CN108627866A - 一种束流能量分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种束流能量分析仪，包括：刮束器、聚焦电极、减速栅网、收集极以及快速束流变压器FCT。刮束器用于电子束刮束，使得少部分电子束通过刮束器，进入能量分析仪内部；减速栅网用于提供减速电场，以对进入能量分析仪内的电子进行减速，能量大于减速电压的电子能够穿过减速栅网而被收集极收集；快速束流变压器FCT用于实时测量收集极收集到的电子流强。分析收集极收集到的电子流强与减速栅网电压的关系能够得到进入能量分析仪的电子的能谱，完整扫描束流横截面，可以得到束流的能谱。聚焦电极用于调节减速电场，提高能量分析仪测量精度。本发明大幅提高了低能强流电子束的能谱测量分辨率，最高相对分辨率可达0.2％。

Description

一种束流能量分析仪

技术领域

本发明涉及电子加速器束流能量技术领域，更具体地，涉及一种束流能量分析仪。

背景技术

传统的用于电子束束流能量测量的装置如图1所示。该装置的基本原理基于洛伦兹力，是最常见的高能弱流束的能谱参数测量装置。束流通过一个由二极铁产生的均匀磁场，受洛伦兹力偏转后打在荧光靶上。能量大的粒子偏转角度小，而能量小的粒子偏转角度大，因此能量不同的粒子打在荧光靶上的位置不同。这种方法使用CCD相机对荧光靶上束流产生的束斑进行采集，之后对束斑的位置以及尺寸进行处理分析，最终得到束流的能谱分布。通过对测量系统的高精度设计以及测量结果的精确处理，这种测量方法对于MeV量级及以上的束流的能谱测量可以达到较高的相对分辨率，相对分辨率可达0.1％。

而对于0.5keV～20keV、导流系数大于1μP的低能强流电子束，由于低能束流的磁刚度非常小，二极铁产生的磁场必须足够微弱，受边缘磁场的影响以及地磁场等因素的干扰，高精度的弱磁场要求给二极铁的设计制造以及标定带来非常大的困难。并且，低能束流打在后端荧光靶上时，其产生的束斑亮度非常低，会给CCD相机的测量带来非常高的要求。最重要的是，低能强流电子束的束流内部有着非常强烈的空间电荷作用力，使用这种方法对导流系数大于1μP的电子束流进行能谱测量时，强烈的空间电荷作用力会带来非常大的能量偏移和附加能散，造成测量结果不准确。因此，该方法不能用于0.5keV～20keV、导流系数大于1μP的低能强流电子束的能谱参数测量。

另外一种较适用于低能弱流束流的能量测量方法，其基本原理基于反向电场。束流先经反向电场减速，能量大于减速电压的粒子穿过反向电场，能量小于减速电压的粒子无法穿过反向电场。之后，穿过反向电场的粒子被法拉第筒收集。调节减速高压，即间接调节减速电场强度，法拉第筒上收集到的束流的流强会随之变化。分析法拉第筒上收集到的束流的流强的变化，结合减速电压，可以获得束流的能量分布。但是这种方法较适用于低能弱流束流的能量测量，对于0.5keV～20keV、导流系数大于1μP的低能强流电子束，现有的此类束流能量测量方法同样会由于空间电荷作用力的影响，而给测量结果带来非常大的能量偏移和附加能散，造成测量结果不准确。因此该方法也不能满足低能强流电子束的能谱的高精度测量。

因此，需要一种低能强流电子束能量参数测量的束流能量分析仪，满足0.5keV～20keV、导流系数大于1μP的低能强流电子束束流能谱的高精度测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有电子束束流能量测量的装置对导流系数大于1μP的电子束流进行能谱测量时，强烈的空间电荷作用力会带来非常大的能量偏移和附加能散，造成测量结果不准确，以及不能满足低能强流电子束的能谱的高精度测量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种束流能量分析仪，包括：刮束器、聚焦电极、减速栅网、收集极以及快速束流变压器(Fast Current Transformer，FCT)；

所述刮束器用于对待分析能谱的电子束进行刮束，使得部分电子束入射通过所述刮束器；所述聚焦电极用于提供减速电场，以对入射通过所述刮束器的部分电子束减速；所述减速栅网用于使得能量大于减速栅网电压的粒子穿过减速栅网；所述收集极用于收集穿过所述减速栅网的电子束；所述快速束流变压器FCT用于实时测量收集极收集到的电子束粒子流强，所述收集极收集到的电子束粒子流强与所述减速电场强度的关系用于分析所述电子束的能谱。

