CN109243945B - 一种瓣状电极及制造方法、产生均匀电场的方法、变像管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带电粒子光学成像元件，具体涉及一种瓣状电极及制造方法、产生均匀电场的方法、构成的变像管。为解决保持系统总体性能功能指标不变的条件下，变像管尺寸难以缩小的技术问题，本发明提供了一种瓣状电极及制造方法、产生均匀电场的方法、变像管。一种瓣状电极，由沿圆周方向分为8n个沿同一圆周间隔、均匀设置的电极瓣构成；产生均匀电场的方法，对各电极瓣电压按规律设定后可产生均匀电场。本发明还包括一种变像管，所述变像管由沿光路依次设置的光阴极、栅网、聚焦电极、上述瓣状电极和荧光屏组成。本发明可应用于变像管条纹相机，同时实现对电子束的聚焦和偏转，可有效的降低变像管中电极的数量，减小其尺寸。

Description

一种瓣状电极及制造方法、产生均匀电场的方法、变像管

技术领域

本发明属于光学成像元件技术领域，具体涉及一种瓣状电极及制造方法、产生均匀电场的方法、构成的变像管。

背景技术

变像管条纹相机是一种实现超快瞬态光信号的光电转换、聚焦成像、扫描偏转以及图像增强与处理的超快诊断设备。由于其记录速度极快[理论极限时间分辨率高达10飞秒(fs)，1fs＝10^-15s]，加之其具有能使光增强以及从红外到紫外、X射线等不同波段信号探测能力，如今它已成为10^-8～10^-13s范围内超快时间分辨诊断研究领域的主力军。源于应用领域的多样性以及需求侧重点的不同，目前变像管条纹相机也鲜明地呈现出性能侧重型发展趋势。

针对量子阱半导体的能量弛豫、飞秒时间量级化学反应动力学，以及飞秒激光诊断等诸多超快诊断过程的研究，要求变像管条纹相机时间分辨性能要达到飞秒量级；由于相关瞬态过程的光信号通常都有相当的强度变化范围，要求变像管系统的设计同时也要兼顾动态范围这个指标。近年来，随着条纹相机在激光雷达技术中的创新应用，变像管条纹相机的小型化已成为必要，并成为人们关注的焦点。

变像管是变像管条纹相机中必须的元器件，变像管的大小对变像管条纹相机的尺寸大小有着重要影响。现有变像管的结构如图1所示，包括依次设置的光阴极11、栅网12、聚焦电极13、阳极16、偏转电极17和荧光屏15，光电子从光阴极11射出后，经珊网12、聚焦电极13、阳极16聚焦后，再进入偏转电极17经其偏转以后，在荧光屏15上成像，完成对光电子的成像作用。

目前针对变像管条纹相机的小型化，最常用的方法是同比缩小变像管各组成部分，但这无疑将削弱变像管条纹相机的技术特色，如有效输入窗口减小势必将降低其信号探测的动态范围等。因而非常有必要考虑新的设计思路，在保持系统总体性能功能指标不变的条件下，实现变像管条纹相机的小型化。

发明内容

本发明的目的在于,解决在保持总体性能功能指标不变的条件下，变像管尺寸难以缩小的技术问题，而提供了一种瓣状电极及制造方法、产生均匀电场的方法、构成的变像管，用于变像管条纹相机。

本发明的技术方案是：

一种瓣状电极，其特殊之处在于：包括8n个相同的弧面状电极瓣；所述电极瓣沿同一圆周间隔、均匀设置，相邻两个电极瓣之间的距离处处相等，整体形成一圆筒状电极；相邻两个电极瓣之间的缝隙沿圆筒状电极轴向贯通；每两个电极瓣内圆弧段之间的间隔角度为2δ，为使得电极能够获得均匀的电场分布，所述2δ大于5°，小于等于10°；其中，n为大于等于1的整数；且在各电极瓣分别设置相应的电位，使得其对电子束具有聚焦-偏转复合功能。

