CN109273338B - 电子束成像装置 - Google Patents

Abstract

一种电子束成像装置，包括光电阴极、栅网、漂移管、微通道板、荧光屏、电荷耦合器件及至少两个磁透镜，其中光电阴极、栅网及微通道板顺序设置在漂移管内，荧光屏及电荷耦合器件设置于漂移管外，且光电阴极、栅网、微通道板、荧光屏和电荷耦合器件对齐设置。采用上述电子束成像装置，用户可通过滑动磁透镜来调节放大倍率，由于置使用多个磁透镜，每个磁透镜的长度较短，上述电子束成像装置只需较小的激励电流即可达到与单个长磁透镜相同的放大倍率，而且通过多个短磁透镜成像能够有效降低场曲和成像畸变率，增大电子束成像装置的空间分辨率。

Description

电子束成像装置

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，特别是涉及一种电子束成像装置。

背景技术

X射线分幅相机是一种电子束成像装置，因其具有高时空分辨率，对超短脉冲有较强的探测能力，对二维空间有较强的分辨本领，因此被广泛应用于惯性约束核聚变和同步辐射的测量当中。

磁透镜是分幅相机的重要组成部分，其原理是通过磁场使电子束聚焦成像，对成像质量及其空间分辨率有着关键影响。目前，分幅相机通常使用单个长磁透镜进行聚焦，长磁透镜线圈绕得较长且未内置软铁，使得漂移区的磁场均匀分布，导致所需要的激励电流较大，而且难以获得可调节的放大倍率。

发明内容

基于此，有必要针对现有电子束成像装置放大倍率难以调节且需要较大激励电流的问题，提供一种电子束成像装置。

在一个实施例中，提供一种电子束成像装置，其包括光电阴极、栅网、漂移管、微通道板、荧光屏、电荷耦合器件及至少两个磁透镜；光电阴极、栅网及微通道板顺序排列在漂移管内，荧光屏及电荷耦合器件顺序排列在背向栅网的一侧，荧光屏及电荷耦合器件设置于漂移管外，且光电阴极、栅网、微通道板、荧光屏和电荷耦合器件对齐设置。

上述电子束成像装置，用户可通过滑动磁透镜调节电子束成像装置的放大倍率。在漂移管长度一定的情况下，上述电子束成像装置使用多个磁透镜，每个磁透镜的长度较短，只需较小的激励电流即可达到与单个磁透镜相同的放大倍率。通过多个短磁透镜成像能够有效降低场曲，令不同离轴距离的发射点在同一平面上成像，还能降低成像畸变率，在离轴距离较小时明显增大电子束成像装置的空间分辨率。

