CN1992140A - 一种静电聚焦飞秒条纹变相管 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种采用静电聚焦的飞秒条纹变相管，该变相管阴极1为圆板形；栅极2的主体部分为圆筒形，其端部设置有一个外凸台21，外凸台21上设置有栅网；聚焦电极3采用圆筒形结构；阳极4靠近聚焦电极3的一端为碗状结构，碗状结构的小端面上设置有中心圆孔43，其靠近偏转板5的一端为圆筒状结构；偏转板5为一对倾斜放置的带状平板；栅极2的主体部分直径与聚焦电极3的直径之比为1.1～2.8。通过采用上述结构，并利用Monte Carlo方法进行抽样，用有限差分法计算电场分布，用四阶龙格－库塔法模拟跟踪大量光电子的运行轨迹并进行统计分析，最终给出了变相管的空间调制传递函数、时间分辨能力等基本参数。

Description

一种静电聚焦飞秒条纹变相管

技术领域

本发明涉及一种飞秒条纹变相管，尤其涉及一种静电聚焦飞秒条纹变相管。

背景技术

条纹变相管时间分辨能力的理论极限是10fs，多年以来人们一直在向这个方向奋斗。国外在提高时间分辨方面有了显著的进展：日本滨松公司和俄罗斯科学院普通物理研究所已经研制功时间分辨能力为200fs的变相管。美国堪萨斯大学常增虎课题组通过在阳极和偏转板之间放置一个宽度为5μm狭缝，将静电聚焦的变相管的时间分辨提高到280fs(积分模式)，并且开展了时间分辨为100fs的变相管的研究工作。除了时间分辨能力以外，变相管的其它性能指标也在不断地提高，日本变相管的动态范围可以高达10000∶1，同步扫描的频率可以高达175MHz，俄罗斯变相管空间分辨能力可以达到40lp/mm。其次便是变相管光谱响应范围的扩展：波长为5～75μm的远红外变相管已经问世，其时间分辨能力达到700fs。俄罗斯开展了离子(质子或α粒子)变相管的研究(光电阴极用CsI)，时间分辨率为7ps，空间分辨率为70微米，同时也研制成功中子变相管探测器(聚乙烯膜上镀CsI)。时间分辨率30ps，空间分辨率100微米；变相管的超小型化也取得了很大的进展，且可以运用于激光雷达成像技术上，另外，关于变相管的新技术、新方法不断涌现：例如：阿秒变相管、各向异性聚焦变相管、大输入画面变相管、射频圆扫描变相管等。在国内，常增虎于1998年采用短磁聚焦替代静电聚焦的方法，将行波偏转器放置在短磁聚焦透镜之前，减少了光电子从阳极到偏转板入口之间的飞行时间，因而减少了由光电子初能量分散及空间电荷效应引起的飞行时间弥散，减小了由空间电荷效应造成的时间展宽；在保证物理时间分辨率和大动态范围的同时，提高变相管的动态偏转灵敏度和空间分辨率，从而有利于提高技术时间分辨率。该短磁聚焦条纹变相管在紫外波段时间分辨率已达540fs，在软X-射线波段时间分辨率为880fs。但是短磁聚焦条纹变相管对磁透镜激磁电流的稳定性要求很高，激磁电流发生微小的改变，就会造成像面前后漂移，但是很难做到满足要求的激磁恒流源，因此开发静电聚焦的高时间分辨率条纹变相管则具有更现实的实用价值。

发明内容

本发明目的是提供一种高时间分辨率、高空间分辨率的静电聚焦飞秒条纹变相管，其一方面解决了国内现有短磁聚焦条纹变相管像面不稳定的技术问题，另一方面解决了传统静电聚焦条纹变相管时间分辨率低的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种静电聚焦飞秒条纹变相管，包括阴极1、栅极2、聚焦电极3、阳极4、偏转板5和荧光屏6，其特殊之处是，所述阴极1为圆板形；所述栅极2包括栅极主体20，栅极主体20的形状为圆筒形，其靠近阴极1的端部设置有一个外凸台21，所述外凸台21上设置有栅网；所述聚焦电极3采用圆筒形结构；所述阳极4靠近聚焦电极3的一端为阳极碗状结构41，其靠近偏转板5的一端为阳极圆筒状结构42，在阳极碗状结构41的小端面上设置有中心圆孔43；所述偏转板5为一对倾斜放置的带状平板；所述栅极主体20的直径与聚焦电极3的直径之比为1.1～2.8。

