CN108807119B - 紧凑型致偏磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括磁体的粒子束装置，所述装置包括：粒子束源，所述粒子束源被配置成发射电子束和离子束；多个轭，所述轭布置成基本上矩形的形状；线圈组，所述线圈组包括多个线圈，其中所述多个线圈的绕组均匀地分布在所述多个轭上并且缠绕在所述多个轭上，其中所述线圈组被配置成产生偶极场与四极场，其中所述磁体被配置成使电子束和离子束偏转和聚焦。

Description

紧凑型致偏磁体
相关申请的交叉引用
本申请要求在2017年4月27日提交的发明名称为“COMPACT MAGNET FORDEFLECTION AND FOCUSING OF ELECTRON AND ION BEAMS”的共同未决的美国临时专利申请No.62/491,122依据35U.S.C.§119(e)获得的优先权利益。以上提到的申请的公开内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及磁体，并且更具体地说，涉及用于使电子束和离子束偏转和聚焦的紧凑型磁体。
背景技术
许多带电粒子束装置需要束偏转、扫描和聚焦磁体。所述装置包括阴极射线管、X射线管、电子束计算机断层扫描器、调速管、扫描电子显微镜、氦离子显微镜、电子和离子光刻装置，以及其它装置。
将希望束偏转磁体具有均匀(偶极)磁场并且还产生四极聚焦场。所述磁体应能够扫过偏转角的一个范围，并且场分量将可绕最初束轴线磁性旋转。过去对磁体的上述设计要求的解决方案大体上涉及复杂的磁线圈布置。
发明内容
本公开涉及用于使电子束和离子束偏转和聚焦的磁体。在一个实现方式中，所述磁体由同一线圈组产生偶极场和四极场。
在一个实现方式中，公开一种包括磁体的粒子束装置。所述装置包括：粒子束源，所述粒子束源被配置成发射电子束和离子束；多个轭，所述轭布置成基本上矩形的形状；线圈组，所述线圈组包括多个线圈，其中所述多个线圈的绕组均匀地分布在所述多个轭上并且缠绕在所述多个轭上，其中所述线圈组被配置成产生偶极场与四极场，其中所述磁体被配置成使电子束和离子束偏转和聚焦。
在另一个实现方式中，公开一种磁体。所述磁体包括：多个轭，所述轭布置成基本上矩形的形状；线圈组，所述线圈组包括多个线圈，其中所述多个线圈的绕组均匀地分布在所述多个轭上并且缠绕在所述多个轭上，其中所述线圈组被配置成产生偶极场与四极场。
从本说明书中将显而易见其它特征和优势，本说明书举例说明了本公开的多个方面。
附图说明
可以通过查看附图来部分地了解本公开的、关于其结构和操作的细节，在附图中，相同的元件符号指代相同的部分，并且其中：
图1是根据本公开的一个实现方式的紧凑型磁体的3-D视图；
图2A是根据本公开的一个实现方式的紧凑型磁体的一个截面图(x-z平面)；
图2B是根据本公开的一个实现方式的紧凑型磁体的另一个截面图(y-z平面)；
图3是根据本公开的一个实现方式的紧凑型磁体的另一个截面图(x-y平面)；
图4是由于两个Y线圈中的相同电流而产生的偶极磁场(By)的示例性图；
图5是由于两个X线圈中的相同电流而产生的偶极磁场(Bx)的示例性图；
图6是由于两个Y线圈中的相反电流而产生的四极磁场的示例性图；
图7是由于两个Y线圈中的组合电流而产生的组合型偶极与四极磁场的示例性图；
图8示出由于轭的拐角处的四个QB线圈中的电流而产生的45°四极磁场的实例；
图9示出根据本公开的一个实现方式被配置成两个半部的轭；以及
图10示出本公开的一个实现方式，其中平行边磁体的磁轭被分割成相同条带。
具体实施方式
如上文所描述，过去对束偏转磁体的上述设计要求的解决方案大体上涉及复杂的磁线圈布置。本公开的某些实现方式提供显著减少磁体设计的复杂性的替代解决方案。就是说，替代解决方案包括由同一线圈组产生偶极场与四极场的磁体，这与偶极场和四极场由单独的线圈组产生的先前设计相反。
另外，本文中描述的替代解决方案的设计不仅简单，并且不像某些常规设计，所述磁体还可以在束管完成之后环绕所述管组装。另外，新设计的磁体能够产生比常规设计大的偏转角度。在阅读了这些描述之后，将明白在各种实现方式和应用中如何实施本公开。然而，虽然将在本文中描述本公开的各种实现方式，但是应理解，这些实现方式仅举例呈现并且并非限制性的。因而，对各种实现方式的此详细描述不应被理解为限制本公开的范围或宽度。
