CN109143313B - 一种电子能量甄别器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子能量甄别器，涉及粒子检测技术领域，包括真空腔室和安装在真空腔室内的两个位置敏感探测器和至少三个电位电极，至少三个电位电极之间形成至少两个减速电场，且两个减速电场中的加速度不相同，电势最低的电位电极上具有电子源，且整个真空腔室处于均匀磁场中，当电子源发射的待测电子经过至少两个减速电场减速后最后被两个位置敏感探测器接收到，由计算单元根据记录的位置信息和时间信息计算确定待测电子的初始动能。本发明的电子能量甄别器使能量甄别能力和待测电子的初始能量之间呈现非单调变化关系，从而使该甄别器不仅具备较宽的甄别量程，而且还能以较高的能量分辨率重点甄别某个高能量区域。

Description

一种电子能量甄别器

技术领域

本发明涉及粒子探测技术领域，特别是涉及一种电子能量甄别器。

背景技术

人类对物质本质的探索目前已深入分子、原子及亚原子微观领域，其媒介手段主要有三大类：电子、离子和光子，其中电子能量甄别往往是各种探测方法中灵敏度较高的一类，因而该技术得到了广泛的应用和关注。现有的电子能量甄别器，无论其采用何种能量色散甄别技术，其能量分辨能力并没有实质性的差异。从定性角度分析，它们的共性为：能量分辨能力Δε与待甄别电子初始能量ε之间存在着单调变化关系，近似满足Δε∝ε¹²或Δε∝ε³²。这意味着：高能量电子的甄别性能总是较低能电子低，且能量分辨能力随电子能量增加而迅速恶化。这直接导致的结果是，能量甄别系统仅仅在一个量程较小的低能量区间内具有满足测量要求的能量分辨率。但实际应用中常出现这样的情况：不仅要求甄别器具备较宽的甄别量程，而且还要求能以较高的能量分辨率重点甄别某个高能量区域，也即“监视区”。对现有的电子能量甄别器而言，我们当然可以通过增加能量甄别系统的有效长度以改善其整体的能量分辨性能，但增加系统长度无疑将降低待甄别电子接收效率，而实质上降低了电子甄别器的总体性能。因而，亟需一种新型电子甄别器，能从实质上满足上述电子甄别应用需求。

发明内容

本发明实施例提供了一种电子能量甄别器，以解决目前电子能量甄别器量程小而且难以对高能量区域进行甄别的问题。

本发明提供了一种电子能量甄别器，所述电子能量甄别器包括真空腔室、位置敏感探测器、电位电极、电子源以及计算单元；所述真空腔室内部为圆柱状的真空环境；所述位置敏感探测器的数量为两个，两个所述位置敏感探测器分别安装在所述真空腔室内部靠近两个底面的位置，且两个所述位置敏感探测器的轴线均与所述真空腔室的轴线重合，所述位置敏感探测器用以探测并记录待测电子撞击时的位置信息和时间信息；

所述电位电极的数量为至少三个，其中的两个电位电极分别安装在所述真空腔室内部靠近两个所述位置敏感探测器的位置，且该两个电位电极均位于两个所述位置敏感探测器之间，其余所述电位电极位于这两个电位电极之间，靠近两个所述位置敏感探测器的两个所述电位电极分别处在最高电势和最低电势，位于这两个电位电极之间的其他电位电极的电势处于最高电势和最低电势之间，所述电位电极用以在两个所述位置敏感探测器之间形成至少两个具有不同减速电场加速度的区域；

所述电子源位于至少三个所述电位电极中处于最低电势的电位电极的中央位置，用以产发射待测电子，且待测电子的发射方向与减速电场的方向相反；

所述真空腔室处于均匀磁场中，该均匀磁场的方向与减速电场的方向相同并且覆盖整个减速电场，所述计算单元根据所述位置敏感探测器记录的位置信息和时间信息计算出待测电子的初始动能。

本发明实施例中的一种电子能量甄别器，具有以下技术效果：

1.该电子能量甄别器，通过引入新型能量色散甄别系统——探测器之间两个具有不同减速电场加速度a₁和a₂的纵向电子光学场区，在满足条件a₁≥a₂时，系统能量甄别能力Δε(也即能量甄别特征参数

)与待甄别电子初始能量ε之间呈现非单调变化关系，从而使该甄别器不仅具备较宽的甄别量程，而且还能以较高的能量分辨率重点甄别某个高能量区域。

2.该电子能量甄别器，其能量色散甄别系统具有可拓展性，可将具有不同减速电场的纵向电子光学场区拓展为3个甚至更多，如此便可形成更多的高能量“监视区”，因而该发明的用途将具有多样性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中电子能量甄别器的结构示意图；

图2为减速电场加速度a₁＝a₂条件下电子能量甄别特征参数示意图；

图3为减速电场加速度a₁>a₂条件下电子能量甄别特征参数示意图；

图4为电子在纵向均匀磁场作用下的径向运动的坐标系示意图；

图5为本发明一个实施例的能量甄别特征参数示意图；

图6为本发明一个实施例的能量甄别分辨率和相对能量分辨率示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明实施例提供了一种电子能量甄别器，该电子能量甄别器包括圆柱形的封闭真空腔室100、两个位置敏感探测器110、至少三个电位电极120和一个电子源130。

