CN105140088B - 大束流电子束打靶微束斑x射线源的聚焦装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置及其使用方法，包括聚光镜模块、过渡段模块、可动光阑模块、物镜模块和电子束通道；电子枪发射出的电子束经过聚光镜模块，在由聚光镜模块形成的磁场作用下，形成平行束；经过过渡段模块后，通过移动可动光阑，选择可动光阑上合适的通光孔调节靶面电子束的入射角，改变靶平面处的束流大小和束斑尺寸。该聚焦装置的使用方法，包括步骤一、设置初始条件和性能指标；步骤二、设置物镜模块参数；步骤三、设置聚光镜模块的参数，实现平行工作模式；步骤四、实现电子束束流间的快速切换，在靶面处形成大束流微束斑；优点在于：采用平行模式，无电子束交叉点，降低了电子间库仑力效应。
Description
技术领域
本发明属于三维无损显微观测技术领域，具体涉及大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置及其使用方法。
背景技术
X射线不仅波长短、分辨率高，而且穿透深度大，其无损成像能力为科研观察和工业检测提供了技术手段。使用X射线作为探测手段的X射线三维成像显微镜，利用不同角度的透视投影成像，结合计算机三维数字成像构造技术，以图像的形式清晰、准确、直观的展现被检测物体内部结构特征、材料的密度、有无缺陷及缺陷的位置、大小等信息，可在被检测对象无损状态下观测样品的内部结构，提供详尽的图像信息。目前动态X射线显微观测广泛应用于生物学、生命科学和工业等领域。
微束斑X射线源是产生高清晰度X射线透视显微图象的必备部件之一。通常有两种方案产生微束斑X射线源：一是普通X射线管与X射线光学元件相结合；但是，X射线光学元件在材料性能和稳定性方面要求很高，设计时需要考虑如何降低从各种X射线光学元件传输到样品上的有用X射线光子数的损失和其热负载问题；安装时要考虑有无应变、定位精确以及光学元件整体稳定性等问题；二是将高速运动的电子束会聚成微焦点，使其轰击金属靶面，产生微小束斑的X射线，即“细聚焦X射线源”；由于造价较低，控制方便，目前广泛应用于X射线显微成像和X射线显微CT等领域。
“细聚焦X射线源”通常采用两级透镜聚焦系统，距离靶平面较近的磁透镜称为物镜，距离靶面较远的磁透镜为聚光镜。靶面处入射电子束的能量，束流和束斑经过与靶材作用后，决定了X射线束的强度和分布，因此，设计优化两级透镜聚焦系统保证靶面电子束束流的同时获得小束斑一直是“细聚焦X射线源”工作者的目标。
“细聚焦X射线源”聚焦系统大多改装或参照电子显微镜用的磁透镜，当靶面处的电子束斑小时，束流较小，产生的X射线强度弱，很难获得高分辨本领的清晰像。另外，聚光镜和物镜的参数相互影响，束流切换过程比较缓慢，很难再现样品的生长、变化等的动态过程。
比如：1990年，E.J.Morton,S.Webb,J.E.Bateman.et.al.,Three-dimensional x-ray micro-tomography for medical and biological applications,Phys.Med.Biol.,35(1990):805-820.文章中Morton和Webb等人通过改装实验室的电子显微镜，利用聚焦细电子束轰击钥靶产生的X射线源，当靶面处入射电子束能量为30keV、靶面电子束的束流为100μA时，电子束束斑为10μm。
1994年，K.Machin,S.Webb,Cone-beam X-ray micro-tomography ofsmallspecimens,Phys.Med.Biol，39(1994):1639-1657.文章中Machin和Webb报道：将电子显微镜电子枪发射的电子束采用磁聚焦系统会聚后轰击铜靶，在靶面入射处电子束能量小于30keV时，会聚于靶面的电子束束斑小于5μm，靶面电子束的束流近似等于200μA。
发明内容