需要说明的是，所述能量分析仪先对束流进行刮束，后减速，再收集。另外，减速栅网电压也可简称为减速电压。

可选地，该束流能量分析仪还包括：真空腔体、反向高压电源以及聚焦电源；

所述待分析能谱的电子束、刮束器、聚焦电极、减速栅网以及收集极均处于所述真空腔体，所述真空腔体用于提供超高真空环境；所述反向高压电源用于为聚焦电极提供电源，以在刮束器与减速栅网间形成减速电场；所述聚焦电源用于在减速电场区形成附加电场，所述附加电场叠加在减速电场上，可对减速电场进行调节，使得减速电场更加均匀。

可选地，所述超高真空环境的真空度为1E-6Pa～1E-7Pa。

可选地，该束流能量分析仪还包括：位于所述减速栅网两端的减速栅网引出电极和反向电极；所述反向高压电源输出的电压通过高压电极法兰馈入所述真空腔体，经过可插拔结构连接至所述减速栅网引出电极和反向电极，以为所述减速栅网提供电源。

可选地，该束流能量分析仪还包括：位于所述减速栅网两端的聚焦电极引出电极和聚焦电极；所述聚焦电源的输出的聚焦电压通过高压电极法兰馈入真空腔体，经过可插拔结构连接至聚焦电极引出电极和聚焦电极，以在减速电场区形成附加电场，叠加在原减速电场上，调节减速电场的均匀度。

可选地，所述刮束器包括端盖I和刮束头；所述束流能量分析仪还包括：端盖II、绝缘支撑I、绝缘支撑II、绝缘支撑III、和绝缘支撑IV以及屏蔽筒；所述刮束头通过氩弧焊焊接在端盖I上；所述端盖II位于收集极的一侧，所述减速栅网位于收集极的另一侧；所述屏蔽筒位于与聚焦电极平行的两侧，所述屏蔽筒、端盖I以及端盖II包围形成所述真空腔体的外壁，所述屏蔽筒与端盖I以及端盖II之间通过螺钉连接；所述绝缘支撑I和绝缘支撑II位于所述聚焦电极平行的两端，用于固定所述聚焦电极，所述绝缘支撑III和绝缘支撑IV用于固定所述收集极，所述绝缘支撑I、绝缘支撑II、绝缘支撑III以及绝缘支撑IV通过屏蔽筒、端盖I以及端盖II进行压合固定。

可选地，所述收集极包括收集极引出电极，用于将所述收集极收集的电子束信息传输给所述快速束流变压器FCT；所述减速栅网焊接在反向电极上，反向电极401由绝缘支撑II和绝缘支撑III压合固定，所述聚焦电极引出电极通过螺纹与聚焦电极连接固定，减速栅网引出电极通过螺纹与反向电极连接固定，收集极引出电极通过螺纹与收集极连接固定。

可选地，端盖II上有六个均布的螺钉孔，用于所述束流能量分析仪与外转接架之间的连接固定。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的束流能量分析仪适用于0.5keV～20keV、导流系数大于1μP的低能强流电子束束流能谱的测量，也可用于0.5keV～20keV、导流系数小于1μP的低能电子束以及其他合适的低能离子束的束流能谱测量，是一种多用途高精度束流能量分析仪。相对于传统的测量方法及装置，本发明大幅提高了束流能谱测量的分辨率，最高相对分辨率可达0.2％。

本发明提供的束流能量分析仪有利于电子枪等微波真空器件的性能的准确评估，对相关微波真空器件的发展具有一定的推动作用。

附图说明

图1是现有基于洛伦兹力的用于束流能谱测量的束流测量系统的原理示意图；

图2是本发明实施例提供的束流能量分析仪的原理示意图；

图3是本发明实施例提供的束流能量分析仪的剖面图；

图4是本发明实施例提供的束流能量分析仪的三维视图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100为电子束流，200为刮束器，300为聚焦电极，400为减速栅网，500为收集极，600为真空腔体，700为反向高压电源，800为聚焦电源，900为快速束流变压器FCT，201为刮束头，202为端盖I，301为聚焦电极引出电极，401为反向电极，402为减速栅网引出电极，501为收集极引出电极，1001为绝缘支撑I，1002为绝缘支撑II，1003为绝缘支撑III，1004为绝缘支撑IV，1101为屏蔽筒，1102为端盖II。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了解决现有束流能谱测量方法对于低能强流电子束测量精度偏低的问题，本发明的目的在于提供一种用于低能强流电子束测量的束流能量分析仪，旨在满足0.5keV～20keV、导流系数大于1μP的低能强流电子束束流能谱的高精度测量。

