CN113192814B - 一种混合式磁聚焦透镜电子束成像*** - Google Patents

一种混合式磁聚焦透镜电子束成像*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混合式磁聚焦透镜电子束成像***。该***中光电阴极、阳极栅网、门控微通道板和CCD摄像模块依次同轴排列，光电阴极和阳极栅网紧邻设置，门控微通道板和CCD摄像模块紧邻设置，阳极栅网和门控微通道板间隔预设飞行距离；两个短磁透镜分别放置在光电阴极和门控微通道板处，四个长磁透镜均匀放置在阳极栅网和门控微通道板间隔的电子漂移区。本发明的平面光电阴极经混合式磁透镜成像后，像面也是一个平面，从而提高其空间分辨率均匀性，使得轴上点和轴外点空间分辨率一致。

Description

一种混合式磁聚焦透镜电子束成像***
技术领域
本发明涉及电子束成像领域，更具体地说，涉及一种混合式磁聚焦透镜电子束成像***。
背景技术
惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)实验中，激光打靶产生的等离子体X射线辐射包含极其丰富的物理信息，其持续时间在ns量级。采用具有ps量级时间分辨的超快相机对X射线辐射特性进行探测是ICF研究的关键诊断技术。门控微通道板(microchannel plate,MCP)分幅相机可以获得X射线辐射的二维空间分布及其时间特性，因而在ICF研究中具有比较重要的作用。随着ICF研究的不断深入，尤其是聚变燃烧阶段，对门控X射线分幅相机的时间分辨率提出了优于30ps的需求。由于MCP中电子渡越时间弥散较大，限制了时间分辨率的进一步提高，使得门控MCP分幅相机的时间分辨率约60至100ps，无法满足上述要求。减小MCP厚度可以降低渡越时间弥散，提高时间分辨率。1990年，P.M.Bell等人采用0.2mm厚的MCP，获得时间分辨率约35ps的门控MCP分幅相机。但薄MCP相机比较脆弱、增益低、信噪比差。2010年，美国Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)提出采用电子束时间放大技术来提高时间分辨率，成功地获得了具有5ps时间分辨率的X射线分幅相机。该相机首先利用电子脉冲时间放大技术对电子束团进行时间宽度展宽，再用传统的MCP变像管对时间放大后的电子束团进行测量，从而获得高的时间分辨率。然而，从光电阴极到MCP有一段500mm的漂移区，电子束团在漂移区运动时将会在空间发散，影响相机的空间分辨率，为了改善空间分辨率，需采用磁聚焦透镜将电子束团成像在MCP。美国LLNL采用螺线管长磁聚焦透镜对电子束进行成像，阴极成像灵敏面达φ120mm，磁场强度为370G时，空间分辨率为510um。国内深圳大学采用大口径短磁聚焦透镜电子束成像***，使得阴极灵敏面φ60mm范围内，空间分辨率为100um。2018年，美国LLNL将螺线管长磁聚焦透镜与hCMOS结合，研制了展宽型hCMOS分幅成像***。为了进一步提高空间分辨率，美国LLNL将螺线管线圈的激励电流增大。当脉冲电流峰值增大至1kA时，产生6kG的磁场强度，将空间分辨率提高至35um，但其成像灵敏面仅为25.6×12.8mm2。为了获得大成像灵敏面及高空间分辨，设计了一种基于长磁和短磁透镜的高空间分辨电子束成像***。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种混合式磁聚焦透镜电子束成像***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种混合式磁聚焦透镜电子束成像***，包括光电阴极、阳极栅网、门控微通道板、CCD摄像模块、两个短磁透镜和四个长磁透镜；
所述光电阴极、所述阳极栅网、所述门控微通道板和所述CCD摄像模块依次同轴排列，所述光电阴极和所述阳极栅网紧邻设置，所述门控微通道板和所述CCD摄像模块紧邻设置，所述阳极栅网和所述门控微通道板间隔预设飞行距离；
两个所述短磁透镜分别放置在所述光电阴极和所述门控微通道板处，四个所述长磁透镜均匀放置在所述阳极栅网和所述门控微通道板之间的电子漂移区。