本发明针对传统的两级透镜细聚焦X射线源中，靶面处电子束的性能由于受到物镜指标、聚光镜指标和电子间库仑力效应的因素影响，导致电子束束流的切换过程非常复杂，不利于实现动态过程的实时观测；而且物镜和聚光镜之间相互影响，很难实现独立调整。基于上述原因，本发明提出平行模式工作的两级透镜聚焦系统装置，具体是指一种大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置及其使用方法；
大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置，包括聚光镜模块、过渡段模块、可动光阑、物镜模块和电子束通道。
该聚焦装置整体为圆柱形结构，电子枪下端固连聚光镜模块，聚光镜模块下端固连过渡段模块，过渡段模块下端固连物镜模块，过渡段模块侧面开有通孔，作为可动光阑的入口。电子束通道从上到下依次穿过聚光镜模块，过渡段模块和物镜模块，通过移动可动光阑，选择可动光阑上不同的通光孔调节靶面电子束的入射角，改变靶平面处的束流大小和束斑尺寸。
聚光镜模块包括聚光镜上下磁轭，聚光镜上下极靴以及聚光镜线圈组件。
聚光镜上磁轭与聚光镜下磁轭对扣固定放置，均采用内部中空的圆柱体，中空部分安装聚光镜线圈组件；聚光镜线圈组件为圆环形，通过线圈架安装在聚光镜上下极靴的外围，聚光镜上下极靴内部为电子束通道。
过渡段模块采用内部中空的圆柱体，垂直于可动光阑的移动通道。可动光阑上开有不同直径的通光孔，延伸到过渡段模块的电子束通道上也开有通孔，电子束通过电子束通道的通孔进入可动光阑不同的通光孔，便于控制电子束的束流。
物镜模块包括物镜上下磁轭，物镜上下极靴以及物镜线圈组件。物镜上磁轭与物镜下磁轭对扣固定放置，均采用内部中空的圆柱体，中空部分安装物镜线圈组件；物镜线圈组件为内部中空的圆环形，物镜线圈通过线圈架安装在物镜极靴的外围。
电子枪发射出的电子束经过聚光镜模块，在由聚光镜上下磁轭、聚光镜线圈组件和聚光镜上下极靴形成的磁场作用下，形成平行束；经过过渡段模块后，通过移动可动光阑，选择可动光阑上合适的通光孔调节靶面电子束的入射角，改变靶平面处的束流大小和束斑尺寸；
物镜模块一方面通过工作距离和物镜线圈组件中电流的优化，获得高强度和亮度的X射线束，保证靶平面处大束流下微束斑；即一方面在聚光镜线圈电流不变时微调物镜线圈电流，找到靶平面处的电子清晰像，配合可移动光阑的通光孔变化快速完成束流的切换。
一种大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统装置及其使用方法，具体步骤如下：
步骤一、设置聚焦系统装置的初始条件和性能指标。
1)聚焦系统装置的初始条件包括电子源参数和靶的参数。
电子源参数包括电子束能量、电子束能量散度、发射灯尖位置和直径、灯尖温度、理论亮度、源束流、空间分布、交叉斑直径和出射角；靶的参数包括靶的类型和位置。
2)聚焦系统装置的性能指标是靶面上电子束的束流和束斑直径。
靶面处的束流表示为I＝π2βri 2αi 2，其中，β为亮度，ri为靶面处束斑半径，αi为靶面处入射束半角。
聚焦系统靶面处电子束束斑直径di可以近似表达为：
其中，M为聚焦系统装置的线性缩放比率，0＜M＜1，do为电子源交叉斑直径，是球差弥散斑直径，是色差弥散斑直径，cs和cc分别简化成物镜的球差系数和色差系数，αi为靶面处入射束半角，纯磁透镜聚焦系统中，αi＝αo/M；E为电子的能量，ΔE为电子的能量散度。
步骤二、根据“聚焦系统装置的初始条件”设置物镜模块的结构参数和电气参数；
1)、设置物镜模块的位置和结构参数。
物镜模块的结构参数包括物镜上下极靴的结构参数，物镜上下磁轭的结构参数以及物镜模块的位置。
其中，物镜上下极靴的结构参数，具体是指：物镜上下极靴材料、物镜上下极靴的工作距离、物镜上极靴的孔径D1、物镜下极靴的孔径D2和上下极靴间隙S；
物镜上下磁轭的结构参数包括：物镜磁轭尺寸、物镜上极靴外径、角度、物镜上极靴厚度、物镜下极靴外径、角度、物镜下极靴厚度和物镜线圈架的形状尺寸；
