CN106057631A - 影像大小可调谐光电子成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种影像大小可调谐光电子成像仪，在光电子成像仪的内部左侧为激光作用区，在所述激光作用区内设有三块中心开孔的纵向的圆形极板：从左到右依次为排斥级极板P1、加速级极板P2和接地级极板P3；在光电子成像仪的内部右侧设有自由飞行管，在自由飞行管后端设有MCP&PS探测器；在所述的自由飞行管内还设有三根横向的圆管式极板，分别为极板P4、极板P5和极板P6。本发明实现了在与现有技术的光电子成像仪相同的电压配置下，光电子影像大小可调谐，大大提高了探测大动能带电粒子的本领。
Description
技术领域
本发明涉及带电粒子(包括电子、离子等)动能分布和角度分布的测量方法等领域，具体涉及一种光电子成像仪。
背景技术
目前通行的光电子成像仪是由荷兰科学家Eppink和Parker于1997年设计，他们通过设计三块带圆孔的极板，在一定的优化电压配置下，形成离子透镜，实现对具有相同速度但是不同位置的带电粒子进行聚焦，然后被飞行管后端MCP&PS(Micro-channel Plate&PhorsphorScreen,微通道板&磷光屏)探测器收集，如图1(a)所示，其中P1是排斥级极板，P2是加速级极板，P3是接地级极板。在离子透镜作用下，不同位置的带电粒子聚焦在探测器的一个点上，这大大提高了离子速度成像的分辨率。将带空圆盘的加上合适电压后，形成离子透镜，如图1(b)所示。在目前通行的离子速度成像装置上，Eppink和Parker通过巧妙的开孔设计,实现相同速度的带电粒子即使在离子源分布的不同位置上也能在MCP&PS探测器上聚焦，大大提高了成像的分辨率。
然而，有限尺寸的MCP&PS探测器对动能很大的带电粒子无法捕获，例如常用的40mm探测器在排斥级极板P1为4000V时候，捕获的最大动能带电粒子仅仅约为5eV。而5eV以上的带电粒子飞行轨迹在探测器的尺寸之外。目前为了捕获大动能带电粒子主要有两种办法，一是加大极板电压，二是提高MCP&PS探测器的尺寸。然而这两种方法在成本上都非常昂贵。对于第一种办法，实现高电压稳定直流电源非常昂贵，而且在越高高压下实验测量本身就越危险性。对于第二种办法，大尺寸MCP&PS探测器也非常昂贵，例如40mm直径的进口探测器价格约为2万RMB，而80mm直径的探测器价格就达到了约6万RMB。为了在不增加成本基础上，又要测量大动能的带电粒子，我们必须重新设计新的光电子成像仪，如影像大小可调谐光电子成像仪。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种新的光电子成像仪，实现在与现有技术相同电压配置下，影像大小可调谐，在不增加排斥级极板P1电压和不增大MCP&PS探测器尺寸的前提下，实现对大动能带电粒子进行探测。
为解决上述技术问题,本发明提供的技术方案是：
一种影像大小可调谐光电子成像仪，光电子成像仪内左侧为激光作用区，在所述激光作用区设有三块纵向的中心开孔的圆形极板：从左到右依次为排斥级极板P1、加速级极板P2和接地级极板P3；在光电子成像仪内右侧设有自由飞行管，在自由飞行管后端设有MCP&PS探测器；在所述的自由飞行管内还设有三根横向的圆管式极板，分别为极板P4、极板P5和极板P6。
所述的极板P1、极板P2和极板P3厚度均为20mm,外径均为1000mm，极板P1内径40mm,极板P2和极板P3内径为200mm。
所述的极板P1、极板P2和极板P3平行放置，其相邻极板之间的距离为200mm，P1极板与光电子成像仪的腔体内壁间距为20mm，P3极板与自由飞行管间距为890mm。
所述的极板P4、极板P5和极板P6为圆柱形管，依次平行放置。
所述的极板P4、极板P5和极板P6的管壁厚度均为20mm，内径均为400mm，外径均为440mm，其相邻极板的间距为40mm。
所述的自由飞行管为μ金属圆形管，内径为960mm，外径为1000mm，厚度为20mm。
所述的极板P1对应电压4000V，极板P2对应电压2710V，极板P3对应电压0V，极板P4对应电压1500V，极板P5对应电压500V，极板P6对应电压1500V，其余部分均接地，即为0V。
有益效果：
本发明实现了在与现有技术的光电子成像仪相同的电压配置下，光电子影像大小可调谐，大大提高了探测大动能带电粒子的本领。
附图说明
图1：现有技术中基于三块极板设计的离子速度成像仪的剖面图(a)以及离子透镜电势分布效果图(b)。
图2：本发明的影像大小可调谐光电子成像仪的剖面图。
图3：现有技术(上)和本发明(下)的电场分布的比较图。
图4：大动能带电粒子(7eV)在现有技术(a)和本发明(b)中的飞行轨迹比较。