在其中一个实施例中，微通道板上设置有若干条互相平行的微带阴极。

在其中一个实施例中，光电阴极包括玻璃基板以及设置在玻璃基板上的若干条互相平行的金属微带。

在其中一个实施例中，光电阴极上的金属微带的数量与微通道板上的微带阴极的数量相同。

在其中一个实施例中，微通道板上设置有三条互相平行的微带阴极；玻璃基板上设置有三条互相平行的金属微带。

在其中一个实施例中，金属微带为表面镀金的铝金属微带。

在其中一个实施例中，光电阴极和微通道板分别具有圆形侧面，光电阴极的圆形侧面与微通道板的圆形侧面相对设置，微通道板的圆形侧面半径小于或等于光电阴极的圆形侧面半径。

在其中一个实施例中，电子束成像装置包括三个到五个磁透镜。

在其中一个实施例中，漂移管的长度至少为45厘米。

在其中一个实施例中，每个磁透镜包括柱状内壳、绕设于内壳外的线圈、以及包覆于线圈外的软铁壳，内壳沿长度方向的中间位置开设有环形间隙。

附图说明

图1为本发明一实施例的电子束成像装置的剖面结构示意图；

图2为本发明一实施例的空间分辨率与离轴距离之间的关系示意图；

图3为本发明一实施例的畸变率与离轴距离之间的关系示意图；

图4为本发明另一实施例的电子束成像装置的剖面结构示意图；

图5为本发明一实施例的电子束成像装置中的微通道板的圆形侧面示意图。

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。

本发明提供一种电子束成像装置，该电子束成像装置包括光电阴极、栅网、漂移管、微通道板(Microchannel Plate，MCP)、荧光屏、电荷耦合器件(Charged CoupledDevice，CCD)及至少两个磁透镜，其中光电阴极、栅网及微通道板顺序排列在漂移管内，荧光屏及电荷耦合器件依次顺序排列在接近微通道板的一侧，上述至少两个磁透镜滑动套设于漂移管外，使得上述两个磁透镜能在漂移区滑动，用户可通过滑动磁透镜调节电子束成像装置的放大倍率。在漂移管长度一定的情况下，本实施例使用多个磁透镜，每个磁透镜的长度较短，只需较小的激励电流即可达到与单个磁透镜相同的放大倍率。

在其中一个实施例中，如图1所示，一种电子束成像装置，该电子束成像装置包括光电阴极101、栅网102、漂移管103、微通道板104、荧光屏105、电荷耦合器件106及至少两个磁透镜107。其中光电阴极101、栅网102及微通道板104顺序排列在漂移管103内，荧光屏105及电荷耦合器件106依次顺序排列在微通道板104背向栅网102的一侧，且荧光屏105及电荷耦合器件106设置于漂移管103外，光电阴极101、栅网102、微通道板104、荧光屏105和电荷耦合器件106对齐设置，上述至少两个磁透镜107滑动套设在漂移管103外。

在其中一个实施例中，漂移管103为两端开口的圆柱体，即漂移管103为具有中空结构的圆柱体，光电阴极101、栅网102、及微通道板104间隔设置在漂移管103内。例如，光电阴极101邻近漂移管103的一个开口设置，微通道板104邻近漂移管103的另一个开口设置，栅网102设置在漂移管103内，位于光电阴极101和微通道板104之间，光电阴极101与微通道板104之间的空间称为漂移区。漂移管103设置微通道104的的一端的外侧设置荧光屏105及电荷耦合器件106。上述至少两个磁透镜107滑动套设在漂移管103外。电子束成像装置工作时，在光电阴极上施加负电压，并将栅网102接地。为了形成磁场，每个磁透镜107上需要施加一定的成像电流。此外，还在微通道板上施加负电压，在荧光板上施加正电压。其中，通过外部的紫外光源发射紫外光，紫外光照射在光电阴极101上，激发产生电子，电子在光电阴极101与栅网102间被加速，穿过栅网102被至少两个磁透镜107聚焦，聚焦后的电子经微通道板104增强后，打在荧光屏105上成像，由电荷耦合器件106采集图像。

其中，上述至少两个磁透镜107相对漂移管103滑动设置，用户可在漂移区内滑动至少一个磁透镜来调节电子束成像装置的放大倍率。由于磁透镜的数量增多，所以每个磁透镜的长度较短。例如，传统的长磁透镜的长度大于50cm，而本实施例每个磁透镜的长度小于等于25cm。这样，通过较小的激励电流，即可达到与长磁透镜相近的放大倍数。

磁透镜的几何像差包括球差、彗差、像散、场曲以及畸变，这些几何像差与离轴距离相关。其中短磁透镜的空间分辨率主要受球差和场曲的影响。当离轴距离很小时，场曲很小，几何像差主要由球差决定。随着离轴距离越大，场曲越大，对空间分辨率的影响也越来越大。分别采用单个短磁透镜和多个短磁透镜进行成像实验，发现采用单个短磁透镜的成像，其空间分辨率受到多重几何像差的影响，在离轴距离较远的位置空间分辨率较低，有效探测面积较小，而本实施例通过多个短磁透镜成像能够有效降低场曲，令不同离轴距离的发射点在同一平面上成像。