物镜模块的位置为物镜上下极靴间隙的中心。
2)、设置物镜模块的电气参数；
物镜的电气参数为物镜线圈模块的激励A-t。
步骤三、设置聚光镜模块的位置、结构和电气参数，实现聚焦系统的平行工作模式；
1)、首先设置聚光镜模块的的位置和结构参数。
聚光镜模块的结构参数包括聚光镜上下极靴的结构参数，聚光镜模块的位置参数和聚光镜上下磁轭的结构参数。
聚光镜上下极靴的结构参数，包括聚光镜上下极靴的材料、聚光镜上极靴的孔径D11、聚光镜下极靴的孔径D21和聚光镜上下极靴间隙S2。
聚光镜上下磁轭的结构参数包括聚光镜上下磁轭材料、绝缘装配件、聚光镜线圈的结构尺寸。
聚光镜位置为聚光镜上下极靴间隙的中心。
2)、优化聚光镜模块的电气参数，实现聚光镜和物镜平行模式工作的聚焦系统。
聚光镜的电气参数为聚光镜线圈组件的激励A-t；
根据聚光镜模块和物镜模块的参数，利用二阶有限元素法计算物镜模块的磁场，当电子束在物镜模块的磁场中通过时，磁场控制电子束的出射角，使电子束的运动轨迹跟光轴平行，从而形成平行工作模式，实现了平行模式的聚焦系统装置。
步骤四、在平行工作模式下实现电子束不同束流间的快速切换，使得电子束在靶面处形成大束流微束斑；
电子束束流切换时，聚光镜线圈组件的激励电流不变，根据电子束束流与可动光阑通光孔尺寸对应表，移动可动光阑找到对应的可动光阑通光孔，控制调节靶面电子束的入射角，同时微调物镜线圈组件的激励电流，消除因电子束束流切换时电子库仑力效应的影响，找到靶面处电子束的清晰像，实现不同电子束束流间的快速切换。
本发明的优点在于：
(1)一种大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统装置的使用方法，采用电子束平行模式的聚焦系统装置，光路上无电子束交叉点，大大降低了电子间库仑力效应，获得了大束流电子束打靶微束斑X射线源；
(2)一种大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统装置，物镜模块和聚光镜模块可独立调整各自的线圈组件激励电流；
(3)一种大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统装置，高精度的可动光阑通光孔尺寸能够实现电子束束流的快速切换；
(4)一种大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统装置的使用方法，束流切换过程仅涉及到可动光阑不同通光孔的改变和物镜线圈组件的激励的微调，无需改变聚光镜线圈组件的激励，实现了物镜线圈组件和聚光镜线圈组件的激励独立调整，大大简化了束流切换的复杂调整，降低了聚焦系统装置的调整复杂度，提高了聚焦系统装置的工作效率。
附图说明
图1是本发明聚焦系统装置的整体结构图；
图2是本发明平行模式工作的示意图；
图3是本发明物镜模块的结构图；
图4是本发明聚光镜模块的结构图；
图5是本发明可动光阑的结构图；
图6是本发明可动光阑切换束流的光路图；
图7是本发明聚焦装置的使用方法流程图；
图8是本发明聚焦系统实现平行模式工作的示意图；
图1中：101-阳极；102-阳极座；103-对中线圈；104-对中线圈座；105-阳极压板；106-压紧螺母；107-聚光镜上磁轭；111-聚光镜下磁轭；108-聚光镜线圈组件；109-聚光镜极靴组件；1091-聚光镜上极靴；1092-聚光镜下极靴；110-聚光镜密封环；112-过渡段；113-电子束通道；114-物镜上极靴；115-物镜线圈组件；116-物镜下极靴；117-密封圈；201-物镜磁轭；303-绝缘装配件；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统装置，包括阳极模块，对中线圈模块，聚光镜模块、物镜模块、可动光阑、过渡段模块和电子束通道。
