CN103221836B - 用于测量粒子射束内的主流自旋矢量的矢量分量的自旋检波器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自旋检波器装置，用于检测在具有主流自旋方向粒子的粒子射束（T）内的主流自旋矢量的矢量分量。该自旋检波器装置包括：具有可切换线圈（5）的自旋旋转器（1），其中可切换线圈（5）包括一个轴向方向，且取向设置为，粒子射束（T）沿着轴向方向贯穿可切换线圈（5）；偏转装置（7）连接自旋旋转器（1）的下游，该装置以一偏转角度，静电地偏转粒子射束（T）的轨道；自旋检波器（9）连接导向装置（7）的下游，允许在粒子射束（T）内的主流自旋矢量的矢量分量进行检测，上述矢量分量与粒子射束（T）的运动方向垂直；和与线圈（5）连接的切换单元（15），允许切换线圈（5）的激发态。

Description

用于测量粒子射束内的主流自旋矢量的矢量分量的自旋检波器装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量具有主流自旋方向粒子的粒子射束内主流自旋矢量的矢量分量的自旋检波器装置。此外，本发明还涉及一种对具有主流粒子自旋方向粒子的粒子射束内主流自旋矢量的全部矢量分量进行检波的方法。

背景技术

例如：在DE102005045622A1、DE2646394A1、DE19842476C1、EP0490170A2、US4,760,254、US2010/0155598A1及JP61-283890中，公开了用于主流自旋矢量的矢量分量检波的自旋检波器装置。

在DE102005045622A1、DE19842476C1和DE2646394A1内，阐述了电子射束自旋极化矢量分量的检波方法及装置，但是，不能对全部三个分量进行检波。

EP0490170A2阐述了一种自旋检波装置，其中应用一种铁磁电极，其具有一个特定的极化方向。通过具有恒定角速度的旋转器，旋转待测量电子射束的极化矢量。通过一种Login放大器，针对中间电极上的交流电信号，进行检波，对此，将通向旋转器的锯齿形电流信号用作基准。通过锯齿形基准信号和检测的交流电信号之间的相位差，确定中间电极上出现的极化矢量和中间电极磁化矢量之间的角度。为能够通过该方法，确定极化矢量的全部三个分量，可采用具有四个中间电极的检波器。

US4,760,254阐述了一种装置和一种方法，用于测量电子射束的自旋极化矢量，采用该装置，能够测量自旋极化矢量的全部三个分量。该装置具有一种球面电容器，在进入电子射束的视线上，电容器具有一个开口。根据电容器是否充电，将电子射束输入第一个中间电极或第二个中间电极。一个中间电极用于测量x分量和y分量，另外一个中间电极用于测量y分量和z分量。

JP61-283890阐述了一种装置，通过该装置能够测量电子射束的全部三个分量。电子射束贯穿两个前后设置的中间电极，在第一个中间电极和第二个中间电极之间，球面检波器引导电子射束。

根据当前的技术状况，针对测量自旋极化检波器的全部三个分量，需采用多个电极。

US2010/0155598A1阐述了一种电子自旋检波器，采用该装置能够确定自旋极化检波器的全部三个分量。通过一种磁化薄膜实施检波，薄膜能够在特定的方向上，对自旋进行检波。针对确定自旋极化检波器的全部三个分量，在该装置内，设置了两个自旋旋转器，通过旋转器，将旋极化检波器的任意一个矢量引导进能够检波的方向上。

发明内容

本发明的任务在于，设计一种具有优势的自旋检波器装置，用于对一个粒子射束内主流自旋矢量的全部矢量分量进行检波。本发明的其它任务在于，提供一种改进的方法，对一个粒子射束内主流自旋矢量的全部矢量分量进行检波。

第一项任务通过权利要求1所述的自旋检波器装置完成，第二项任务通过权利要求9所述的方法完成。在从属权利要求阐述了本发明的优选设计方式。

本发明所述的自旋检波器装置用于一个粒子射束内主流自旋矢量的矢量分量的检波，该粒子射束具有粒子的主流自旋取向，该装置包括一个自旋旋转器、一个连接在自旋旋转器下游的偏转装置（它偏转粒子射束轨道，例如：可以在静电作用下，按照一个角度偏转）、一个连接在静电偏转装置下游的自旋检波器，自旋检波器能够在粒子射束运动的垂直方向上，对矢量分量进行检波。自旋旋转器至少具有一个可切换的线圈，线圈具有一个轴向方向，其取向设置为，粒子射束能够沿着轴向方向，穿过可切换的线圈。可切换的线圈与切换单元连接，切换单元能够切换线圈的励磁状态，这样，可以控制线圈生成的磁场。此外，自旋旋转器可选地具有一种静电透镜或磁性透镜。