本发明提供了一种用于低能强流电子束测量的束流能量分析仪，用于电子束束流能量和能散的测量。该束流能量分析仪的基本测量原理基于反向电场，包括束流刮束、束流反向减速、收集测量三个主要过程。不同于传统的基于反向电场的束流能量测量方法，该能量分析仪对于束流先刮束后减速，大幅降低了减速过程中低能强流带来的能量偏移和附加能散，进而准确的测量束流能谱。低能强流束先经过束流刮束，绝大部分粒子被拦截，只有少部分粒子进入能量分析仪内部。之后，进入能量分析仪内的粒子被减速电场减速，大于减速栅网电压的粒子可以通过减速电场，之后被收集极收集。调节减速栅网电压，即调节减速电场，收集极上收集到的束流的流强会随之变化。分析收集极上收集到的束流的流强的变化，结合减速栅网电压，可以获得束流横截面某处的束流的能谱分布。使用多自由度扫描系统驱动能量分析仪完整的扫描整个束流横截面，对各个位置处测量的到的束流能谱分布进行积分，最终可得到完整的束流能谱分布。

本发明的一个优选实施方式，刮束过程由刮束器完成，该刮束过程包含两次刮束。控制刮束器的孔径，使得绝大部分粒子被拦截，只有少部分粒子能够进入能量分析仪内部。进入能量分析仪内部的束流流强不超过10mA。

本发明的一个优选实施方式，刮束器位于能量分析仪最前端，其头部材料为铜。

本发明的一个优选实施方式，能量分析仪为整个束流测量系统的一个可切换模块。能量分析仪置于超高真空中，通过一个转接架固定在多自由度扫描系统上。

本发明的一个优选实施方式，能量分析仪固定用的转接架，其前端使用螺钉与能量分析仪连接，转接架的后端使用螺钉与多自由度扫描系统连接，转接架起机械支撑与高压线排布接入的作用。

本发明的一个优选实施方式，所述的多自由度扫描系统既可以驱动能量分析仪对束流横截面进行扫描，得到某一纵向位置处束流的能谱，也可以驱动能量分析仪纵向运动，得到束流在任何可测位置截面的能谱。

本发明的一个优选实施方式，多自由度扫描系统即为用于束斑扫描的多自由度测量控制系统。该多自由度扫描系统有三个自由度，可三个方向高精度驱动外接的可切换模块运动。

本发明的一个优选实施方式，能量分析仪后端有三个引出电极，分别与两根高压线、一根束流收集信号线连接。高压引出电极与外接线的连接方式为可插拔结构。

本发明的一个优选实施方式，能量分析仪内包含一个减速栅网，减速栅网通过高压线与反向高压电源连接，反向高压电源电压可调范围：-0.5kV～-20kV。反向高压在减速栅网与刮束器间形成减速电场。

本发明的一个优选实施方式，能量分析仪内包含一个聚焦电极，聚焦电极通过外接高压线与聚焦电源连接，聚焦电源输出电压可调范围：-400V～0V。由于能量分析仪横向尺寸有限，对于进入能量分析仪内部的粒子，反向高压在减速栅网与刮束器间形成减速电场并不是均匀场，不均匀的减速电场会给粒子的减速过程带来附加能散，从而降低了的测量的准确度。调节聚焦电源电压，可以适当调节减速电场，使得减速电场更加均匀，进而提高能量分析仪的能谱测量精度。

本发明的一个优选实施方式，能量分析仪内包含一个收集极，收集极收集经过反向电场减速后，穿过减速栅网的粒子。

本发明的一个优选实施方式，能量分析仪使用一个FCT对收集极收集到的粒子进行流强测量。FCT通过束流收集信号线与收集极连接。

如图2所示，为本发明实施例提供的束流能量分析仪的原理示意图，包括束流刮束、束流反向减速、收集测量三个过程，完整构成包括：刮束器200，聚焦电极300，减速栅网400，收集极500，真空腔体600、反向高压电源700、聚焦电源800以及快速束流变压器FCT900。其中刮束器200、聚焦电极300、减速栅网400和收集极500均处于真空腔体600对应的超高真空中，真空度为1E-6Pa～1E-7Pa。由图知，刮束器200接地，聚焦电极300外接于聚焦电源上，减速栅网400外接于反向高压电源700上。反向高压电源700在刮束器200与减速栅网400间形成减速电场，聚焦电源800在减速电场区形成附加电场。附加电场叠加在减速电场上，可对减速电场进行调节，使得减速电场更加均匀，进而提高能量分析仪的能谱分辨率。