聚焦系统装置整体为圆柱形结构，如图1所示，电子束通道113位于聚焦系统装置的中心轴线上，采用疏导电子的空心导磁管，从上到下依次穿过阳极模块，对中线圈模块，聚光镜模块，过渡段模块，物镜模块，到达靶平面；同时电子束通道113内部设置2个密封圈117。
阳极模块包括阳极101，阳极座102以及阳极压板105，阳极101为圆形薄片结构，中心上开有通孔，作为电子束的入口；通过2个内六角螺钉固连在阳极座102上。阳极座102两端设有2个密封圈117，在阳极座102的中心围绕电子束通道113，阳极座102为内部中空的圆柱，中空中心通过对中线圈座模块连接阳极压板105；同时，阳极座102外围下端通过内六角螺钉固连聚光镜模块的聚光镜上磁轭107；阳极压板105通过压紧螺母106固连聚光镜上磁轭107和聚光镜极靴组件109；
所述的对中线圈模块包括对中线圈103和对中线圈座104，均为圆环结构；对中线圈103通过内六角螺钉安装在对中线圈座104上，对中线圈座104通过十字沉头螺钉固定在阳极压板105上，对中线圈座104上设有密封圈117；对中线圈模块的作用是为了获得电子源模块和聚焦系统的中心线在机械上难于实现的重合。
所述的聚光镜模块如图4所示：包括聚光镜上磁轭107，聚光镜线圈组件108，聚光镜极靴组件109，聚光镜密封环110和聚光镜下磁轭111；聚光镜极靴组件109包括聚光镜上极靴1091和聚光镜下极靴1092，均采用内部中空的圆柱体，两者通过绝缘装配件303装配成一体；聚光镜上磁轭107和聚光镜下磁轭111均采用内部中空的圆柱体，对扣放置；聚光镜上磁轭107上端固连阳极压板105，中空内部通过压紧螺母106在电子束通道113周围固连聚光镜极靴组件109；并用聚光镜密封环110密封，聚光镜密封环110和聚光镜上磁轭107内部设有密封圈117；同时在聚光镜极靴组件109外部与聚光镜上下磁轭中间的中空部分之间安装聚光镜线圈组件108；聚光镜线圈组件108为圆环形；聚光镜下磁轭111下端连接过渡段112，过渡段112下端固连物镜模块。
聚光镜模块通过过渡段模块连接物镜模块；聚光镜模块，过渡段模块和物镜模块之间的固连均通过内六角螺钉实现；
过渡段模块包括过渡段112，采用内部中空的圆柱体，圆柱体外部开有通孔，为可动光阑提供通道；同时在过渡段模块范围内的电子束通道113上也相对应开有通孔，为可动光阑提供通道；
如图5所示，可动光阑上开有不同直径的通光孔，在过渡段模块中间移动，如图6所示，电子束通过电子束通道113进入可动光阑不同的通光孔上，形成不同的束流。
所述的物镜模块如图3所示：包括物镜上极靴114，物镜线圈组件115，物镜下极靴116和物镜磁轭201；物镜磁轭201包括物镜上磁轭和物镜下磁轭，均采用内部中空的圆柱体，对扣放置，中空的内部放置物镜线圈组件115，安装在物镜下磁轭上方。物镜线圈组件115和物镜下极靴116上均设有密封圈117。物镜上极靴114、物镜下极靴116固定在物镜磁轭201上，和物镜磁轭201一起构成物镜的磁路；电子束通道113一直延伸到物镜极靴组件内。
电子束从阳极101的通孔出发，依次经过聚光镜模块产生的磁场、可动光阑和物镜模块产生的磁场，最后到达靶平面，为了避免电子在整个聚焦系统装置中随处乱飞，采用电子束通道113将电子限制在聚光镜模块和物镜模块的傍轴区域。
大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统装置中，通过设置聚光镜模块和物镜模块的位置、结构参数和线圈组件的激励实现两级聚焦系统的平行工作模式、从而在靶面处保证大束流的同时实现微束斑。
一种大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统装置及其使用方法：首先，通过设置聚焦系统装置的初始条件和优化靶平面处电子束的性能指标获得物镜模块的结构参数和电气参数；然后，设置聚光镜模块的结构参数和电气参数，实现聚光镜模块和物镜模块之间电子束的运动与光轴平行，具体是通过设置聚光镜模块和物镜模块的位置、结构参数和线圈组件的激励获得平行模式下的两级透镜聚焦系统，获得大束流微束斑X射线源；最后，通过可动光阑的自动切换和物镜线圈电流的微调，实现大束流微束斑X射线源靶面处电子束束流的快速切换，用于样品的实时观测。