上述阳极圆筒状结构42的直径与聚焦电极3的直径之比为1.6～3.1。

上述栅极主体2的直径与聚焦电极3的直径之比以1.6～1.9为较佳；上述阳极圆筒状结构42的直径与聚焦电极3的直径之比以2.0～2.5为较佳。

上述栅极主体20的直径与聚焦电极3的直径之比以1.74为最佳；上述阳极圆筒状结构42的直径与聚焦电极3的直径之比为以2.3为最佳。

上述栅极2上设置有第一栅网22和第二栅网23，所述第二栅网23设置在栅极主体20之内，所述第二栅网23的电压比第一栅网22的电压低100～200V。

上述栅极2、聚焦电极3、阳极4与阴极1间的电势差分别为12～20kV、5～8kV、15～25kV。

上述偏转板5的结构为沿偏转板5宽度方向往复连续的蛇形。

上述栅极2、聚焦电极3、阳极4与阴极1间的电势差分别以15kV、6.3kV、20kV为最佳。

本发明具有如下优点：

1、空间分辨率高。从电子光学设计来讲(不考虑荧光屏的实际空间分辨率)，整个变相管具有很高的空间分辨能力，即使在距离屏中央18.8mm远处，其空间分辨率也可以达到35lp/mm。

2、时间分辨率高。经过反复优化设计，在没有考虑空间电荷效应的情况下，变相管的时间分辨能力可以达到290fs(包括技术时间和物理时间)，考虑到空间电荷效应的不可避免性以及工艺过程中的对准误差，可望研发出时间分辨能力在500fs的变相管。本发明超过国内静电聚焦条纹相机时间分辨能力难以突破1ps的瓶颈。

3、像面稳定，实用性强。因为采用静电聚焦而不是磁聚焦，像面的稳定性高，一般不会造成图像的模糊。

附图图面说明

图1是飞秒条纹变相管的电极结构示意图；

图2是飞秒条纹变相管等位线分布图；

图3是飞秒条纹变相管立体结构示意图；

图4是飞秒条纹变相管行波偏转板结构示意图

其中；1-阴极，2-栅极，20-栅极主体，21-外凸台，22-第一栅网，23-第二栅网，3-聚焦电极，4-阳极，41-阳极碗状结构，42-阳极圆筒状结构，43-中心圆孔，5-偏转板，6-荧光屏。

具体实施方式

本发明的一种静电聚焦飞秒条纹变相管结构参见图1和图3，包括阴极1、栅极2、聚焦电极3、阳极4、偏转板5和荧光屏6，阴极1为圆板形，栅极主体20为圆筒形，其靠近阴极1的端部设置有一个外凸台21，外凸台21上设置有第一栅网22，该第一栅网22一方面在阴极1和栅极2之间形成强电场，保证电子在阴极1和栅极2之间具有较小的时间弥散，另一方面，被加速的光电子可以通过栅网小孔。在栅极2后半部分内部可以设置第二栅网23，电压比栅极2电压低100～200V，以截获第一栅网22上产生的二次电子。聚焦电极3采用圆筒状结构，后端有一个内沿。阳极4靠近聚焦电极3的一端为阳极碗状结构41，其靠近偏转板5的一端为阳极圆筒状结构42，在阳极碗状结构41的小端面上设置有中心圆孔43，偏转板5为行波偏转板，其结构为一对倾斜放置的带状平板，每个行波偏转板的具体结构为沿偏转板宽度方向往复连续的蛇形。栅极主体20的直径与聚焦电极3的直径之比为1.74∶1；阳极圆筒状结构42的直径与聚焦电极3的直径之比为2.3∶1。栅极2、聚焦电极3、阳极4与阴极1间的电势差分别为15kV、6.3kV、20kV。

图4是飞秒条纹变相管行波偏转板结构示意图，即由沿偏转板宽度方向往复连续的蛇形结构形成偏转板。

本发明原理：

从光电阴极上发射出来的光电子，其初始能量、方位角、仰角、初始位置都满足一定的统计分布。光电子的初始位置分布可以是均匀分布(均匀光照射时)或近于高斯分布(激光近距离照射)，光电子的初始能量一般认为服从β分布，当给定光电子的初能量、初位置、以及初始倾斜角分布后，可以利用Monte Carlo(M-C)方法进行抽样。根据概率论中的大数定理，只有当抽样次数达到无穷大的时候，抽样分布才能接近实际分布，而实际又很难做到抽样次数达到无穷大，因此M-C抽样结果是否可靠，必须得到验证。跟踪电子轨迹的计算是基于以下假设：