进一步，在本发明所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，所述门控微通道板包括微通道板、微带传输线和荧光屏；
所述微带传输线设置在所述微通道板上，所述微通道板放置在靠近所述阳极栅网一侧，所述荧光屏放置在靠近所述CCD摄像模块一侧。
进一步，在本发明所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，所述短磁透镜为圆环形状，所述短磁透镜包括软铁外壳、铝骨架和铜线圈，所述铝骨架和所述铜线圈位于所述软铁外壳内，所述铜线圈缠绕在所述铝骨架上，所述软铁外壳的内侧中央有一圈缝隙，所述铜线圈产生的磁场通过所述缝隙溢出。
进一步，在本发明所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，所述短磁透镜的外径为356mm，内径为260mm，轴线方向长度为100mm，所述缝隙的宽度为4mm；所述铜线圈的匝数为1320匝。
进一步，在本发明所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，所述长磁透镜由铜漆包线缠绕而成。
进一步，本发明所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***还包括位于所述阳极栅网和所述门控微通道板之间的电子漂移管，四个所述长磁透镜依次相邻缠绕在所述电子漂移管上。
进一步，在本发明所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，所述长磁透镜为圆环形状，所述长磁透镜的内径为160mm，轴线方向长度为100mm，所述长磁透镜的线圈匝数为1320匝。
进一步，在本发明所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，以所述光电阴极为坐标原点，所述光电阴极的轴线方向为Z轴，两个所述短磁透镜和四个所述长磁透镜的放置位置为：
第一个所述短磁透镜的第一侧面的Z轴坐标为-50mm，第一个所述短磁透镜的第二侧面的Z轴坐标为50mm；
第一个所述长磁透镜的第一侧面的Z轴坐标为50mm，第一个所述长磁透镜的第二侧面的Z轴坐标为150mm；
第二个所述长磁透镜的第一侧面的Z轴坐标为150mm，第二个所述长磁透镜的第二侧面的Z轴坐标为250mm；
第三个所述长磁透镜的第一侧面的Z轴坐标为250mm，第三个所述长磁透镜的第二侧面的Z轴坐标为350mm；
第四个所述长磁透镜的第一侧面的Z轴坐标为350mm，第四个所述长磁透镜的第二侧面的Z轴坐标为450mm；
第二个所述短磁透镜的第一侧面的Z轴坐标为450mm，第二个所述短磁透镜的第二侧面的Z轴坐标为550mm。
进一步，在本发明所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，所述光电阴极、所述阳极栅网和所述门控微通道板位于真空管中。
进一步，本发明所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***还包括设置在所述光电阴极一侧、用于产生光信号的光发射模块，所述光发射模块发射的光信号照射到所述光电阴极上产生光电子。
实施本发明的一种混合式磁聚焦透镜电子束成像***，具有以下有益效果：本发明的平面光电阴极经混合式磁透镜成像后，像面也是一个平面，从而提高其空间分辨率均匀性，使得轴上点和轴外点空间分辨率一致。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是一实施例提供的混合式磁聚焦透镜电子束成像***的结构示意图；
图2是一实施例提供的混合式磁聚焦透镜电子束成像***的结构示意图；
图3是一实施例提供的轴线上磁场强度与位置的关系；
图4是一实施例提供的三维电子运动轨迹；
图5是一实施例提供的XZ截面电子运动轨迹；
图6是一实施例提供的YZ截面电子运动轨迹；
图7是一实施例提供的MCP面电子图像；