图1是根据本公开的一个实现方式的紧凑型磁体100的3-D视图。在一个实现方式中，紧凑型磁体100用在粒子束装置中，诸如阴极射线管、X射线管、电子束计算机断层扫描器、调速管、扫描电子显微镜、氦离子显微镜、或电子和离子光刻装置。除了所述磁体之外，所述粒子束装置还可以包括粒子束源。因而，在一个实现方式中，紧凑型磁体100用于使粒子束源发出的电子束和离子束偏转和聚焦。
在图1的所示实现方式中，紧凑型磁体100是喇叭形的，具有形状基本上是矩形(在x-y平面中)的入口孔110。在替代实现方式中，所述基本上矩形的形状是八角形的形状，该八角形的形状包括四个拐角120、122、124、126(例如，所述拐角成45°角)。在一个实现方式中，拐角120、122、124、126中的线圈被配置为四极B型(QB)。在一个实现方式中，在下游侧的轭的出口轮廓是弓形的以提供四极聚焦场，所述四极聚焦场可以用于抵销由于均匀场所致的偏转而产生的自然聚焦效应。
图2A是根据本公开的一个实现方式的紧凑型磁体100的截面图(x-z平面)200。图2A的截面图200示出线圈Y1(210)和线圈Y2(212)以及轭220、222。所述设计假定束偏转大部分是在一个平面(即，x-z平面)中。在图2A的所示实现方式中，所述形式是基于经典的“窗框”设计，倘若线圈电流均匀地分布在轭的相应面上，那么所述窗框设计具有非常均匀的内部偶极磁场。图2A还示出磁轭和线圈的一些替代形状230、232、234，对于所述磁轭和线圈，束处的磁场分布将是相同的。
图2B是根据本公开的一个实现方式的紧凑型磁体100的另一个截面图(y-z平面)250。图2B的截面图250还示出轭220。
图3是根据本公开的一个实现方式的紧凑型磁体100的另一个截面图(x-y平面)300。在图3的所示实现方式中，参考在图1、图2A、图2B和图3中界定的坐标系来示出各种线圈(标为线圈Y1(310)、线圈Y2(312)、线圈X1L(320)、线圈X1R(322)、X2L(330)、X2R(332))。
每一线圈的绕组是均匀地分布在轭的与之相应的面上。每一对(L，R)X线圈320/322或330/332电连接为单个线圈，但它们在机械上位于轭的单独半部上。轭的两个半部在对接接头340、342处连接，其中由于轭内部的主导磁场By，在接头340或342上存在零磁通量。
在图3的所示实现方式中，如下文所描述，X线圈320、322、330、332和Y线圈310、312中的电流产生偶极与四极磁场。虽然图3中所示的截面大体上是矩形的，但是其平行于束方向(在z方向上)的形式可以是喇叭形或平行边的。图3还示出任选QB线圈(例如，350)。如上文关于图1所描述，在下游侧的轭的出口轮廓是弓形的以提供四极聚焦场，所述聚焦场可用于抵销由于均匀场所致的偏转而产生的自然聚焦效应。在下文描述此弧形的半径的计算。
在下文中描述在图1、图2A、图2B和图3中示出为不同视图的紧凑型磁体100的设计背后的算法。因此，在一种情况中，紧凑型磁体100的线圈电流可以写成下式：
IY1＝IDY+IQY； [1]
IY2＝IDY-IQY； [2]
IX1＝IDX+IQX； [3]
IX2＝IDX-IQX. [4]
其中IDY＝线圈Y中的偶极电流，
IQY＝线圈Y中的四极电流，
IDX＝线圈X中的偶极电流，
IQX＝线圈X中的四极电流，并且
所有四个分量电流是独立的。
使用安培环路定律，方程式[1]-[4]中描述的线圈电流在束的区域中产生磁场，如下：
Figure GDA0002891630710000061
Figure GDA0002891630710000062
其中NY＝每一单独Y线圈中的匝数，
NX＝每一单独X线圈中的匝数，
μo＝磁导率常数，
μ＝磁轭材料的磁导率，
w＝轭的内宽，并且
g＝轭的垂直高度。
因此，基于上述磁场和线圈电流，有效磁场梯度的大小如下：
Figure GDA0002891630710000063
因此，可以如下计算四极透镜强度：
Figure GDA0002891630710000064
其中L(δ)＝磁体的有效长度，
e＝电子电荷，
c＝光速，并且
p是束动量。
在一个实现方式中，向两个Y线圈供应单独电流IY1和IY2。在另一个实现方式中，每一线圈包括两个绕组，一个载运偶极电流IDY，而另一个载运四极电流IQY。关于选择一个实现方式而非另一个实现方式的决定取决于实际考虑因素，诸如线圈驱动器的成本。