一种大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统装置的使用方法，如图7所示，具体操作过程是：
步骤一、设置聚焦系统装置的初始条件和性能指标；
1)聚焦系统装置的初始条件包括电子源参数和靶的参数。
电子源参数有电子束能量、电子束能量散度、发射灯尖位置和直径、灯尖温度、理论亮度、源束流、空间分布、交叉斑直径和出射角。其中，源束流可表示为ro为源交叉斑半径，β为亮度，αo为出射角。
靶的参数包括靶的类型和位置，常用的靶有两种：反射靶和透射靶；透射靶工作距离小，虽然散热问题较为复杂，但是结构紧凑，容易实现高分辨率检测；反射靶工作距离较大，散热好，但结构较透射靶的要大。本发明以透射靶为例说明。
选择90KV钨灯三级加速枪作为大束流电子束打靶微束斑X射线源聚焦系统装置的电子发射源，参数如表1所示。
表1是本发明电子发射源的参数
靶的参数见表2。
表2是本发明靶的参数
| 靶的类型 | 透射靶 |
| 靶面的位置 | 距离物镜极靴下表面2mm |
2)聚焦系统装置的性能指标是靶面上电子束的束流和束斑直径，参数列于表3。
靶面处的束流表示为I＝π2βri 2αi 2，其中，β为亮度，根据亮度不变性原理，在任何电子光学成像系统中，各处的亮度等于电子源给出的亮度值；ri为靶面处束斑半径，αi为靶面处入射束半角。在给定电子源参数下，要获得大靶上束流要求靶面处束斑大、靶面处入射束半角大，大束流和小束斑不能同时达到，应综合考虑。
聚焦系统靶面处电子束束斑直径di可以近似表达为：
其中，M为聚焦系统装置的线性缩放比率，0＜M＜1，do为电子源交叉斑直径，是球差弥散斑直径，是色差弥散斑直径，cs和cc分别简化成物镜的球差系数和色差系数，αi为靶面处入射束半角，纯磁透镜聚焦系统中，αi＝αo/M；E为电子的能量，ΔE为电子的能量散度。为了获得细束斑，需设计低球差系数和色差系数的物镜，同时综合考虑缩放比率和靶面处入射束半角αi。
表3是本发明靶面上电子束的束流和束斑直径
| 电子束束流 | 0.05mA-1mA |
| 束斑直径 | 1μm-100μm |
步骤二、根据“聚焦系统装置的初始条件”设置物镜模块的结构参数和电气参数；
1)设置物镜模块的位置和结构参数；
物镜模块的结构参数包括物镜上下极靴的结构参数，物镜模块的位置参数和物镜上下磁轭的结构参数；
a)确定影响靶面电子束性能的物镜极靴的关键结构参数，包括物镜上极靴114和物镜下极靴116的结构参数，具体是指：物镜上极靴114和物镜下极靴116的极靴材料、物镜上极靴114和物镜下极靴116的工作距离、物镜上极靴114的孔径D1、物镜下极靴116的孔径D2和上下极靴间隙S1。
如图2所示，根据电子源参数和靶的参数设计物镜模块的成像条件，要获得聚焦系统装置的性能指标，物镜极靴的结构设计应满足：根据焦距越长工作距离越大，聚焦系统装置的像差越大，且聚焦系统装置的缩放比例变小的原理，为了减小靶面入射处的电子束束斑直径，应尽量缩短物镜下极靴116下端面与靶面之间的距离即物镜的工作距离，结合实际聚焦系统装置的装配，优选2mm。物镜上极靴114的孔径D1和物镜下极靴116的孔径D2越大，越容易满足光轴傍轴条件，物镜稳定性越高且像差越小，但物镜的磁轭容易饱和，综合考虑后优选12mm。随着物镜上极靴114和物镜下极靴116的间隙S1的减小，像差变小，加上短工作距离下间隙S1不宜过大，优选为4mm。极靴材料选用加工性能良好的电工纯铁DT4C，具体参数见表4。为了提高聚焦系统装置的线性缩放比率和减小物镜模块的球差系数和色差系数，需尽量减小物镜上下极靴的工作距离，物镜模块离靶面很近，一般仅为几个mm，很难安装反射靶所需的收集装置，所以优选用透射靶收集X射线，设计短焦距强激励的物镜结构。