图8a、图8b、图8c、图8d是一实施例提供的MCP面电子图像；
图9是一实施例提供的MCP面电子图像在X轴方向上的分布。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
在一优选实施例中，长磁透镜60和短磁透镜50是两种实用的电子束成像***，长磁透镜60的优势在于能够获得较好的空间分辨率均匀性，短磁透镜50常用于高分辨电子显微镜，其优势在于能够获得更高的空间分辨率，但场曲较大，空间分辨率均匀性差。为了提高空间分辨率及其均匀性，本实施例结合长磁透镜60和短磁透镜50的优势，将两种透镜组合在一起，形成混合式磁聚焦透镜，将电子束从阴极成等大的像在MCP，成像倍率为1:1。
参考图1，本实施例的混合式磁聚焦透镜电子束成像***包括光电阴极(阴极)10、阳极栅网20、门控微通道板30、CCD摄像模块40、两个短磁透镜50和四个长磁透镜60，光电阴极10、阳极栅网20、门控微通道板30和CCD摄像模块40依次同轴排列，光电阴极10和阳极栅网20紧邻设置，门控微通道板30和CCD摄像模块40紧邻设置，阳极栅网20和门控微通道板30间隔预设飞行距离。两个短磁透镜50分别放置在光电阴极10和门控微通道板30处，四个长磁透镜60均匀放置在阳极栅网20和门控微通道板30之间的电子漂移区。
该混合式磁聚焦透镜电子束成像***的工作原理为：两个短磁透镜50和四个长磁透镜60用于提供所需磁场环境。光电阴极10在光的照射下产生光电子，光电阴极10上加载负直流高压，阳极栅网20接地，光电阴极10与阳极栅网20形成电场，为光电子加速，使光电子获得能量。加速后光电子进入阳极栅网20和门控微通道板30之间的电子漂移区，光电子穿过电子漂移区后被门控微通道板30吸收，光电子将被门控微通道板30选通并增益，倍增后的电子轰击门控微通道板30的荧光屏303产生可见光动态图像，用CCD摄像模块40观测采集该动态图像。
本实施例的平面光电阴极经混合式磁透镜成像后，像面也是一个平面，从而提高其空间分辨率均匀性，使得轴上点和轴外点空间分辨率一致。
在一实施例的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，参考图1，门控微通道板30包括微通道板301、微带传输线302和荧光屏303，微带传输线302设置在微通道板301上，微通道板301放置在靠近阳极栅网20一侧，荧光屏303放置在靠近CCD摄像模块40一侧。
在一实施例的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，短磁透镜50为圆环形状，短磁透镜50包括软铁外壳、铝骨架和铜线圈，铝骨架和铜线圈位于软铁外壳内，铜线圈缠绕在铝骨架上，软铁外壳的内侧中央有一圈缝隙，铜线圈产生的磁场通过所述缝隙溢出。作为选择，短磁透镜50的外径为356mm，内径为260mm，轴线方向长度为100mm，缝隙的宽度为4mm；铜线圈的匝数为1320匝。
在一实施例的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，本实施例的混合式磁聚焦透镜电子束成像***还包括位于阳极栅网20和门控微通道板30之间的电子漂移管，四个长磁透镜60依次相邻缠绕在电子漂移管上。长磁透镜60由铜漆包线缠绕而成。作为选择，长磁透镜60为圆环形状，长磁透镜60的内径为160mm，轴线方向长度为100mm，长磁透镜60的线圈匝数为1320匝。
在一实施例的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，因光电阴极10和门控微通道板30需要加载高压，需要工作于真空环境中，所以光电阴极10、阳极栅网20和门控微通道板30位于真空管中。真空管上设置有多个真空接头，用于将外部电信号接入光电阴极10和门控微通道板30。
在一实施例的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，参考图2，该混合式磁聚焦透镜电子束成像***还包括设置在光电阴极10一侧、用于产生光信号的光发射模块70，光发射模块70发射的光信号照射到光电阴极10上产生光电子。