所述真空腔室100内部处于10^-3～10^-4Pa的真空环境，两个所述位置敏感探测器110分别安装在所述真空腔室100内部靠近两个底面的位置，且两个所述位置敏感探测器110的轴线均与所述真空腔室100的轴线重合，所述位置敏感探测器110用以探测并记录电子撞击时的位置信息和时间信息。

至少三个所述电位电极120中的两个分别安装在所述真空腔室100内部靠近两个所述位置敏感探测器110的位置，且该两个电位电极120均位于两个所述位置敏感探测器110之间，这两个电位电极120的半径与所述位置敏感探测器110的半径相当，且与其他电位电极120的半径也相当。其余所述电位电极120位于这两个电位电极120之间。靠近两个所述位置敏感探测器110的两个所述电位电极120分别处在最高电势和最低电势，位于这两个电位电极120之间的其他电位电极120的电势则处于最高电势和最低电势之间。所述电位电极120用以在两个所述位置敏感探测器110之间形成至少两个具有不同减速电场加速度的区域。本实施例中所述电位电极120的数量为三个，因此这三个电位电极120之间形成的两个减速电场的加速度分别为a₁和a₂，这两个区域的长度分别为nL与(1-n)L，n＜1。所述电位电极120的设置可以使甄别器的能量甄别能力Δε与电子初始能量ε_i之间呈非单调变化关系。

所述电子源130位于至少三个所述电位电极120中处于最低电势的电位电极的中央位置，用以产发射待测电子，且待测电子的发射方向与减速电场的方向相反。

所述真空腔室100处于均匀磁场中，该均匀磁场的方向与减速电场的方向相同并且覆盖整个减速电场。该均匀磁场用以约束电子的径向弥散，提高能量甄别器的电子收集效率。设电子回旋半径为R，则所述位置敏感探测器110的半径为R₀，且2R≤R₀。

在得到所述位置敏感探测器110记录的位置信息和时间信息后通过计算单元即可计算出待测电子的初始动能。

对于待测电子而言，根据其在真空腔室100中的运动及其撞击的位置敏感探测器，其可以分为三种类型：第一种与第二种类型的待测电子分别在减速电场加速度为a₁与a₂的区域内被反射而最终被靠近电势最低的所述电位电极120的所述位置敏感探测器110接收，第三种电子则穿越整个真空腔室100最终被靠近电势最高的所述电位电极120的所述位置敏感探测器110接收。对第一种类型电子而言，要保证在甄别器系统中的往返运动，其初始状态参量—初始动能ε_i1和初始发射角θ_i1应满足如下条件：

ε_i1cos²θ_i1≤m_ea₁nL (1)

其飞行时间函数为：

其中，m_e为电子的质量。相应地，第二类及第三类电子所应满足的条件分别如下所示：

m_ea₁nL<ε_i2cos²θ_i2≤m_ea₁nL+m_ea₂(1-n)L (3)

ε_i3cos²θ_i3>m_ea₁nL+m_ea₂(1-n)L (4)

同时也可求得其相对应的飞行时间函数：

这里根据式(1)、(3)和(4)，引入了两个参数ε_low和ε_high以表示划分这三类待测电子时的临界轴向初始能量的最小值和最大值：

ε_low＝m_ea₁nL，ε_high＝m_ea₁nL+m_ea₂(1-n)L (7)

同时，分别利用ε_icos²θ_i＝ε_low与ε_icos²θ_i＝ε_high通过式(2)与(5)得到甄别器的两个特征飞行时间参数t_low和t_high，分别表示对应于ε_low和ε_high的电子飞行时间：

上述的ε_i和θ_i分别为三类待测电子的初始动能和初始发射角度的总称，根据三类电子的飞行时间函数，可由下式得到电子能量甄别器的能量甄别特征参数

分析可得，使系统能量甄别特征参数

与待测电子初始能量ε_i之间呈非单调变化关系的必备条件是a₁≥a₂，如图2、3所示。

至于待测电子的径向运动，由于轴向电场并不改变待测电子的径向速度，因而均匀轴向磁场的引入将使得待测电子在径向作圆周运动，如图4所示。其中，(0,0)为位置敏感探测器110的中心。则待测电子径向运动可描述为：

其中，R＝m_ev_r/Be，ω＝Be/m_e分别是待测电子的回旋半径和角频率。则待测电子径向动量为：

结合图中所示角度关系γ＝ωt/2、

可得动量的两个径向分量分别为：

在以位置敏感探测器110的中心为原点的电子径向运动坐标系中，角度γ＝ωt/2表示粒子相对初始发射方向转过的径向角度。同时，根据位置敏感探测器110记录的飞行时间信息即可由式(2)、(5)和(6)求得电子的初始轴向动量pz(初始轴向速度为