在成像比例一致的情况下，分别使用单个较长的磁透镜和多个较短的磁透镜进行成像实验，每次发射相同数量的电子束，获取在不同离轴距离下电子成像的坐标，进而模拟空间分辨率。实验发现，当离轴距离较大时，使用单个较长的磁透镜成像和使用多个较短的磁透镜成像，两者的空间分辨率相近。当离轴距离较小时，使用多个较短的磁透镜成像的空间分辨率明显高于使用单个较长的磁透镜成像的空间分辨率。例如，在成像比例均为1：1的情况下，分别使用单个较长的磁透镜和多个较短的磁透镜进行成像，每次发射405个电子数，获取离轴距离分别为4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm和16mm时的电子成像的坐标，并模拟相应的空间分辨率。实验结果如图2所示，其中横坐标表示离轴距离，纵坐标表示空间分辨率，折线a为使用多个短磁透镜成像时空间分辨率与离轴距离之间的关系曲线，折线b为使用单个长磁透镜成像时空间分辨率与离轴距离之间的关系曲线。根据图2，在离轴距离小于12mm时，使用多个较短的磁透镜成像的空间分辨率高于使用单个较长的磁透镜成像的空间分辨率。在离轴距离大于12mm时，使用多个较短的磁透镜成像的空间分辨率与使用单个较长的磁透镜成像的空间分辨率基本一致。可见，本发明实施例与使用单个长磁透镜的电子束成像装置相比，能够在离轴距离较小时增大电子束成像装置的空间分辨率。

在成像比例一致的情况下，分别使用单个较长的磁透镜和多个较短的磁透镜进行成像实验，发现随着离轴距离的增大，单个较长的磁透镜和多个较短的磁透镜成像的畸变均会增大，但在相同离轴距离下，使用多个较短磁透镜成像的畸变小于使用单个较长磁透镜成像的畸变。例如在成像比例均为1：1的情况下，如图3所示，横坐标为离轴距离，纵坐标为畸变率，折线c为使用单个较长磁透镜进行1:1成像的实验结果，折线d为使用两个较短磁透镜进行1：1成像的实验结果。可见在成像比例一致的情况下，与使用单个长磁透镜成像相比，使用多个短磁透镜成像能获得较小的畸变率。

本实施例的电子束成像装置，通过滑动至少一个磁透镜，能调节电子束成像装置的放大倍率，而且能减小成像的畸变率，并在离轴距离较近时提升空间分辨率。由于使用多个磁透镜，每个磁透镜的长度较短，只需较小的激励电流即可达到与单个磁透镜相同的放大倍率。

为了合理设置磁透镜的数量，在其中一个实施例中，如图4所示，电子束成像装置包括至少三个磁透镜。例如电子束成像装置可包括三至五个磁透镜。这样，可以使成像效果好，同时需要的激励电流较小。

为了方便设置电子束成像装置中的各个结构，在其中一个实施例中，如图4所示，电子束成像装置还包括底座108。作为一种实施方式，底座108上设置有弧形凹槽，上述至少两个磁透镜107部分容置在弧形凹槽内并与弧形凹槽滑动连接。这样，上述至少两个磁透镜107可在弧形凹槽内滑动，进而调整放大倍率。作为另一种实施方式，底座108的两端分别设置有与漂移管相连接的凸起结构，两个凸起结构用于支撑漂移管，使上述至少两个磁透镜107悬空架在底座上方。这样，上述至少两个磁透镜107可在底座上方相对漂移管滑动，进而调整放大倍率。

在其中一个实施例中，如图5所示，微通道板104上设置有若干条互相平行的微带阴极1041。其中微通道板104上的微带阴极的数量与光电阴极101上的金属微带的数量一致。