本发明实施例中，对电子束100进行能谱测量时，电子束100先经过刮束器200刮束，大部分粒子被拦截，只有少部分粒子能够进入能量分析仪内部。对刮束器200的孔径进行控制，使得进入能量分析仪内部的束流流强不超过10mA。之后，进入能量分析仪内部的粒子被减速电场减速，能量大于减速栅网电压的粒子最终通过减速电场，穿过减速栅网400，被收集极500收集；而能量小于减速栅网电压的粒子无法通过减速电场，不能被收集极500收集，最终被刮束器200收集。收集极500外接FCT 900，通过FCT 900实时测量收集极500收集到的粒子流强。调节反向高压电源700的输出电压，即调节减速电场强度，进而调节通过减速电场而被收集极500收集测量到的粒子流强。根据粒子流强与减速电压的关系，可以得出进入能量分析仪内部的束流的能谱。将进入能量分析仪的束流看作一面积元，沿束流横截面移动能量分析仪，完整扫描束斑截面，进而得到束流横截面上所有的面积元对应的束流能谱。对横截面上各个面积元的束流能谱进行面积分，最终得到完整的束流能谱分布。

本发明实施例中，能量分析仪通过一个转接架固定在多自由度扫描系统上，该多自由度扫描系统有三个自由度，可三个方向高精度驱动能量分析仪运动，对束斑截面完成完整的扫描。本发明使能量分析仪的各个方向的运动精度均不低于0.02mm。

本发明实施例中，图3为能量分析仪的剖面图，图4为能量分析仪的三维视图。图中，刮束头201的材料为铜，端盖I 202、聚焦电极300、聚焦电极引出电极301、减速栅网400、反向电极401、减速栅网引出电极402、收集极500、收集极引出电极501、屏蔽筒1101和端盖II 1102的材料均为不锈钢。端盖I 202内表面、屏蔽筒3内表面、端盖II 1102、聚焦电极300、聚焦电极引出电极301、反向电极401、减速栅网引出电极402、收集极500和收集极引出电极501的表面粗糙度均为0.8。绝缘支撑I 1001、绝缘支撑II 1002、绝缘支撑III 1003和绝缘支撑IV 1004的材料可以为陶瓷、聚四氟乙烯或Peek，以满足真空绝缘。其中，刮束头201通过氩弧焊焊接在端盖I 202上，屏蔽筒1101与端盖I 202以及端盖II 1102之间通过螺钉连接。绝缘支撑I 1001、聚焦电极300、绝缘支撑II 1002、绝缘支撑III 1003和绝缘支撑IV 1004通过屏蔽筒1001、端盖I 202以及端盖II 1102进行压合固定。减速栅网400焊接在反向电极401上，反向电极401由绝缘支撑II 1002和绝缘支撑III 1003压合固定，收集极500由绝缘支撑III 1003和绝缘支撑IV 1004压合固定。聚焦电极引出电极301通过螺纹与聚焦电极300连接固定，减速栅网引出电极402通过螺纹与反向电极401连接固定，收集极引出电极501通过螺纹与收集极500连接固定。如图4所示，端盖II 1102上有六个均布的螺钉孔，用于能量分析仪与外转接架之间的连接固定。

本发明实施例中，刮束头201和端盖I 202共同构成刮束器，束流会经过两次刮束。

本发明实施例中，刮束头201和端盖I 202的同轴度误差为0.01mm～0.03mm，端盖I202、屏蔽筒1101、端盖II 1102、聚焦电极300、反向电极401和收集极500之间的同轴度与平行度误差为0.03mm～0.05mm。

本发明实施例中，反向高压电源700输出的减速电压通过高压电极法兰馈入真空腔体600，经过可插拔结构连接至减速栅网引出电极402，再由减速栅网引出电极402连接至反向电极401，以至连接至减速栅网400。端盖I 202、屏蔽筒1101以及端盖II 1102通过能量分析仪转接架接地，其上电势均为零。因此，反向高压电源700在端盖I 202与反向电极401以及减速栅网400之间形成减速电场，粒子在此区间被减速。同样，聚焦电源800的输出的聚焦电压通过高压电极法兰馈入真空腔体600，经过可插拔结构连接至聚焦电极引出电极301，再由聚焦电极引出电极301连接至聚焦电极300。因此，聚焦电源800在减速电场区形成附加电场，叠加在原减速电场上，调节减速电场的均与度，进而提高能量分析仪的能谱分辨率。