在一实施例的混合式磁聚焦透镜电子束成像***中，以光电阴极10为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，光电阴极10的轴线方向为Z轴，建立直角坐标系，两个短磁透镜50和四个长磁透镜60的放置位置为：第一个短磁透镜50的第一侧面的Z轴坐标为-50mm，第一个短磁透镜50的第二侧面的Z轴坐标为50mm。第一个长磁透镜60的第一侧面的Z轴坐标为50mm，第一个长磁透镜60的第二侧面的Z轴坐标为150mm。第二个长磁透镜60的第一侧面的Z轴坐标为150mm，第二个长磁透镜60的第二侧面的Z轴坐标为250mm。第三个长磁透镜60的第一侧面的Z轴坐标为250mm，第三个长磁透镜60的第二侧面的Z轴坐标为350mm。第四个长磁透镜60的第一侧面的Z轴坐标为350mm，第四个长磁透镜60的第二侧面的Z轴坐标为450mm。第二个短磁透镜50的第一侧面的Z轴坐标为450mm，第二个短磁透镜50的第二侧面的Z轴坐标为550mm。
进一步，利用Monte Carlo方法、有限元法和有限差分法建立混合式磁聚焦透镜电子束成像***的理论模型，并对***静态空间分辨特性进行理论研究。模拟时，光电阴极10和MCP均只加载直流电压，***内部为静态电场，取光电阴极10电压-3kV，阳极栅网20电压0V，MCP电压-700V，光电阴极10与阳极栅网20距离1mm，阳极栅网20与MCP距离500mm。当磁透镜电流分别为I1＝18.44A，I2＝11.62A，I3＝13.55A，I4＝13.55A，I5＝11.62A，I6＝18.44A时，获得轴线上的磁场强度与位置的关系如图3所示。电子在光电阴极10的阴极面的发射位置分别为(0,0)、(1,0)、(2,0)、(3,0)、(-1,0)、(-2,0)、(-3,0)时，从光电阴极10到MCP的电子三维运动轨迹如图4所示。XZ截面、YZ截面的电子轨迹分别如图5、图6所示。由图5可得，电子在光电阴极10的阴极面轴上及轴外点发射时，其成像位置的Z坐标均约为501mm(MCP的Z坐标)。即平面的光电阴极10经混合式磁聚焦透镜成像后，像面依然是一个平面，从而提高了空间分辨率均匀性，MCP面电子图像如图7所示。
由MCP面电子图像获得***的空间分辨率，当光电阴极10发射两个电子束，混合式磁聚焦透镜将电子束成像在MCP面，形成两个电子图像，若两个电子图像能够在MCP面分辨，则空间分辨率优于阴极两个电子束的距离，当MCP面两个电子图像的距离满足瑞利判据时，此时阴极两个电子束的距离即为空间分辨率。在光电阴极10的阴极中心发射2个电子束，其中一个电子束坐标为(0,0)，另外一个电子束坐标分别为(50um,0)、(40um,0)、(30um,0)、(20um,0)时，MCP面电子图像分别如图8a、图8b、图8c、图8d所示。由图8a、图8b、图8c、图8d可得，MCP面两个电子图像的距离和光电阴极10上两个电子束的发射间距相同，则混合式磁透镜的成像倍率为1:1。此外，当光电阴极10上两个电子束的距离大于20um时，MCP面两个电子图像能够分辨。当光电阴极10上两个电子束的距离为20um时，MCP面两个电子图像有部分重叠，此时MCP面两个电子图像在X轴方向上的电子分布如图9所示，两个电子图像的距离满足瑞利判据，则轴上空间分辨率为20um。由此可获得离轴各个位置的空间分辨率。离轴1cm、2cm、3cm时，静态空间分辨率均约为20um，轴上位置与离轴位置空间分辨率几乎一致，空间分辨率均匀性好。