表4是本发明物镜极靴的关键参数
b)设计物镜其他结构参数；
短焦距强激励的物镜工作在大激励时磁极和磁轭容易饱和，因此除了上面列举的关键尺寸外，物镜极靴的外围和磁轭的结构参数对靶面处电子束束斑影响较大，优化极靴和磁轭的锥度、长度和厚度，包括：物镜磁轭201尺寸、物镜上极靴114外径、角度、物镜上极靴114孔径D1、物镜下极靴116厚度、锥角、物镜线圈组件的结构等，避免了大激励时出现的磁饱和问题，重要参数列于表5。其中，物镜上极靴114上半部分为了安装消像散器等电子光学器件孔径扩大为18mm。
表5是本发明物镜结构、位置和电气参数
| 物镜上极靴外径 | 21.6mm |
| 角度 | 43° |
| 物镜上极靴孔径D1 | 18mm |
| 物镜下极靴厚度 | 3mm |
| 锥角 | 80° |
| 物镜线圈组件的激励 | 2130.4339A-t |
| 物镜模块的位置 | 244.5mm |
2)设置物镜模块的电气参数；
物镜模块位置的确定包含两方面：一是靶和物镜下极靴空间结构方面限定的工作距离；一是保证靶面上能够实现微束斑。为了保证聚焦系统在靶面处实现微束斑，应使得物镜模块与靶面之间的距离(即物镜的像距)变短，能够提高物镜的缩放比例。
物镜的电气参数为物镜线圈模块的激励A-t。根据物镜模块的结构参数，计算物镜磁场的空间分布后，利用电子源的初始条件和选取的物镜工作距离优化物镜的电气参数，获得短焦距物镜模块，实现大束流微束斑X射线源。
根据前面设计的工作距离、物镜结构和靶平面的位置，确定物镜模块的位置坐标为244.5mm。结合物镜模块的结构参数建模数值计算获得物镜磁场的空间分布后，将电子源、物镜和靶置于一起组成物镜聚焦系统，计算电子束在磁场作用下的运动轨迹，根据选取的2mm工作距离，调整物镜的激励控制电子束聚焦在靶平面上。经过计算，在物镜激励2130.4339A-t时，靶上束流为50μA，束斑为1μm。
步骤三、设置聚光镜模块的位置、结构和电气参数，实现聚焦系统的平行工作模式
1)首先设置聚光镜模块的的位置和结构参数；
聚光镜模块的结构参数包括聚光镜极靴的结构参数和聚光镜磁轭的结构参数；
a)确定直接影响靶面电子束性能的聚光镜极靴的结构参数；
具体包括聚光镜上极靴1091和聚光镜下极靴1092的极靴材料、聚光镜上极靴1091的孔径D11、聚光镜下极靴1092的孔径D21和聚光镜上下极靴间隙S2，具体参数见表6。
表6是本发明聚光镜极靴的结构参数
| 极靴材料 | 电工纯铁DT4C |
| 聚光镜上极靴孔径D11 | 16mm |
| 聚光镜下极靴孔径D21 | 16mm |
| 上下极靴间隙S2 | 8mm |
b)设计聚光镜磁轭的结构参数；聚光镜模块的结构如图4所示。
聚光镜上下磁轭的结构参数包括聚光镜上下磁轭材料、绝缘装配件、聚光镜线圈的结构尺寸；聚光镜位置为聚光镜上下极靴间隙的中心。
参数如表7所示。
表7是本发明聚光镜磁轭模块的结构参数
| 聚光镜磁轭材料 | 电工纯铁DT4C |
| 绝缘装配件 | 铜 |
| 聚光镜位置 | 85mm |
| 聚光镜线圈组件的激励 | 915.5000A-t |
2)优化聚光镜模块的电气参数，实现聚光镜和物镜平行模式工作的聚焦系统。
如图2所示，通过设置聚光镜的物距，物镜的像距以及聚光镜和物镜之间的透镜间距，形成平行模式光路图，聚焦系统的缩放比率可以近似为
M＝物镜的像距/聚光镜的物距。
聚光镜的物距越大，指聚光镜与电子源交叉斑之间的距离越大，聚焦系统的缩放比率越高，同时为了保证靶上束流，聚光镜的物距不宜过大。根据聚光镜模块和物镜模块的参数，利用二阶有限元素法计算物镜模块的磁场，从而当电子束在磁场中通过时，磁场控制电子束的出射角，使电子束的运动轨迹跟光轴平行，从而形成平行工作模式，如图6所示，可以看出，电子经过聚光镜模块后轨迹和光轴平行，实现了平行模式聚焦系统装置。