进一步地，n＝1，此时瓣状电极有八个电极瓣，能够满足获得均匀电场分布的要求，并且此时瓣状电极的加工相对简单方便。

一种瓣状电极的制造方法，其特殊之处在于：将圆筒状电极，绕圆周、沿母线方向均匀切除8n个中心角相同的弧面段，形成8n个相同的电极瓣，相邻两个电极瓣之间的距离处处相等；相邻两个电极瓣的内圆弧段之间的间隔角度为2δ；所述n为大于等于1的整数，0°＜2δ≤10°；且在各电极瓣分别设置相应的电位，使得其对电子束具有聚焦-偏转复合功能。

本发明同时提供了一种利用上述瓣状电极产生均匀电场的方法，为更清楚的理解本发明的技术方案，首先介绍下本发明的发明构思：

对于由旋转对称电极开槽形成的多极电极产生的多极场系统，其电子或离子束的中心仍是一直线轴。采用柱坐标

其空间电位U满足拉普拉斯方程：

一般来说，非旋转对称意味着电位U也是

的函数。把

对

作傅立叶展开：

n＝1,2,3…

上式方括号内的两项叫做n次谐波电位，其第一项相对于

子午面左右对称，而第二项相对于此面反对称。当2δ很小时，可以认为缝隙间电位为线性变化。各电极所加电位分别为±V_d和±mV_d。由于此场位关于

对称面具有对称性，同时关于

具有反对称性，因而上述空间电位的傅立叶展开式中没有正弦部分，且n只能取1，3，5等奇数。则由(1)、(2)式可知，谐波电位u⁽ⁿ⁾(r,z)满足以下方程：

设电极表面谐波电位为u_n，则沿方位角方向做傅立叶分析即可求出各个u_n值。

根据以上论述知，在r＝R处有

n＝1,3,5…

利用电极间隙电位线性变化近似，(5)式可解析表达为：

式中m为电压比例系数；

由(6)式知，当满足

时电极表面各谐波电位的值如下：

这意味着导致四级偏转像差的六极场以及十极场分量都为0，从而在较大范围内可得到均匀横向偏转场，

基于上述发明构思，根据以下方式给瓣状电极施加电压以产生均匀电场：

1)编号

将所述电极瓣从子午面顺时针数起分别记为第一组电极瓣、第二组电极瓣、第三组电极瓣、第四组电极瓣、第五组电极瓣、第六组电极瓣、第七组电极瓣和第八组电极瓣，每组均含有n个电极瓣。

2)给各电极瓣施加偏转电压：

定义X为所述圆筒状电极横截面上直角坐标系的X轴，Y为所述圆筒状电极横截面上直角坐标系的Y轴，m为电压比例系数；

第一、给各电极瓣按以下规律施加Y方向偏转电压；

第一组电极瓣和第八组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压V_y，第二组电极瓣和第七组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压mV_y，第三组电极瓣和第六组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压-mV_y，第四组电极瓣和第五组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压-V_y；

第二、给各电极瓣按以下规律加X方向偏转电压；

第二组电极瓣和第三组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压V_x，第一组电极瓣和第四组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压mV_x，第五组电极瓣和第八组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压-mV_x，第六组电极瓣和第七组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压-V_x；

如果在上述八瓣偏转器上同时馈以x偏转与y偏转两组偏转电压时，只要两个方向的电压设置均满足上述规律，则在较大的范围内其两个横向偏转场近似为常数而可视为均匀场。

2)给所有电极瓣均加相同的聚焦电压V_c。

该瓣状电极还能与常用的静电透镜电极相结合而形成复合聚焦-偏转系统。当八瓣偏转器各电极仍加上透镜的电极电压时，其所产生的场虽有非轴对称的多极场分量，但多极场分量为16极场或者更多极场，因而不影响近轴区的聚焦效果，而且也不会产生三级、五级等几何像差；此时，如果在各瓣电极上再叠加满足二极场电压，便可实现附加的偏转场，从而形成静电复合聚焦-偏转系统。