本发明实施例中，能量大于反向高压电源的减速电压的粒子会通过减速电场，并穿过减速栅网400，被收集极500收集。收集到的束流经收集极500，再经收集极引出电极501，最后通过高压电极法兰引出真空腔体600。引出真空腔体600的束流流强通过FCT 900测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种束流能量分析仪，其特征在于，包括：刮束器、聚焦电极、减速栅网、收集极以及快速束流变压器FCT；

所述刮束器用于对待分析能谱的电子束进行刮束，使得部分电子束入射通过所述刮束器；

所述减速栅网用于提供减速电场，以对入射通过所述刮束器的部分电子束减速；

所述减速栅网用于使得能量大于减速栅网电压的粒子穿过减速栅网；

所述收集极用于收集穿过所述减速栅网的电子束；

所述快速束流变压器FCT用于实时测量收集极收集到的电子束粒子流强，所述收集极收集到的电子束粒子流强与所述减速电压的关系用于分析所述电子束的能谱。

2.根据权利要求1所述的束流能量分析仪，其特征在于，还包括：真空腔体、反向高压电源以及聚焦电源；

所述待分析能谱的电子束、刮束器、聚焦电极、减速栅网以及收集极均处于所述真空腔体，所述真空腔体用于提供超高真空环境；

所述反向高压电源用于为聚焦电极提供电源，以在刮束器与减速栅网间形成减速电场；

所述聚焦电源用于在减速电场区形成附加电场，所述附加电场叠加在减速电场上，可对减速电场进行调节，使得减速电场更加均匀。

3.根据权利要求2所述的束流能量分析仪，其特征在于，所述能量分析仪整体置于超高真空中；所述超高真空环境的真空度为1E-6Pa～1E-7Pa。

4.根据权利要求2所述的束流能量分析仪，其特征在于，还包括：连接所述减速栅网的减速栅网引出电极和反向电极；

所述反向高压电源输出的电压通过高压电极法兰馈入所述真空腔体，经过可插拔结构连接至所述减速栅网引出电极和反向电极，以为所述减速栅网提供减速电压。

5.根据权利要求2所述的束流能量分析仪，其特征在于，还包括：连接减速栅网的聚焦电极引出电极和聚焦电极；

所述聚焦电源的输出的聚焦电压通过高压电极法兰馈入真空腔体，经过可插拔结构连接至聚焦电极引出电极和聚焦电极，以在减速电场区形成附加电场，叠加在原减速电场上，调节减速电场的均匀度。

6.根据权利要求1至5任一项所述的束流能量分析仪，其特征在于，所述刮束器包括端盖I和刮束头；

所述束流能量分析仪还包括：端盖II、绝缘支撑I、绝缘支撑II、绝缘支撑III、和绝缘支撑IV以及屏蔽筒；

所述刮束头通过氩弧焊焊接在端盖I上；

所述端盖II位于收集极的一侧，所述减速栅网位于收集极的另一侧；

所述屏蔽筒位于与聚焦电极平行的两侧，所述屏蔽筒与端盖I以及端盖II之间通过螺钉连接；

所述绝缘支撑I和绝缘支撑II位于所述聚焦电极平行的两端，用于固定所述聚焦电极，所述绝缘支撑III和绝缘支撑IV用于固定所述收集极，所述绝缘支撑I、绝缘支撑II、绝缘支撑III以及绝缘支撑IV通过屏蔽筒、端盖I以及端盖II进行压合固定。

7.根据权利要求6所述的束流能量分析仪，其特征在于，所述收集极包括收集极引出电极，用于将所述收集极收集的电子束信息传输给所述快速束流变压器FCT；

所述减速栅网焊接在反向电极上，反向电极401由绝缘支撑II和绝缘支撑III压合固定，所述聚焦电极引出电极通过螺纹与聚焦电极连接固定，减速栅网引出电极通过螺纹与反向电极连接固定，收集极引出电极通过螺纹与收集极连接固定。

8.根据权利要求6所述的束流能量分析仪，其特征在于，所述端盖II上有六个均布的螺钉孔，用于所述束流能量分析仪与外转接架之间的连接固定。