A、光电子的初能量满足在(0～0.6eV)上的β(1，4)分布，该分布的M-C抽样采用直接抽样法；

B、电子的初位置满足均匀分布；

C、电子仰角服从(0～90°)的余弦分布，方位角服从(0～2π)范围内的均匀分布的电子，余弦分布的M-C抽样采用积分抽样法；

有限差分法是应用最早的一种电磁场数值分析方法，具有简单、直观等优点。有限差分法的基本原理是将连续区域内的点集用离散的点阵来代替，从而将求解电场的泊松方程(拉普拉斯方程)中的偏微商用相邻点之间的差分代替，经过这样的处理，利用数值方法迭代求解由差分方程组建的方程组。

当不考虑空间电荷分布时，旋转对称静电场中的拉普拉斯方程为：

$\frac{{\∂}^{2}U}{\∂r^2}+\frac{\∂U}{r\·\∂r}+\frac{{\∂}^{2}U}{\∂z^2}=0---\left(1\right)$

在直角坐标系下，三维空间的Laplace方程有如下形式：

$\frac{{\∂}^{2}U}{\∂x^2}+\frac{\∂U}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}U}{\∂z^2}=0---\left(2\right)$

上述方程的求解，对于旋转对称场，采用5点差分公式(P_new、P₁、P₂、P₃、P₄)，而三维空间场(偏转场)的计算，采用7点差分公式(P_new、P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆)。

当用有限差分法计算得到空间电场分布以后，就可以用四阶Runge-Kutta法求解电子运动方程、追踪电子束的运动轨迹。图2为飞秒条纹变相管等位线分布图。

要提高变相管的时间分辨率，首先要增强阴极附近的电场强度。但研究表明：仅仅提高阴极附近的电场强度来提高变相管的时间分辨率是有限的。事实上，透镜区域的时间弥散要大于栅极以前的时间弥散。而且空间电荷效应对动态范围的影响也是大于栅极以前的区域。对变相管来说，电子束交叉区域的空间电荷效应对时间弥散以及脉冲展宽的贡献并不大，而是存在一个最优的扫描速度，在该速度下，其技术时间分辨率达到最高。因此，设计重点是聚焦电极以及阳极电极结构参数的优化设计以及最佳扫描速度的确定上，并没有考虑空间电荷效应对变相管性能参数的影响。用Monte Carlo方法抽取3000个电子，其初始状态满足上面给出的三个假设，然后利用轨迹追踪法对变相管进行优化设计，包括最佳像面的确定、调制传递函数的计算、像差、畸变等。

表1是电子束在不同偏转电压下，距离屏中央不同距离的空间分辨率。

表1空间分辨率与偏转距离的关系(对比度降低到10％的空间频率)

偏转距离y(mm)	3.18	6.24	9.36	12.49	15.62	18.8
							空间分辨率(lp/mm)	＞200	＞200	104	52	45	35

可以看出：就电子光学设计来讲(不考虑荧光屏的实际空间分辨率)，整个变相管具有很高的空间分辨能力，即使在距离屏中央18.8mm远处，其空间分辨率也可以达到35lp/mm。阴极上宽度为20μm的狭缝范围内的光电子达到荧光屏边缘(18.8mm)时形成宽度为90μm像，而在靠近荧光屏中心位置处，狭缝的像基本保持在65～70μm左右，表现出良好的偏转线性，这一结论可以从表2的结果中充分体现出来(表2为在阴极上宽度为20μm的狭缝范围内的光电子，在不同的偏转电压下达到荧光屏不同位置时的展宽效应)。在靠近屏中央位置附近，狭缝像的宽度基本就等于阴极上狭缝宽度与变相管放大倍率3的乘积，而靠近荧光屏边缘处(电子在离开偏转板时距离偏转板很近)，受到偏转板边缘场作用很大，导致狭缝像进一步展宽。

表2狭缝像宽与偏转电压、离轴距离的关系

偏转电压(V)	100	200	300	400	500	600
							离轴距离(mm)	3.126	6.26	9.38	12.51	15.65	18.8
狭缝像宽度(μm)	70	65	70	70	80	90

变相管时间分辨能力的估算：通过轨迹追踪法得到变相管的偏转灵敏度为P＝3.12115×10^-5m/V，如果要得到3×10⁸m/s的扫描速度，则要求扫描电压的斜率K＝9.612kV/ns，是属于快扫描电压，这就要采用行波偏转系统，以改善频率响应，采用倾斜放置的弯曲带型偏转板，长度为40mm，两端间距分别为3mm和7mm，宽度为30mm，为了改善偏转像质，扫描电压采用正负对称接法。电子束到达最佳像面的物理时间分辨为τ_物理＝272.6fs，如果扫描速度可以达到3×10⁸m/s，则在荧光屏上宽度为90μm的条纹所对应的技术时间分辨率τ_技术＝300fs，则变相管的总的时间分辨率：