)，再结合位置信息即可由式(13)与(14)求得p_x与p_y，从而最终得出待测电子的初始动能为：

在实际应用中位置敏感探测器110总是置于一封闭的管子中，对于具有初始能量ε_i及初始发射角θ_i的待测电子，其在磁场中所作圆周运动的半径为：

假设位置敏感探测器110的半径为R₀，由于尺寸的有限性，根据图4可知仅有满足2R≤R₀条件的待测电子才可能被探测器接收。由式(17)知，不同能量的电子具有相对应的最大发射角，这里称为临界角θ_ca：

对给定的轴向磁场，初始动能较小的电子具有较大的临界角。

以下再给出一个实例来具体说明该发明的实施效果。

该电子能量甄别器具有圆柱形对称结构，R₀＝20mm,L＝200mm。待测电子能量范围为20～60eV，需要重点分析的能量区域为38～45eV。根据前述分析，可以大致设定相关的参数为：ε_low＝35eV，ε_high＝45eV。考虑其应用条件a₁≥a₂，可以进一步求得a₁＝6.2×1013m/s²及a₂＝1.8×1013m/s²，采用的均匀磁场强度为B＝1.2Gs。

根据已知参数，理论计算的能量甄别特征参数如图5所示，高能监视区域为36.1～45eV。此系统的能量甄别率及相对能量甄别率如图6所示。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种电子能量甄别器，其特征在于，所述电子能量甄别器包括真空腔室、位置敏感探测器、电位电极、电子源以及计算单元；所述真空腔室内部为圆柱状的真空环境；所述位置敏感探测器的数量为两个，两个所述位置敏感探测器分别安装在所述真空腔室内部靠近两个底面的位置，且两个所述位置敏感探测器的轴线均与所述真空腔室的轴线重合，所述位置敏感探测器用以探测并记录待测电子撞击时的位置信息和时间信息；

所述电位电极的数量为至少三个，其中的两个电位电极分别安装在所述真空腔室内部靠近两个所述位置敏感探测器的位置，且该两个电位电极均位于两个所述位置敏感探测器之间，其余所述电位电极位于这两个电位电极之间，靠近两个所述位置敏感探测器的两个所述电位电极分别处在最高电势和最低电势，位于这两个电位电极之间的其他电位电极的电势处于最高电势和最低电势之间，所述电位电极用以在两个所述位置敏感探测器之间形成至少两个具有不同减速电场加速度的区域；

所述电子源位于至少三个所述电位电极中处于最低电势的电位电极的中央位置，用以产发射待测电子，且待测电子的发射方向与减速电场的方向相反；

所述真空腔室处于均匀磁场中，该均匀磁场的方向与减速电场的方向相同并且覆盖整个减速电场，所述计算单元根据所述位置敏感探测器记录的位置信息和时间信息计算出待测电子的初始动能。

2.如权利要求1所述的电子能量甄别器，其特征在于，所述电位电极的数量为三个，这三个电位电极之间形成的两个减速电场的加速度分别为a₁和a₂，a₁≥a₂，且加速度为a₁的区域靠近具有最低电势的所述电位电极。

3.如权利要求2所述的电子能量甄别器，其特征在于，所述计算单元根据以下公式计算待测电子的初始动能：

上式中，p_z为根据所述位置敏感探测器记录的时间信息计算得到的待测电子的初始轴向动量，p_x和p_y为将初始轴向动量p_z和所述位置敏感探测器记录的位置信息计算得到的待测电子初始轴向动量的两个径向分量，m_e为电子质量。

4.如权利要求3所述的电子能量甄别器，其特征在于，所述初始轴向动量p_z根据初始轴向速度

确定，其中θ_i为待测电子的初始发射角；

待测电子初始轴向动量的两个径向分量p_x和p_y分别根据以下公式计算确定：

其中ω为待测电子的回旋角频率，x、y分别为待测电子在飞行时在所述位置敏感探测器上投影的横坐标和纵坐标，t为待测电子的飞行时间函数，在两个所述两个减速电场中飞行的待测电子分为三种类型，第一种与第二种类型的待测电子分别在减速电场的加速度为a₁与a₂的区域内被反射而最终被靠近电势最低的所述电位电极的所述位置敏感探测器接收，第三种待测电子穿越整个所述真空腔室并最终被靠近电势最高的所述电位电极的所述位置敏感探测器接收，第一、二、三种待测电子的飞行时间函数分别为：

其中，ε_i1、ε_i2、ε_i3分别为三种电测电子的初始动能，θ_i1、θ_i2、θ_i3分别为三种待测电子的初始发射角，ε_low和ε_high分别表示划分这三种待测电子时的临界轴向初始能量的最小值和最大值。

5.如权利要求1所述的电子能量甄别器，其特征在于，所述真空腔室内部处在10^-3～10^{- 4}Pa的真空环境。

6.如权利要求1所述的电子能量甄别器，其特征在于，分别靠近两个所述位置敏感探测器的两个所述电位电极的半径与所述位置敏感探测器的半径相当，且这两个电位电极的半径与其他电位电极的半径也相当。

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