对于非零偏转，可以通过电子束光学***中的薄透镜元件来估算磁场的偶极分量，所述薄透镜元件具有圆柱形与四极聚焦强度。因此，在所述估算中，IDY是主导线圈电流，使得偏转完全在x-z平面中(诸如图2A中所示)，对于沿着入射束轴线L(0)磁体的给定长度，在最大偏转(δ)和束出射角(β)下：
Figure GDA0002891630710000071
其中
Figure GDA0002891630710000072
接着将磁体的径向聚焦强度(所述径向聚焦强度仅随束半径而变并且独立于方位角
Figure GDA0002891630710000076
)计算为
Figure GDA0002891630710000073
中的一阶，如下：
Figure GDA0002891630710000074
并且如下计算四极聚焦强度：
Figure GDA0002891630710000075
总聚焦强度是
Figure GDA0002891630710000077
不管线圈和轭的形状如何，这些定义都适用。因此，指出x-z平面中的总聚焦强度(T)是S+Q并且y-z平面中的总聚焦强度(T)是S–Q将是足够的。
接着如下计算轭的出口边界的对应半径：
Figure GDA0002891630710000081
其中可以针对δ和Q的所需最大值来计算β和R的必需值。
在最大偏转时S的设计值将决定入射电子束的所需最小发散。在较小值的偏转时，螺线管聚焦透镜可以包括在束光学***中以补偿偶极场的较小聚焦强度。
许多应用可能需要四极聚焦强度(Q)为零或接近于零。因此，这可能需要β≈1/2*δ并且R≈L(0)。如果如在本应用中Q将较小但非零，那么选择β和R的适当值来在最大偏转时产生Q的所需值。在较小偏转时，如上文所描述，通过线圈电流IQY来补充四极强度以产生必需的场梯度
Figure GDA0002891630710000082
在一个示例性实现方式中，轭是厚度为1.5mm或更多的高质量的高导磁合金(例如，磁导率(μ)大于50,000的软铁磁材料)。线圈是单层的，其中每一层使用直接绕在轭上的14美国线规(AWG)铜线。因此，使用(例如)长度(L(0))＝125mm、宽度(w)＝125mm并且间隙(g)＝50mm的设计尺寸，使200kV束偏转45°所需的磁场的偶极分量是94高斯。这由Y线圈中的每一者中的375安培匝数提供。这些线圈优选是以如图3中所示的匝接触来缠绕。这导致NY＝28匝，其中最大线电流为13.3A。举例来说，对于每一对X线圈，3.1°的最大垂直偏转由高达50的安培匝数提供。每一X线圈的每一半具有电流为2.5A的10匝。X线圈的匝如所指示是宽地且均匀地隔开。
如图2A中所示，磁轭的出口侧形成弧形，所述弧形的中心是在磁体上游的束轴线上。此配置确保磁体的偶极场起到在两个平面中具有大致相等聚焦强度的会聚透镜的作用。在大的偏转角度下，在束出口处通过轭的此轮廓产生四极场，所述四极场大致消除了由于偏转所致的有效聚焦。在偏转45°时，总体四极透镜的所得强度(例如)是约0.2屈光度。对于较小的偏转角度，总的四极透镜强度还需要为大致相同的值。必需的四极场强度是由Y线圈中的相反电流，例如，IQY＝0.33A，来供应。由于IQX是多余的，所以不使用IQX。
图4是由于两个Y线圈中的相同电流而产生的偶极磁场(By)的示例性图。
图5是由于两个X线圈中的相同电流而产生的偶极磁场(Bx)的示例性图。
图6是由于两个Y线圈中的相反电流而产生的四极磁场的示例性图。
图7是由于两个Y线圈中的组合电流而产生的组合型偶极与四极磁场的示例性图。
在为可旋转四极场使用八角形选项的替代实现方式中，如果在偏转之后的所需束剖面是椭圆形的并且没有被定向成其主轴线是垂直的或水平的，那么正交四极场可能需要(相对于坐标轴线成45°来定向)与主线圈的四极场结合。产生此类场所需的QB线圈350的位置在图3中指示并在图1中示出。
图8示出由于轭的拐角处的四个QB线圈中的电流而产生的45°四极磁场的实例。
图9示出根据本公开的一个实现方式被配置成两个半部910、912的轭900。在图9的所示实现方式中，两个半部910、912在点920、922处夹在一起，在所述点处，对于主偏转场，高导磁合金中的磁感应接近于零。所述夹紧有助于附接至束管***。在一个实现方式中，两个半部910、912可以通过非磁性条带来系固，所述非磁性条带是通过黄铜螺钉来附接。