根据聚光镜的结构参数，计算聚光镜磁场的空间分布后和发明中第二步获得的物镜组成两级透镜聚焦系统，结合电子源参数、两个透镜的位置和物镜的空间分布，控制聚光镜的线圈激励，经过聚光镜空间磁场后电子束的出射角和光轴平行，实现平行工作模式工作的聚焦系统。
步骤四、在平行工作模式下实现电子束不同束流间的快速切换，使得电子束在靶面处形成大束流微束斑；
1)实现大束流微束斑X射线源；
如图8所示，E1～E5表示一号到五号电子，电子间的库仑力可以表示为：
其中，q＝1.6×10-19C为电子所带的电量，ε0为真空介电常数。本发明中，电子束在聚光镜模块和透镜模块之间的运动轨迹与光轴平行，电子束的束流密度较小；j＝βπα2，其中α表示某一平面的束半角，平行模式下束半角很小，电子间距离较大，因此电子束在本聚焦系统的大部分行程中电子间库仑力对电子束束径的展宽效应可以忽略。同时适当调整聚光镜模块与电子源的物距，增加整个聚焦系统装置的缩放比例，保证大束流的同时获得小束斑。
设计聚光镜的上下极靴，聚光镜上下磁轭和聚光镜线圈组件，保证装配空间的前提下，增加聚光镜模块与电子源的间距，保证物镜模块和聚光镜模块之间电子束平行运动的同时，不仅获得聚焦系统装置较高的缩放比例，而且在聚焦系统的大部分空间中电子束流密度相对稀疏电子间库仑力对电子束在径向上展宽效应很小，能够实现大束流电子束打靶微束斑X射线源。
2)电子束在平行工作模式下实现快速切换；
通过选择可动光阑的不同通光孔的孔径尺寸，调节靶面电子束的入射角实现束流快速切换。
具体过程包括：因为聚光镜模块和透镜模块之间的电子束是平行模式工作，不同电子束束流下，聚光镜和物镜的聚焦状态保持不变，所以电子束束流切换时，无需调整聚光镜线圈组件的激励电流，保证聚光镜线圈组件的激励电流不变，只需根据设计的电子束束流与可动光阑通光孔尺寸对应表移动可动光阑找到所需的可动光阑通光孔，控制调节靶面电子束的入射角，同时微调物镜线圈组件的激励电流，消除因电子束束流切换时电子库仑力效应的影响，找到靶面处电子束的清晰像，实现不同电子束束流间的快速切换；可动光阑通光孔的孔径尺寸和不同束流的对应关系见表8。
表8是本发明可动光阑孔径和束流对应关系
Claims (3)
1.大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置，其特征在于，包括聚光镜模块、过渡段模块、可动光阑、物镜模块和电子束通道；
聚光镜模块，过渡段模块和物镜模块由上至下依次固连，其中，聚光镜模块固定安装在电子枪下端；电子束通道从上到下依次穿过聚光镜模块，过渡段模块和物镜模块，过渡段模块侧面开有通孔，为可动光阑的入口；
聚光镜模块包括聚光镜上下磁轭，聚光镜上下极靴以及聚光镜线圈组件；
聚光镜上下磁轭各开有环形凹槽，对扣固定放置，内部形成环形腔，用来安装聚光镜线圈组件；且聚光镜线圈通过线圈架安装在聚光镜上下极靴的外围，聚光镜上下极靴通过绝缘装配件装配成一体；
过渡段模块内部中空，电子束通道侧面与过渡段模块侧面对应的位置上开有通孔，作为可动光阑的移动通道；可动光阑上开有不同直径的通光孔，通过移动可动光阑，电子束通过电子束通道进入可动光阑不同的通光孔；
物镜模块包括物镜上下磁轭，物镜上下极靴以及物镜线圈组件；
物镜上磁轭与物镜下磁轭对扣固定放置，均采用内部中空的圆柱体，中空部分安装物镜线圈组件；物镜线圈组件为内部中空的圆环形，物镜线圈通过线圈架安装在物镜上下极靴的外围；物镜上下极靴内部为电子束通道；
电子枪发射出的电子束经过聚光镜模块，在由聚光镜上下磁轭、聚光镜线圈组件和聚光镜上下极靴形成的磁场作用下，形成平行束；经过过渡段模块后，通过移动可动光阑，选择可动光阑上合适的通光孔调节靶面电子束的入射角，改变靶平面处的束流大小和束斑尺寸，同时通过物镜线圈电流的微调，实现大束流微束斑X射线源靶面处电子束束流的快速切换。
2.如权利要求1所述的大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置，其特征在于，所述的物镜模块一方面通过工作距离和物镜线圈组件中电流的优化，获得高强度和亮度的X射线束，保证靶平面处大束流下微束斑；另一方面在聚光镜线圈电流不变时微调物镜线圈电流，找到靶平面处的电子清晰像，配合可移动光阑的通光孔变化快速完成束流的切换。
