构示意图；

图4是本发明所述35Mev质子入射实施例标准能量(即35MeV)情况下粒子在能量准直器位置的分布情况；

图5是本发明所述35Mev质子入射实施例能量具有2%的偏差时粒子在能量准直器位置的分布情况；

附图中标记及相应的零部件名称：1-偏转磁铁，2-散焦四极磁铁，3-聚焦四极磁铁，4-第一聚焦段，5-第二聚焦段，6-第三聚焦段，7-前、后半段的几何对称轴，8-能量准直器，9-带电粒子束源，10-被照样品，11-电光转换屏，12-CCD相机，13-粒子传输轨迹。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明所述基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置，包括电子成像***，其特征在于，还包括成轴对称分布的前半段和后半段，所述电子成像***位于后半段末端；所述前半段由包括能量准直器的第二聚焦段，位于第二聚焦段前、后的第一聚焦段和第三聚焦段组成，所述第一聚焦段和第二聚焦段之间、第二聚焦段和第三聚焦段之间分别设置有第一偏转磁铁和第二偏转磁铁，所述前半段的传输矩阵为：

传输矩阵A满足色散消除条件：A12=0、A26=0、A21=0、A34=0、A43=0 ；

所述能量准直器满足能量准直条件。

对于单能带电粒子的传输***，如果需要成像，也就意味着，粒子在像平面的位置仅仅取决于其在物平面的位置，而与其在物平面的角度无关。

如果带电粒子不是单能的，还有消色散的要求，也就是粒子在像平面的位置不能与其在物平面的能量相关。在本发明中，如果前半段的传输矩阵为A，后半段的传输矩阵为B，整体的传输矩阵为R。这里仅关注粒子的水平坐标，水平角度以及能量。

根据《带电粒子束光学》(吕建钦著，高等教育出版社，2004)，并考虑到前半段和后半段成轴对称分布，则前半段、后半段和整体的传输矩阵A、B分别为：

(1)

其中A，B矩阵中标记X的元素与本发明在X平面的计算过程无关，将A，B简写为

，

本说明书中，以下出现的矩阵均为六阶矩阵，但均按照简写A、B的方法，只表示出第一、二、六行的第一、二、六列共九个元素，其余均未写出。

则整体传输矩阵R是B和A的乘积

（3）

在带电粒子传输***中，通常用六维坐标表示粒子的状态，用六维传输矩阵表示***的性能。

带电粒子六维坐标表达式如下。

(4)

式中为六维坐标，表示粒子水平坐标，表示粒子水平角度，表示粒子垂直坐标，表示粒子垂直角度，表示传输方向的粒子位置坐标，表示粒子能量的偏差。这里传输方向表示粒子束的运动方向，水平方向和垂直方向均在垂直于传输方向的平面内描述。

可以得到粒子在像平面的位置坐标：

即 (6)

为了在X平面成像，也就是粒子在像平面的位置与其初始角度x’无关，需要其系数A₁₂*A₂₂=0，由于A₂₂位于传输矩阵A的对角线上，一般情况下不易实现为零，因此最方便的方法是令

(8)

根据(6)式可知，为了消色散，也就是使粒子在像平面的位置与其初始能量无关，即与无关，可以取

A₁₂*A₂₆=0

当时，自然的，也满足A₁₂*A₂₆=0。

对于Y平面成像，利用相同的推导方法，可以得到相似的条件。

在实际的***中，由于粒子一般具有能量偏差，因此需要消色散。但即使一阶的色散已经消除，高阶色差也可能影响图像的质量。

当利用A₁₂=A₂₆=0消除一阶色散后，（6）式简化为

(10)

对其泰勒展开到二阶，以动量散度为变量展开，

(11)

假定输入的粒子束流是带调制的，也就是粒子的角度是和粒子位置线性相关。

即 (12)

式中是调制系数，是非理想因素导致的一个附加项。

再利用成像条件为成像平面上的粒子位置与粒子初始角度无关，即，将（12）式代入(11)式，可以得到：

(13)

由(13)式可知，为了消除与位置相关的二阶色差项，即系数为零，需要满足

即可满足二阶色差匹配条件. 当满足二阶色差匹配条件时，即满足成像条件，可以成像。

根据(5)式，，对R矩阵中的元素R₁₁以动量散度为变量求导，并考虑到成像条件中的，如果令

(15)

(16)

则(14)式成立。

利用相同的推导方法，得到垂直平面的二阶色差匹配条件。

以下论述能量准直条件的满足。

假定从***入口到前半段中能量准直器中轴位置的传输矩阵为T。

另外假定第一聚焦段4的传输矩阵为；偏转磁铁的偏转半径为R，偏转角度为，偏转磁铁的传输矩阵为；第二聚焦段5的传输矩阵为，其中第二聚焦段的前半段的传输矩阵为；第三聚焦段6的传输矩阵为。根据《带电粒子束光学》(吕建钦著，高等教育出版社，2004)，这些矩阵的具体表达式如下，其中、、的矩阵元是任意指定的。