V_c、V_x与V_y分别为聚焦透镜所需电位、八瓣偏转系统各电极所需的峰值电位设置。

根据上述瓣状电极构成的一种变像管，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的光阴极、珊网、聚焦电极、瓣状电极和荧光屏，此时不必再单独设置阳极进行聚焦，使得变像管的尺寸大幅减小，在总体性能功能指标不变的情况下，实现了变像管的小型化。

本发明的有益效果：

1、本发明通过将电极设置为瓣状，且在瓣状电极的各瓣分别设置相应的电位，使得其对电子束具有聚焦-偏转复合功能；相比传统的变像管设计方案，这将减少功能电极的数量，便于实现变像管的小型化设计；

2、本发明的瓣状电极当作为独立元件使用时，可分别实现对电子束的聚焦或偏转功能(一维或二维)；在二维偏转应用中，相比传统的双偏转器设计方案，该元件具备较低的偏转象差，容易得到无失真扫描图像，因而性能更优；同时，瓣状电极也将等效增加偏转区的轴向长度，这将显著提高偏转灵敏度和时间分辨率；

3.本发明通过将瓣状电极设置为圆柱对称型结构，使得在工程加工中可实现较高的加工精度和组装精度，因而具备良好的实用性和可操作性。

附图说明

图1是现有常用阳极和平板状偏转器变像管的框架图；

图2是本发明实施例瓣状电极一维偏转的结构图；

图3是本发明实施例瓣状电极二维偏转的结构图；

图4是本发明实施例复合聚焦-偏转系统电位设置的示意图；

图5是本发明实施例瓣状电极内部电位分布的示意图；

图6是本发明实施例瓣状电极变像管的框架图；

图7是本发明实施例变像管y方向电子轨迹的示意图；

图8是本发明实施例变像管x方向电子轨迹的示意图；

附图标记说明：

图1中：11-光阴极、12-栅网、13-聚焦电极、15-荧光屏、16-阳极、17-偏转电极；

图2至图8中：1-光阴，2-栅网，3-聚焦电极，4-瓣状电极，41-第一电极瓣，42-第二电极瓣，43-第三电极瓣，44-第四电极瓣，45-第五电极瓣，46-第六电极瓣，47-第七电极瓣，48-第八电极瓣，49-子午面，5-荧光屏，6-阳极，7-偏转电极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

如图2至图4所示，一种瓣状电极4，包括8个相同的弧面状电极瓣；电极瓣沿同一圆周间隔、均匀设置，整体形成一圆筒状电极；相邻两个电极瓣之间的缝隙沿圆筒状电极轴向贯通；每两个电极瓣内圆弧段之间的间隔角度2δ为10°，瓣状电极4的半径R为30mm；相邻两个电极瓣之间的距离处处相等。

该瓣状电极4在加工时，将一圆筒状电极，绕圆周、沿母线方向均匀切除8个相同的弧面段，形成8个相同的电极瓣。

在本实施例中，设定V_d＝100V、

将上述数值带入公式(7)，可以进行分析，得到瓣状电极4内部电场分布如图5所示。可知在此电位设置下，瓣状电极4内部近轴区域为横向均匀偏转场，也即瓣状电极4具有偏转功能。

利用上述瓣状电极4产生均匀电场的方法，步骤如下：

1)编号：

将电极瓣从子午面49顺时针数起，分别记为第一电极瓣41、第二电极瓣42、第三电极瓣43、第四电极瓣44、第五电极瓣45，第六电极瓣46、第七电极瓣47和第八电极瓣48。

2)给各电极瓣施加偏转电压：

第一、给各电极瓣按以下规律施加Y方向偏转电压；

第一电极瓣41和第八电极瓣48均加偏转电压V_y，第二电极瓣42和第七电极瓣47均加偏转电压mV_y，第三电极瓣43和第六电极瓣46均加偏转电压-mV_y，第四电极瓣和第五电极瓣均加偏转电压-V_y；