采用该检波器，例如：莫特检波器，特别是微型莫特检波器，能够通过粒子在中间电极上的散射，对粒子射束内主流自旋矢量的矢量分量，进行检波，接触中间电极时，矢量分量与粒子射束的运动方向垂直。通过可切换的线圈，粒子射束贯穿导向装置前，粒子射束内主流自旋检波器在空间方面，围绕“以前的”粒子射束运动方向旋转。通过上述围绕“以前的”运动方向的旋转，确定：贯穿导向装置后，粒子射束内主流自旋检波器的哪些矢量分量在与“新的”运动方向垂直的层面上，就是说，接触检波器的中间电极时，位于运动方向上。通过切换线圈，可以变更各个与“新”运动方向垂直的矢量分量。根据线圈的切换形式，检波器对粒子射束内主流自旋矢量的不同矢量分量，进行检波。这样，可以对主流自旋矢量的全部矢量分量，进行检波。

相对于当前技术状态下的自旋检波器，本发明的优势在于：仅需要一个电极。

根据本发明所述的自旋检波器装置，可以实施本发明所述的方法，用于一个粒子射束内主流自旋矢量的全部矢量分量的检波。采用该方法，通过一个检波器先后测量主流自旋矢量的两个矢量分量，通过切换单元，在第一次测量时，将自旋旋转器的线圈切换进第一励磁状态，在下一次测量时，将线圈切换进第二励磁状态。线圈的第一励磁状态和第二励磁状态通过的电流强度和/或通过线圈的电流符号是不同的。

在第一个可变范例中，线圈可以在第一励磁状态下，导通特定强度的电流，在第二励磁状态下，导通与第一励磁状态相同强度的电流，但是，与第一励磁状态下的电流相比，该电流具有相反的符号。该设计方式的优势在于，切换单元不会影响自旋旋转器的粒子光学特性，原因在于：线圈的透镜效果只受流过线圈的电流强度影响，不受电流符号的影响。

在该工艺的第二个可变范例中，线圈可以在第一励磁状态下，导通特定强度的电流，电流大于零，第二励磁状态下，导通强度为零的电流。换句话说，在本可变形式中，线圈在第二励磁状态下，不导通电流。由于切换单元只将贯穿线圈的电流切换为接通和切断，因此，可以简便地设置该切换单元。

贯穿线圈的电流的强度决定了线圈内生成的磁场的磁通密度。该密度决定了自旋矢量围绕“以前”运动方向旋转的速度。通过线圈内导通的电流的强度，根据预定的线圈长度，确定主流自旋矢量围绕“以前”运动方向旋转的角度。设置自旋旋转器的可切换线圈内导通的电流的强度和符号后，可以通过线圈的励磁状态，设置磁场的强度和方向，这样，能够确定自旋矢量围绕“以前”运动方向旋转的角度以及旋转方向。

如果磁轭环绕自旋旋转器的可切换线圈，则可以在相同的电流强度下，生成更强的磁场。相对于没有磁轭的线圈，较短的线圈可以实现主流自旋矢量的特定旋转。可选方式还有：通过相同长度的线圈，实现主流自旋矢量的特定旋转，例如：采用没有磁轭的线圈和较低强度的电流。此外，磁轭可以降低散射场，这样，通过可切换的磁场，能够在最大程度上降低对自旋旋转器反映特性的影响。