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

根据加速器束流传输理论，可以写出从入口到能量准直器中轴的传输矩阵：

从粒子束入射起点到前、后半段的对称轴之间的传输矩阵可以写为：

(24)

各矩阵依次相乘，展开(24)式，令，，并考虑到（11）式，可以解出字母c和h的表达式，代入中，可以得到：

，下标表示元素的所处行列数。 (25)

粒子终态的六维坐标是传输矩阵乘以粒子初始六维坐标，因此粒子位置在能量准直平面的严格表达式为：

(26)

根据（15）式，粒子平行入射，在忽略非理想因素的情况下，，结合，得到

(27)

可见此时在能量准直平面上，粒子的位置只取决于其初始的能量偏差，因此满足能量准直条件。

利用以上计算过程，可以得到Y平面的消色散及能量准直条件

为 ：A₃₄=A₄₃=0.

综合上述各式，满足A₁₂=A₂₁=A₂₆=A₃₄=A₄₃=0条件的前半段传输矩阵A及与前半段完全对称的后半段可以实现消色散及能量准直功能。

为实现满足上述条件的传输矩阵A，可以采用如下方法实现，首先根据所采用带电粒子束的能量，选择适合该能量的四极磁铁和偏转磁铁，根据粒子束能量，和实际应用时的具体要求，例如现场空间大小、现有磁铁加工工艺的能力等，确定四极磁铁的磁场梯度、长度、孔径，偏转磁铁的偏转半径、偏转角度、磁极间隙等参数；然后在第一聚焦段、第二聚焦段、第三聚焦段中根据匹配计算的情况放置一定数量的四极磁铁，实际应用中，每一聚焦段根据需要可以不放置四极磁铁，也可以放置3块或4块或更多四极磁铁。

利用加速器束流传输理论编制的现有成熟软件例如Transport、Trace3D等的匹配功能，计算前半段的传输矩阵在满足A₁₂=A₂₁=A₂₆=A₃₄=A₄₃=0条件下，各块磁铁的具体参数；最后根据匹配计算获得的参数，合理设置能量准直器的参数。

根据(27)式，粒子在能量准直器上的水平位置只和其初始能量相关，因此能量准直器两块极板的间隙决定了可以通过的粒子能量范围，通过设置能量准直器两块极板间的间隙，使。

例如针对能量为35MEV(兆电子伏特)的质子源，根据上述计算过程，最终选择如下的技术方案：

第一聚焦段使用3块四极磁铁，第三聚焦段使用两块四极磁铁，第二聚焦段没有使用四极磁铁。在前半段，从粒子入射起点至对称轴的各个元件参数如表一所示，后半段各个元器件与前半段完全对称，整个***全长26.904米，一共使用4块偏转磁铁，10块四极磁铁。

表一中磁场梯度为正值时为聚焦磁铁，为负时为散焦磁铁。

表一

利用模拟计算软件G4Beamline对上述***建立模型，并进行了模拟计算。图4和图5给出了初始粒子在不同能量情况下，能量准直器位置的粒子分布情况。其中图4是标准能量(本实例是35MeV)情况下粒子在能量准直器位置的分布情况，图5是能量具有2%的偏差时粒子在能量准直器位置的分布情况。

从图4和图5可见，在水平方向，能量准直平面的粒子分布在一个很小的范围内，这正是理论分析给出的能量准直平面的效果；同时，由于2%的能量偏差，粒子分布的平均位置有大约11mm的改变，而根据设计软件Transport给出的结果，粒子能量偏离1%，粒子在能量准直器处的位置偏差将为5.57mm。可见二者之间接近一致。

如上所述，可较好的实现本发明。

Claims (4)

1.基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置，包括束流传输线和光学成像***，其特征在于，束流传输线分成轴对称分布的前半段和后半段，所述光学成像***位于束流传输线末端；所述前半段由包括能量准直器的第二聚焦段，位于第二聚焦段前、后的第一聚焦段和第三聚焦段组成，所述第一聚焦段和第二聚焦段之间、第二聚焦段和第三聚焦段之间分别设置有第一偏转磁铁和第二偏转磁铁，所述前半段的传输矩阵为六阶矩阵A：

传输矩阵A满足色散消除条件：A₁₂=0、A₂₆=0、A₂₁=0、A₃₄=0、A₄₃=0 ；前、后下标分别表示元素所在的行、列。

2.根据权利要求1所述的基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置，其特征在于，通过在各个聚焦段设置四极磁铁使得传输矩阵A满足色散消除条件。

3.根据权利要求1所述的基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置，其特征在于，所述能量准直器由两块平行金属板组成。

4.根据权利要求1所述的基于能量损失聚焦成像的带电粒子照相装置，其特征在于，所述光学成像***由光电转换屏和CCD相机组成。