在一个实现方式中，如果磁体1000将用在线圈电流和磁场必须快速地变化的扫描束管中，那么可能必需在磁轭中防止感应涡流。这可以通过对高导磁合金开槽和/或使用材料的多个层1010来实现。图10示出本公开的一个实现方式，其中所有高导磁合金条带将宜为相同的。
对这些实现方式的各种修改将是本领域的技术人员易于显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中描述的一般原理可以应用于其它实现方式。因此，所述技术不限于上文描述的特定实例。因此，将理解，本文中呈现的描述和图式表示本公开的当前可能的实现方式并且因此代表在广义上被本公开涵盖的标的。进一步理解，本公开的范围完全涵盖可能变成本领域的技术人员显而易见的其它实现方式，并且本公开的范围相应地仅受所附权利要求书限制。

Claims (20)

1.一种磁体，所述磁体包括：
轭，其中所述轭具有四个面的组和四个拐角的组；
第一组四个线圈，每个分别缠绕在所述四个面的组上；和
第二组四个线圈，每个分别缠绕在所述四个拐角的组上；
其中所述磁体响应于所述第一组四个线圈中的电流使发射的电子偏转，并且所述第二组四个线圈提供四极磁场，以将所述发射的电子的椭圆形光束轮廓的主轴定向为处于垂直的或水平的方向。
2.如权利要求1所述的磁体，其中所述第二组四个线圈彼此电连接，以响应于所述第二组四个线圈中的电流提供四极磁场。
3.如权利要求2所述的磁体，其中所述轭包括具有弧形轮廓的出口侧。
4.如权利要求3所述的磁体，其中所述四个面的组中的一对面在所述出口侧具有弧形轮廓。
5.如权利要求4所述的磁体，其中所述一对面彼此平行。
6.如权利要求5所述的磁体，其中所述轭是喇叭形的。
7.如权利要求1所述的磁体，所述轭包括具有弓形轮廓的出口侧。
8.如权利要求1所述的磁体，所述轭包括附接在一起的两个部分。
9.如权利要求8所述的磁体，所述附接在一起的两个部分的第一部分包括面的第一部分，所述附接在一起的两个部分的第二部分包括所述面的第二部分，其中第一组线圈中的线圈缠绕在所述面上包括：
第一部分线圈缠绕在所述面的第一部分上；和
第二部分线圈缠绕在所述面的第二部分上，所述第二部分线圈电连接到所述第一部分线圈以形成所述线圈。
10.如权利要求1所述的磁体，所述轭包括高导磁合金。
11.一种具有磁体的***，包括：
束管***；
附接至所述束管***的所述磁体，所述磁体包括：轭，其中所述轭具有四个面的组和四个拐角的组；第一组四个线圈，每个分别缠绕在所述四个面的组上；第二组四个线圈，每个分别缠绕在所述四个拐角的组上；和
发射电子的粒子束源，附接至所述束管***的所述磁体响应于所述第一组四个线圈中的电流使发射的电子偏转，并且所述第二组四个线圈提供四极磁场，以将所述发射的电子的椭圆形光束轮廓的主轴定向为处于垂直的或水平的方向。
12.如权利要求11所述的***，所述轭包括具有弧形轮廓的出口侧，所述磁体响应于所述第一组四个线圈中的电流而为发射的电子提供会聚透镜。
13.如权利要求11所述的***，所述磁体具有窗框设计，以响应于所述第一组四个线圈中的电流使发射的电子在第一平面和第二平面中偏转。
14.如权利要求13所述的***，
所述轭包括具有弧形轮廓的出口侧；
磁体，响应于所述第一组四个线圈中的电流为发射的电子在第一平面和第二平面中提供会聚透镜；和
所述第二组四个线圈彼此电连接，以响应于所述第二组四个线圈中的电流提供四极磁场。
15.如权利要求11所述的***，所述轭包括高导磁合金。
16.一种具有磁体的***，包括：
发射电子的粒子束源；
束管；
附接至所述束管的所述磁体，所述磁体包括：
轭；
第一对线圈和第二对线圈，其提供偶极磁场，从而分别在第一平面和第二平面中偏转发射的电子；和
四个线圈的组，其提供四极磁场，以将所述发射的电子的椭圆形光束轮廓的主轴定向为处于垂直的或水平的方向。
17.如权利要求16所述的***，所述轭包括具有弧形轮廓的出口侧，所述第一对线圈和所述第二对线圈为发射的电子提供会聚透镜。
18.如权利要求16所述的***，所述四个线圈的组彼此电连接，以响应于所述四个线圈的组中的电流提供四极磁场。
19.如权利要求16所述的***，所述轭包括高导磁合金。
20.如权利要求16所述的***，
所述第一对线圈包括第一组两个电连接的线圈；和
所述第二对线圈包括第二组两个电连接的线圈。
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