3.应用权利要求1所述的大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、设置聚焦系统装置的初始条件和性能指标；
聚焦系统装置的初始条件包括电子源参数和靶的参数；
电子源参数包括电子束能量、电子束能量散度、发射灯尖位置和直径、灯尖温度、理论亮度、源束流、空间分布、交叉斑直径和出射角；靶的参数包括靶的类型和位置；
聚焦系统装置的性能指标是靶面上电子束的束流和束斑直径；
靶面处的束流表示为I＝π2βri 2αi 2，其中，β为亮度，ri为靶面处束斑半径，αi为靶面处入射束半角；
聚焦系统靶面处电子束束斑直径di表达为：
<mrow>
<msub>
<mi>d</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>Md</mi>
<mi>o</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>d</mi>
<mi>s</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>d</mi>
<mi>c</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，M为聚焦系统装置的线性缩放比率，0<M<1，do为电子源交叉斑直径，是球差弥散斑直径，是色差弥散斑直径，cs和cc分别简化成物镜的球差系数和色差系数；E为纯磁透镜聚焦系统中电子的能量，ΔE为纯磁透镜聚焦系统中电子的能量散度；
步骤二、根据“聚焦系统装置的初始条件”设置物镜模块的结构参数和电气参数；
i)、设置物镜模块的位置和结构参数；
物镜模块的结构参数包括物镜上下极靴的结构参数以及物镜上下磁轭的结构参数；
物镜上下极靴的结构参数包括：物镜上下极靴材料、物镜上下极靴的工作距离、物镜上极靴的孔径D1、物镜下极靴的孔径D2和上下极靴间隙S；
物镜上下磁轭的结构参数包括：物镜磁轭尺寸、物镜上极靴外径、角度、物镜上极靴厚度、物镜下极靴外径、角度、物镜下极靴厚度和物镜线圈架的形状尺寸；
物镜模块的位置为物镜上下极靴间隙的中心；
ii)、设置物镜模块的电气参数；
物镜的电气参数为物镜线圈模块的激励A-t；
步骤三、设置聚光镜模块的位置、结构和电气参数，实现聚焦系统的平行工作模式；
I)、首先设置聚光镜模块的的位置和结构参数；
聚光镜模块的结构参数包括聚光镜上下极靴的结构参数和聚光镜上下磁轭的结构参数；
聚光镜上下极靴的结构参数，包括聚光镜上下极靴的材料、聚光镜上极靴的孔径D11、聚光镜下极靴的孔径D21和聚光镜上下极靴间隙S2；
聚光镜上下磁轭的结构参数包括聚光镜上下磁轭材料、绝缘装配件、聚光镜线圈的结构尺寸；
聚光镜位置为聚光镜上下极靴间隙的中心；
II)、优化聚光镜模块的电气参数，实现聚光镜和物镜平行模式工作的聚焦系统；
聚光镜的电气参数为聚光镜线圈组件的激励A-t；
根据聚光镜模块和物镜模块的参数，利用二阶有限元素法计算物镜模块的磁场，当电子束在物镜模块的磁场中通过时，磁场控制电子束的出射角，使电子束的运动轨迹跟光轴平行，从而形成平行工作模式，实现了平行模式的聚焦系统装置；
步骤四、在平行工作模式下实现电子束不同束流间的快速切换，使得电子束在靶面处形成大束流微束斑；
电子束束流切换时，聚光镜线圈组件的激励电流不变，根据电子束束流与可动光阑通光孔尺寸对应表，移动可动光阑找到对应的可动光阑通光孔，控制调节靶面电子束的入射角，同时微调物镜线圈组件的激励电流，消除因电子束束流切换时电子库仑力效应的影响，靶面处获得大束流微细电子束，实现不同电子束束流间的快速切换。
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