综上，长磁透镜和短磁透镜是两种实用的电子束成像***，长磁透镜的优势在于能够获得较好的空间分辨率均匀性。短磁透镜常用于高分辨电子显微镜，其优势在于能够获得更高的空间分辨率，但场曲较大，空间分辨率均匀性差。为了提高空间分辨率及其均匀性，结合长磁透镜和短磁透镜的优势，将两种透镜组合在一起，形成组合式磁聚焦透镜，将电子束从阴极成等大的像在MCP，成像倍率为1:1。对混合式磁聚焦透镜成像***的静态空间分辨特性进行了理论模拟，当光电阴极10的电压为-3kV，磁透镜电流分别为I1＝18.44A，I2＝11.62A，I3＝13.55A，I4＝13.55A，I5＝11.62A，I6＝18.44A时，在光电阴极10的阴极面φ60mm范围内静态空间分辨率均优于20um。此外，平面光电阴极10经混合式磁透镜成像后，像面也是一个平面，从而提高了***空间分辨率均匀性，使得轴上点和轴外点空间分辨率一致。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种混合式磁聚焦透镜电子束成像***，其特征在于，包括光电阴极(10)、阳极栅网(20)、门控微通道板(30)、CCD摄像模块(40)、两个短磁透镜(50)和四个长磁透镜(60)；
所述光电阴极(10)、所述阳极栅网(20)、所述门控微通道板(30)和所述CCD摄像模块(40)依次同轴排列，所述光电阴极(10)和所述阳极栅网(20)紧邻设置，所述门控微通道板(30)和所述CCD摄像模块(40)紧邻设置，所述阳极栅网(20)和所述门控微通道板(30)间隔预设飞行距离；
两个所述短磁透镜(50)分别放置在所述光电阴极(10)和所述门控微通道板(30)处，四个所述长磁透镜(60)均匀放置在所述阳极栅网(20)和所述门控微通道板(30)之间的电子漂移区；
所述短磁透镜(50)为圆环形状，所述短磁透镜(50)包括软铁外壳、铝骨架和铜线圈，所述铝骨架和所述铜线圈位于所述软铁外壳内，所述铜线圈缠绕在所述铝骨架上，所述软铁外壳的内侧中央有一圈缝隙，所述铜线圈产生的磁场通过所述缝隙溢出；
所述短磁透镜(50)的外径为356mm，内径为260mm，轴线方向长度为100mm，所述缝隙的宽度为4mm；所述铜线圈的匝数为1320匝；
所述长磁透镜(60)由铜漆包线缠绕而成；
还包括位于所述阳极栅网(20)和所述门控微通道板(30)之间的电子漂移管，四个所述长磁透镜(60)依次相邻缠绕在所述电子漂移管上；
所述长磁透镜(60)为圆环形状，所述长磁透镜(60)的内径为160mm，轴线方向长度为100mm，所述长磁透镜(60)的线圈匝数为1320匝；
以所述光电阴极(10)为坐标原点，所述光电阴极(10)的轴线方向为Z轴，两个所述短磁透镜(50)和四个所述长磁透镜(60)的放置位置为：
第一个所述短磁透镜(50)的第一侧面的Z轴坐标为-50mm，第一个所述短磁透镜(50)的第二侧面的Z轴坐标为50mm；
第一个所述长磁透镜(60)的第一侧面的Z轴坐标为50mm，第一个所述长磁透镜(60)的第二侧面的Z轴坐标为150mm；
第二个所述长磁透镜(60)的第一侧面的Z轴坐标为150mm，第二个所述长磁透镜(60)的第二侧面的Z轴坐标为250mm；
第三个所述长磁透镜(60)的第一侧面的Z轴坐标为250mm，第三个所述长磁透镜(60)的第二侧面的Z轴坐标为350mm；
第四个所述长磁透镜(60)的第一侧面的Z轴坐标为350mm，第四个所述长磁透镜(60)的第二侧面的Z轴坐标为450mm；
第二个所述短磁透镜(50)的第一侧面的Z轴坐标为450mm，第二个所述短磁透镜(50)的第二侧面的Z轴坐标为550mm。
2.根据权利要求1所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***，其特征在于，所述门控微通道板(30)包括微通道板(301)、微带传输线(302)和荧光屏(303)；
所述微带传输线(302)设置在所述微通道板(301)上，所述微通道板(301)放置在靠近所述阳极栅网(20)一侧，所述荧光屏(303)放置在靠近所述CCD摄像模块(40)一侧。
3.根据权利要求1所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***，其特征在于，所述光电阴极(10)、所述阳极栅网(20)和所述门控微通道板(30)位于真空管中。
4.根据权利要求1所述的混合式磁聚焦透镜电子束成像***，其特征在于，还包括设置在所述光电阴极(10)一侧、用于产生光信号的光发射模块(70)，所述光发射模块(70)发射的光信号照射到所述光电阴极(10)上产生光电子。
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