在其中一个实施例中，光电阴极101包括玻璃基板以及设置在玻璃基板上的若干条互相平行的金属微带。光电阴极101上的金属微带的数量与微通道板104上的微带阴极的数量相同。例如微通道板上设置有三条互相平行的微带阴极；玻璃基板上设置有三条互相平行的金属微带。

在其中一个实施例中，光电阴极101上的金属微带为表面镀金的铝金属微带。镀金的铝金属微带能够更好地激发出电子。

在其中一个实施例中，光电阴极和微通道板分别具有圆形侧面，光电阴极的圆形侧面与微通道板的圆形侧面相对设置。微通道板的圆形侧面半径小于或等于光电阴极的圆形侧面半径。光电阴极探测到的图像经过至少两个磁透镜107和微通道板104后，以一定的缩放比例在荧光屏上成像。例如，微通道板104的圆形侧面半径为光电阴极101的圆形侧面半径的二分之一，光电阴极探测到的图像经过至少两个磁透镜107和微通道板104后，以2:1的缩放比例在荧光屏上成像。又如，例如，微通道板104的圆形侧面半径与光电阴极101的圆形侧面半径相同，光电阴极探测到的图像经过至少两个磁透镜107和微通道板104后，以1:1的比例在荧光屏上成像。

为了保证静电屏蔽，在其中一个实施例中，漂移管的长度大于等于45厘米。这样，可以保证静电屏蔽，漂移管接地，保持与栅网相同的电势。

在其中一个实施例中，每个磁透镜包括柱状内壳、绕设于内壳外的线圈、以及包覆于线圈外的软铁壳，内壳沿长度方向的中间位置开设有环形间隙。这样，能减小磁场的广延度，使大量磁力线集中在环形间隙附近的狭小区域之内，增强磁场的强度。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电子束成像装置，其特征在于，所述电子束成像装置包括光电阴极、栅网、漂移管、微通道板、荧光屏、电荷耦合器件及至少两个磁透镜；

所述光电阴极、所述栅网及所述微通道板顺序排列在所述漂移管内，所述荧光屏及所述电荷耦合器件顺序排列在所述微通道板背向所述栅网的一侧，所述荧光屏及所述电荷耦合器件设置于所述漂移管外，且所述光电阴极、所述栅网、所述微通道板、所述荧光屏和所述电荷耦合器件对齐设置；

所述至少两个磁透镜滑动套设于所述漂移管外；每个磁透镜的长度小于等于25cm。

2.根据权利要求1所述的电子束成像装置，其特征在于，所述微通道板上设置有若干条互相平行的微带阴极。

3.根据权利要求2所述的电子束成像装置，其特征在于，所述光电阴极包括玻璃基板以及设置在所述玻璃基板上的若干条互相平行的金属微带。

4.根据权利要求3所述的电子束成像装置，其特征在于，所述光电阴极上的金属微带的数量与所述微通道板上的微带阴极的数量相同。

5.根据权利要求4所述的电子束成像装置，其特征在于，所述微通道板上设置有三条互相平行的微带阴极；所述玻璃基板上设置有三条互相平行的金属微带。

6.根据权利要求4所述的电子束成像装置，其特征在于，所述金属微带为表面镀金的铝金属微带。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电子束成像装置，其特征在于，所述光电阴极和所述微通道板分别具有圆形侧面，所述光电阴极的圆形侧面与所述微通道板的圆形侧面相对设置，所述微通道板的圆形侧面半径小于或等于所述光电阴极的圆形侧面半径。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的电子束成像装置，其特征在于，所述电子束成像装置包括三个到五个磁透镜。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的电子束成像装置，其特征在于，所述漂移管的长度大于等于为45厘米。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的电子束成像装置，其特征在于，每个所述磁透镜包括柱状内壳、绕设于所述内壳外的线圈、以及包覆于所述线圈外的软铁壳，所述内壳沿长度方向的中间位置开设有环形间隙。

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