附图说明

图1本发明所述自旋检波器装置的实施范例的示意图；

图2磁场内的自旋旋转；

图3展示了本发明所述自旋检波器装置的具体实施范例，截面透视图。

具体实施方式

根据图1，阐述了本发明所述自旋检波器装置的实施范例。装置的重要组成部分包括一个自旋旋转器1、它如实施范例内展示的具有可切换线圈5的电子透镜3；连接到自旋旋转器下游的偏转装置7，在本实施范例内纯静电操作；连接到静电导向装置下游的自旋检波器9，在该实施范例内，将其设计为微型莫特检波器。此外，在展示的实施范例内，本发明所述自旋检波器装置还可以具有其它的静电元件或磁性元件11。例如：上述元件可以是其它的静电透镜、漂移管或是电容器，通过这些元件，操作调整贯穿自旋检波器装置输入粒子的粒子射束的轨道。如上所述，实施范例内的自旋旋转器1具有一个静电透镜。是否采用静电透镜，不是自旋旋转器功能的必须条件。在最简单的设计中，自旋旋转器只具有一个线圈5，通过线圈的磁场，实现自旋旋转。如果除了线圈5，自旋旋转器还具有其它的元件，则可以不使用静电透镜3，而采用其它静电元件以及/或者磁性元件，例如：磁性透镜、漂移管等，或者针对静电透镜3进行添加。

粒子射束T贯穿入口13，进入自旋旋转器范围，同时，前后贯穿自旋旋转器1和静电偏转元件7，最后，进入微型莫特检波器9。粒子射束T具有自旋的粒子，射束内粒子的自旋方向是一个优选方向。通过自旋矢量，确定该优选方向，通过自旋矢量的三个部分，确定自旋矢量。但是，不是说粒子射束T的全部粒子都具有在优选方向的自旋。在一定程度上，单一粒子的自旋方向具有一个分布，当自旋方向与优选方向一致时，该分布具有一个最大值。最大值的锐度，就是说，其高度相对于宽度的比例取决于粒子射束内极化的程度，粒子射束随后取决于产生极化的过程。

在微型莫特检波器9内，可以通过出现散射的平面中间电极，确定粒子射束T内主流自旋矢量的各个矢量分量，散射取决于电极平面内粒子的极化方向，其电极平面与粒子射束基准方向垂直，矢量分量与粒子射束T的运动方向垂直。例如：如果采用图1内所示的方向，在该方向上，自旋检波器设置中的粒子射束贯穿入口13，在一个与粒子射束中粒子自旋连接的坐标系内，将其定义为Z方向，则与其垂直的方向为X方向和Y方向。在展示的实施范例内，静电偏转元件7偏转粒子射束的方向90°而其自旋方向没有变化。因此，在本实施范例内，其运动方向在穿过导向元件7后，与X方向相对，如通过A标记的坐标轴所示。随后，在微型莫特检波器9内，如果自旋旋转器1不旋转粒子射束中的粒子，则代表了主流自旋方向的自旋矢量的Y分量和Z分量接受检波。如果自旋旋转器1不造成自旋，则粒子射束中的自旋优选方向不受影响，因此，与其连接的坐标系的方向不受影响。

在所述实施范例中，自旋旋转器1除了具有静电透镜3，同时，还具有可切换的线圈5，相对于粒子射束T的运动方向，设置线圈，使粒子射束贯穿线圈的轴向，就是说，在所述实施范例内，线圈的轴向在与粒子射束自旋矢量连接的坐标系的Z方向上。针对线圈5的切换，在自旋检波器设置中，设置了一个切换单元15，切换单元与自旋旋转器1的线圈5连接。如果所述范例内的线圈5接通，则电流通过线圈5在线圈内部的生成磁场。在图2内，展示了具有磁通密度B的场线的线圈5。此外，图2还展示了贯穿线圈5的粒子射束T的运动方向Z以及与运动方向Z垂直的自旋矢量分量s。自旋矢量分量s位于磁场内，上述范例所述的磁场线位于线圈5的内部，与粒子射束的运动方向Z平行，自旋矢量分量随着旋进就是说，围绕粒子射束T的运动方向Z旋转。自旋部分s旋转的角度取决于磁场的强度以及穿过磁场的路径。在预定的路径上磁场越强，自旋越快，贯穿磁场后的旋转角度越大。

在上述的实施范例内，将线圈5内部的磁场展示为均质的磁场。但是，线圈5内部出现的匀质磁场不是自旋旋转器功能的前提条件。自旋不仅出自均质的磁场，也可以出自非均质的磁场。采用非均质的磁场时，线圈也可以发挥粒子射束光学功能，例如：作为磁性透镜，实现粒子射束的聚焦或散焦。