这种估计是比较保守的一种估计方法，如果狭缝的像能落在靠近荧光屏6中心位置的地方，偏转板的“散焦作用”相对弱一些，阴极上宽度为20μm的条纹在荧光屏上的条纹像越窄，对应的技术时间分辨率会更高一些，表2就说明了这一点：距离荧光屏中心越近，电子经过偏转板受到边缘场作用越弱，电子受到偏转场的作用几乎是一致的，狭缝像的宽度几乎保持在70μm左右。如果采用滨松公司的计算方法：阴极上宽度为5μm的狭缝到达荧光屏边缘的像宽为30μm，对应的技术时间分辨能力为τ_技术＝100fs，总的时间分辨能力就是290.4fs。另外，为了提高提高荧光屏上图像的对比度，必须在栅极后面放置一个二次电子陷阱，使二次电子不能到达荧光屏，以降低变相管的噪声，也会提高变相管的空间分辨率，二次电子陷阱可以由放置在栅网后面的另一个栅网构成，电压比栅极电压低100～200V就可以了。

本发明的变相管的总长度为300mm，放大倍率为3，阴极和栅极之间的间距为2mm，阴极和栅极之间的电势差为15kV，聚焦电极电压为6.3kV，阳极电压为20kV，电子束交叉点距离阴极的距离为151mm。

本发明设计的飞秒条纹变相管，在没有考虑空间电荷效应的情况下，变相管最保守的时间分辨能力的估算值为405fs，考虑到空间电荷效应的不可避免性以及工艺过程中的对准误差，可望研发出时间分辨能力在500fs的变相管，不过在工艺上采取一些切实可行的办法，有望进一步提高该变相管的时间分辨能力，比如改进工艺条件，提高阴极和栅极之间的电场强度、在偏转板前设置狭缝以及让条纹像尽量落在荧光屏中心附近等，都是提高变相管时间分辨能力的好办法。

Claims (8)

1、一种静电聚焦飞秒条纹变相管，包括阴极(1)、栅极(2)、聚焦电极(3)、阳极(4)、偏转板(5)和荧光屏(6)，其特征在于：所述阴极(1)为圆板形；所述栅极(2)包括栅极主体(20)，栅极主体(20)的形状为圆筒形，其靠近阴极(1)的端部设置有一个外凸台(21)，所述外凸台(21)上设置有栅网；所述聚焦电极(3)采用圆筒形结构；所述阳极(4)靠近聚焦电极(3)的一端为阳极碗状结构(41)，其靠近偏转板(5)的一端为阳极圆筒状结构(42)，在阳极碗状结构(41)的小端面上设置有中心圆孔(43)；所述偏转板(5)为一对倾斜放置的带状平板；所述栅极主体(20)的直径与聚焦电极(3)的直径之比为1.1～2.8。

2、根据权利要求1所述的一种静电聚焦飞秒条纹变相管，其特征在于：所述阳极圆筒状结构(42)的直径与聚焦电极(3)的直径之比为1.6～3.1。

3、根据权利要求2所述的一种静电聚焦飞秒条纹变相管，其特征在于：所述栅极主体(20)的直径与聚焦电极(3)的直径之比为1.6～1.9；所述阳极圆筒状结构(42)的直径与聚焦电极(3)的直径之比为2.0～2.5。

4、根据权利要求3所述的一种静电聚焦飞秒条纹变相管，其特征在于：所述栅极主体(20)的直径与聚焦电极(3)的直径之比为1.74；所述阳极圆筒状结构(42)的直径与聚焦电极(3)的直径之比为2.3。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的一种静电聚焦飞秒条纹变相管，其特征在于：所述栅极(2)上设置有第一栅网(22)和第二栅网(23)，所述第二栅网(23)设置在栅极主体(20)之内，所述第二栅网(23)的电压比第一栅网(22)的电压低100～200V。

6、根据权利要求5所述的一种静电聚焦飞秒条纹变相管，其特征在于：所述栅极(2)、聚焦电极(3)、阳极(4)与阴极(1)间的电势差分别为12～20kV、5～8kV、15～25kV。

7、根据权利要求5所述的一种静电聚焦飞秒条纹变相管，其特征在于：所述偏转板(5)的结构为沿偏转板(5)宽度方向往复连续的蛇形。

8、根据权利要求6或7所述的一种静电聚焦飞秒条纹变相管，其特征在于：所述栅极(2)、聚焦电极(3)、阳极(4)与阴极(1)间的电势差分别为15kV、6.3kV、20kV。

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