第二、给各电极瓣按以下规律加X方向偏转电压；

第二电极瓣42和第三电极瓣43均加偏转电压V_x，第一电极瓣41和第四电极瓣44均加偏转电压mV_x，第五电极瓣45和第八电极瓣48均加偏转电压-mV_x，第六电极瓣46和第七电极瓣47均加偏转电压-V_x；

3)给所有电极瓣均加相同的聚焦电压V_c。

利用上述瓣状电极4构成的一种变像管，包括沿光路依次设置的光阴极1、珊网2、聚焦电极3、瓣状电极4和荧光屏5，如图6所示；

为有限元分析计算方便起见，对本实施例的定性分析过程中，我们仅考虑一维y偏转的情形，也即使V_x＝0。

本实施例中，设置光阴极1电位V_pc＝-1100V，栅网2电位V_G＝0V，聚焦电极3电位V_F＝-800V，V_c＝200V，V_y＝500V，聚焦电极3和瓣状电极4的内径相等。

作为对此变像管聚焦及偏转特性的进一步分析，我们考虑了从光阴极1不同位置出发的光电子的主轨迹，如图7、图8所示。其中图7为从y方向观测所得的电子轨迹，图8为x方向观测所得的电子轨迹。依图可知，电子束在x横向受到聚焦电极3和瓣状电极4的聚焦作用，而在y横向则同时还受到瓣状电极4所形成的偏转场的作用。

Claims (5)

1.一种瓣状电极，其特征在于：包括8n个相同的弧面状电极瓣；所述电极瓣沿同一圆周间隔、均匀设置，相邻两个电极瓣之间的距离处处相等，整体形成一圆筒状电极；相邻两个电极瓣之间的缝隙沿圆筒状电极轴向贯通；每两个电极瓣内圆弧段之间的间隔角度为2δ，所述2δ大于5°，小于等于10°；其中，n为大于等于1的整数；且在各电极瓣分别设置相应的电位，使得其对电子束具有聚焦-偏转复合功能。

2.根据权利要求1所述的一种瓣状电极，其特征在于：n＝1。

3.一种瓣状电极的制造方法，其特征在于：将圆筒状电极，绕圆周、沿母线方向均匀切除8n个相同的弧面段，形成8n个相同的电极瓣，相邻两个电极瓣之间的距离处处相等；相邻两个电极瓣内圆弧段之间的间隔角度为2δ；所述n为大于等于1的整数，0°＜2δ≤10°；且在各电极瓣分别设置相应的电位，使得其对电子束具有聚焦-偏转复合功能。

4.利用权利要求1或2的瓣状电极产生均匀电场的方法，其特征在于：

1)编号

将所述电极瓣从子午面顺时针数起分别记为第一组电极瓣、第二组电极瓣、第三组电极瓣、第四组电极瓣、第五组电极瓣、第六组电极瓣、第七组电极瓣和第八组电极瓣，每组均含有n个电极瓣；

2)给各电极瓣施加偏转电压

定义X为所述圆筒状电极横截面上直角坐标系的X轴，Y为所述圆筒状电极横截面上直角坐标系的Y轴，m为电压比例系数；

第一、给各电极瓣按以下规律施加Y方向偏转电压：

第一组电极瓣和第八组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压V_y，第二组电极瓣和第七组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压mV_y，第三组电极瓣和第六组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压-mV_y，第四组电极瓣和第五组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压-V_y；

第二、给各电极瓣按以下规律加X方向偏转电压：

第二组电极瓣和第三组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压V_x，第一组电极瓣和第四组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压mV_x，第五组电极瓣和第八组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压-mV_x，第六组电极瓣和第七组电极瓣中的每一片电极瓣均加偏转电压-V_x；

3)给所有电极瓣均加相同的聚焦电压V_c。

5.利用权利要求1或2所述瓣状电极构成的一种变像管，其特征在于：包括沿光路依次设置的光阴极(1)、珊网(2)、聚焦电极(3)、瓣状电极(4)和荧光屏(5)。

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