在本实施范例内，粒子射束T需要穿过磁场的路径和磁场强度相互匹配，使得贯穿磁场后，自旋矢量分量s以90°的角度围绕该运动方向旋转。在与自旋矢量连接的坐标系内，这意味着坐标系以90°的角度围绕Z轴旋转。因此，如果一个自旋矢量在坐标系A内具有一个特定的方向，则在贯穿具有接通的磁场的自旋旋转器后，自旋矢量将在坐标系B内具有那个方向。换句话说，自旋矢量仍然由具有X坐标、Y坐标、Z坐标的相同数值表示，但与之连接的坐标系以90°的角度围绕Z轴旋转。在本实施范例内，由于贯穿自旋旋转器1的磁场后，仅进行静电偏转，对自旋矢量的方向没有影响，因此，贯穿静电导向元件7后，粒子射束T的运动方向与连接自旋矢量的坐标系的Y方向一致。因此在微型莫特检波器9内，测量自旋矢量的X部分和Z部分。在本发明的特定图示中的简化对自旋矢量的方向没有影响，但是对本发明的功能不是必要的。即使在贯穿自旋旋转器1后，磁性导向或粒子射束的其它因素影响到方向，也可以采用本发明，只要这种磁性作用下，自旋不围绕原始的运动方向，自旋旋转器1产生的旋转被完全再次补偿。但是，如果在贯穿自旋旋转器1后，没有粒子射束的磁力影响，使自旋围绕原始的运动方向（图1内的Z方向）进行，则优势更明显。原则上讲，贯穿导向装置7后，围绕“新的”运动方向的自旋旋转（切断线圈时X方向，如坐标系A所示，接通线圈时Y方向，如坐标系B所示）没有弊病，原因在于：与运动层面垂直层面内的自旋矢量分量保留在该层面内。如果在通向检波器9的路径上，粒子射束产生静电作用，能够有效避免自旋方向受到不良影响，则优势更为明显。

因此，通过实施范例内展示的自旋检波器装置，能够确定粒子射束T内主流自旋矢量的全部三个分量，根据该实施范例，在切断自旋旋转器1的线圈5后，首先对自旋矢量的Y分量和Z分量进行检波。然后，通过切换单元15，接通线圈5的磁场，对自旋矢量的X分量和Z分量进行检波。

在本实施范例内，一个磁轭17环绕线圈5。该设置方式可以避免对自旋旋转器粒子光学特性造成不良影响的散射场。此外，线圈内部会产生更高的磁场强度，这样，采用较低强度的电流在线圈5内导通时，线圈内部也可以产生具有预定数值的磁通密度。

尤其是粒子射束可以是一种电子射束。但采用粒子射束的优选自旋方向，粒子射束也可以包括是其它的带电粒子，特别在自旋方向的优选方向为离子射束，通过上述的自旋检波器装置，对全部三个分量进行检波。

下面，根据图3，阐述自旋检波器装置的具体实施范例。

使用附图内展示的仪器，测量电子的自旋，典型的方式为，在半球光电光谱仪的出口测量。电子通过入口（entrancehole13）进入检波器，通过在x、y、z方向各个分量的自旋极化（“自旋”）。静电透镜系统，包括90°偏转装置7，将电子引导进微型莫特检波器9。在该位置，测量三个自旋矢量分量中的两个分量。

透镜元件1的作用是“自旋旋转器透镜（spinrotatorlens）”，该元件可以是纯静电元件（无旋转器“withoutrotator”），也可以是附加的确定磁场（有旋转器“withrotator”）。通过这种附加磁场，电子以90°的角度围绕z轴旋转。

如果切断自旋旋转器1内的磁场（无旋转器“withoutrotator”），则可以通过微型莫特检波器，确定自旋的y分量和z分量。

如果接通自旋旋转器1内的磁场（有旋转器“withrotator”），则可以通过微型莫特检波器，确定自旋的x分量和z分量。

通过接通、切断自旋旋转器，可以连续确定电子自旋的全部三个分量。如果没有自旋旋转器1，只能确定y分量和z分量。

将整体的自旋检波器设置在一个真空室内。微型莫特检波器具有一种平直的散射电极和四个Channeltrons。自旋旋转器1可以快速在自旋矢量分量之间切换，通过微型莫特检波器9，对各个部分进行检波。通过该自旋检测器装置从E（k）空间内准确的一点，测量粒子自旋，特别是电子自旋。因此对不同自旋分量进行检波时，不会出现能量转换。