图5：本发明的影像大小可调谐光电子成像仪的电势能分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种影像大小可调谐光电子成像仪，光电子成像仪内左侧为激光作用区，在所述激光作用区设有三块纵向的中心开孔的圆形极板：从左到右依次为排斥级极板P1、加速级极板P2和接地级极板P3；在光电子成像仪内右侧设有自由飞行管，在自由飞行管后端设有MCP&PS探测器；在所述的自由飞行管内还设有三根横向的圆管式极板，分别为极板P4、极板P5和极板P6。
具体的，尺寸设计为：极板P1、极板P2和极板P3厚度均为20mm,外径均为1000mm，极板P1内径40mm,极板P2和极板P3内径为200mm。所述的极板P1、极板P2和极板P3平行放置，其相邻极板之间的距离为200mm，P1极板与光电子成像仪的腔体内壁间距为20mm，P3极板与自由飞行管间距为890mm。
所述的极板P4、极板P5和极板P6为圆柱形管，依次平行放置。所述的极板P4、极板P5和极板P6的管壁厚度均为20mm，内径均为400mm，外径均为440mm，其相邻极板的间距为40mm。
所述的自由飞行管为μ金属圆形管，内径为960mm，外径为1000mm，厚度为20mm。
具体的，电压设计为：所述的极板P1对应电压4000V，极板P2对应电压2710V，极板P3对应电压0V，极板P4对应电压1500V，极板P5对应电压500V，极板P6对应电压1500V，其余部分均接地，即为0V。该电压设置下，本发明整个装置对应的电势能分布如图5所示。
本发明在与现有技术相同的电压配置下实现了光电子影像大小可调谐，大大提高了探测大动能带电粒子的本领。目前对于离子飞行轨迹国际上最权威的检验程序是SIMION。我们采用该程序的最新版本SIMION8.1对本发明进行测试检验，并比较了该发明与现有技术发明的检验结果。
将现有技术和本发明的光电子成像仪在极板上分别加上优化电压后，对电场分布进行比较，见图3。
对于现有技术发明，在排斥级极板加上4000V电压之后，优化得到加速级极板电压为2770V时，带电粒子可以聚焦在探测器上，但通过计算发现呈现在探测器上的带电粒子最大动能为5.12eV，而更大动能的带电粒子则飞到探测器之外，无法被探测到。
图4给出了大动能带电粒子(7eV)在现有技术(a)和本发明(b)的飞行轨迹对比图。由图可见，对于现有技术发明，带有7eV的大动能带电粒子飞到探测器之外，不能被探测器探测到，而在本发明中，带有7eV的大动能带电粒子经过飞行管后，能很好地被探测器探测到。通过调整新增极板P4、P5和P6的电压，还可以对所采集的影像进行大小调谐，能得到最佳尺寸，然后通过电场计算和进一步校准可以得到它们的动能分布和角度分布。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种影像大小可调谐光电子成像仪，其特征在于：光电子成像仪的内部左侧为激光作用区，在所述激光作用区内设有三块中心开孔的纵向的圆形极板：从左到右依次为排斥级极板P1、加速级极板P2和接地级极板P3；在光电子成像仪的内部右侧设有自由飞行管，在自由飞行管后端设有MCP&PS探测器；在所述的自由飞行管内还设有三根横向的圆管式极板，分别为极板P4、极板P5和极板P6。
2.如权利要求1所述的影像大小可调谐光电子成像仪，其特征在于：所述的极板P1、极板P2和极板P3厚度均为20mm,外径均为1000mm，极板P1内径40mm,极板P2和极板P3内径为200mm。
3.如权利要求1所述的影像大小可调谐光电子成像仪，其特征在于：所述的极板P1、极板P2和极板P3平行放置，其相邻极板之间的距离为200mm，P1极板与光电子成像仪的腔体内壁间距为20mm，P3极板与自由飞行管间距为890mm。
4.如权利要求1所述的影像大小可调谐光电子成像仪，其特征在于：所述的极板P4、极板P5和极板P6为圆柱形管，依次平行放置。
5.如权利要求1所述的影像大小可调谐光电子成像仪，其特征在于：所述的极板P4、极板P5和极板P6的管壁厚度均为20mm，内径均为400mm，外径均为440mm，其相邻极板的间距为40mm。
6.如权利要求1所述的影像大小可调谐光电子成像仪，其特征在于：所述的自由飞行管为μ金属圆形管，内径为960mm，外径为1000mm，厚度为20mm。
7.如权利要求1所述的影像大小可调谐光电子成像仪，其特征在于：所述的极板P1对应电压4000V，极板P2对应电压2710V，极板P3对应电压0V，极板P4对应电压1500V，极板P5对应电压500V，极板P6对应电压1500V，其余部分均接地，即为0V。
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