参考具体的实施范例，为了说明性地目的解释了本发明。但是本领域的专业人士能够理解，可以采用与本实施例存在偏差的设计方案。例如：在实施范例中，在一个切换状态下，可以选择内线圈5的切换状态生成磁场，以产生90°角度的自旋旋转，在另一个切换状态下，不生成磁场。但是，可选方式还有：在一个切换状态下，选择切换状态生成磁场，以45°的角度自旋旋转，在另一个切换状态下，以-45°的角度自旋旋转。该实施例的优势在于：透镜作用只受贯穿线圈的电流的强度影响，不受其符号影响，透镜作用在两个切换状态下等同。但是总体来说，在两个切换状态下的重要标准为，自旋是围绕在不同角度（即，在一个切换状态下大约为0°，在另一个切换状态下为90°，或者，在一个切换状态下为45°，在另一个切换状态下为-45°）。两个旋转角度之间的差额不必须是90°。但是，90°的角度差额的优势在于，能够最简便地对三个分量进行检波。同样，偏转元件7也不必须对粒子射束进行90°的偏转，采用较小的偏转也是足够的。但是，90°导向的优势在于，能够最简便地对三个矢量进行检波。

附图标记

1自旋旋转器

3静电透镜

5可切换线圈

7静电偏转元件

9检波器

11静电元件

13入口

15切换单元

17磁轭

B磁通密度的磁力线

Claims (12)

1.一种自旋检波器装置，用于具有粒子主流自旋取向的粒子射束(T)内主流自旋矢量的矢量分量的检波，该装置包括：

具有可切换线圈(5)的自旋旋转器(1)，可切换线圈(5)具有一个轴向方向，并被取向设置为：粒子射束(T)沿着轴向方向贯穿可切换线圈(5)；

在自旋旋转器(1)下游的偏转装置(7)，该偏转装置(7)通过静电将粒子射束(T)的轨道偏转一定的偏转角度；

在偏转装置(7)下游的自旋检波器(9)，对粒子射束(T)中主流自旋矢量分量的分量矢量进行检测，该分量矢量垂直于粒子射束(T)运动方向；和

与可切换线圈(5)连接的切换单元(15)，该单元能够切换可切换线圈(5)的励磁状态,

其特征在于，

自旋旋转器(1)的可切换线圈(5)通过切换单元(15)能够切换进第一励磁状态和第二励磁状态，这样，能够切换由可切换线圈(5)生成的磁场。

2.根据权利要求1所述的自旋检波器装置，其特征在于，其中自旋旋转器(1)具有一个静电透镜(3)，可切换线圈(5)环绕静电透镜。

3.根据权利要求1或2所述的自旋检波器装置，其特征在于，其中连接在自旋旋转器(1)下游的偏转装置(7)产生静电的偏转。

4.根据权利要求1或2所述的自旋检波器装置，其特征在于，其中连接在自旋旋转器(1)下游的偏转装置(7)以90°的角度，静电地偏转粒子射束(T)的轨道。

5.根据权利要求1或2所述的自旋检波器装置，其特征在于，其中通过切换单元(15)，贯穿可切换线圈(5)的电流的强度以及/或者符号是可调节的。

6.根据权利要求1或2所述的自旋检波器装置，其特征在于，其中磁轭(17)环绕自旋旋转器(1)的可切换线圈(5)。

7.根据权利要求1或2所述的自旋检波器装置，其特征在于，在该装置内，自旋检波器(9)是同时对两个相互垂直的矢量分量进行检测的检波器。

8.根据权利要求6所述的自旋检波器装置，其特征在于，在该装置内，自旋检波器(9)是莫特检波器。

9.一种采用权利要求1或2所述的自旋检波器装置对粒子束流(T)内主流自旋矢量的全部矢量分量进行检测的方法，通过自旋检波器(9)先后测量主流自旋矢量的两个矢量分量，其中切换自旋旋转器(1)的可切换线圈(5)在一个测量过程通过切换单元(15)切换进第一励磁状态，并在另一个测量过程中，切换进第二励磁状态。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其中第一和第二励磁线圈的电流和/或流过可切换线圈的电流符号是不同的。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，可切换线圈(5)能够在第一励磁状态导通特定强度的电流，在第二励磁状态导通与第一励磁状态相同强度的电流，但是，与第一励磁状态的电流相比，该电流具有相反的符号。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，可切换线圈(5)能够在第一励磁状态下，导通电流大于零的特定强度的电流，并且在第二励磁状态下不导通电流。