TWI670745B - 緊湊型致偏磁體 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種包括磁體之粒子束裝置，該裝置包括：一粒子束源，該粒子束源經組態以發射電子束及離子束；複數個軛，該複數個軛佈置成一實質上矩形之形狀；一線圈組，該線圈組包括複數個線圈，其中該複數個線圈之繞組均勻地分佈於該複數個軛上且纏繞於該複數個軛上，其中該線圈組經組態以產生偶極場與四極場，其中該磁體經組態以使電子束及離子束偏轉及聚焦。

Description

緊湊型致偏磁體
相關申請案之交叉引用 本申請案主張在2017年4月27日申請之發明名稱為「COMPACT MAGNET FOR DEFLECTION AND FOCUSING OF ELECTRON AND ION BEAMS」的共同未決之美國臨時專利申請案No. 62/491,122依據35 U.S.C. §119(e)獲得的優先權利益。以上提到之申請案之揭示內容以引用方式併入本文中。
本揭示案係關於磁體，且更具體而言，係關於用於使電子束及離子束偏轉及聚焦的緊湊型磁體。
許多帶電粒子束裝置需要束偏轉、掃描及聚焦磁體。該等裝置包括陰極射線管、X射線管、電子束電腦斷層掃描器、調速管、掃描電子顯微鏡、氦離子顯微鏡、電子及離子光微影裝置，及其他裝置。
將希望束偏轉磁體具有均勻(偶極)磁場且亦產生四極聚焦場。該磁體應能夠掃過偏轉角之一範圍，且場分量將可繞最初束軸線磁性旋轉。過去對磁體之上述設計要求的解決方案大體上涉及複雜之磁線圈佈置。
本揭示案係關於用於使電子束及離子束偏轉及聚焦之磁體。在一個實施方案中，該磁體由同一線圈組產生偶極場及四極場。
在一個實施方案中，揭示一種包括磁體之粒子束裝置。該等裝置包括：一粒子束源，該粒子束源經組態以發射電子束及離子束；複數個軛，該複數個軛佈置成一實質上矩形之形狀；一線圈組，該線圈組包括複數個線圈，其中該複數個線圈之繞組均勻地分佈於該複數個軛上且纏繞於該複數個軛上，其中該線圈組經組態以產生偶極場與四極場，其中該磁體經組態以使電子束及離子束偏轉及聚焦。
在另一實施方案中，揭示一種磁體。該磁體包括：複數個軛，該複數個軛佈置成一實質上矩形之形狀；一線圈組，該線圈組包括複數個線圈，其中該複數個線圈之繞組均勻地分佈於該複數個軛上且纏繞於該複數個軛上，其中該線圈組經組態以產生偶極場與四極場。
自本說明書中將顯而易見其他特徵及優勢，本說明書舉例說明了本揭示案之多個態樣。
如上文所描述，過去對束偏轉磁體之上述設計要求的解決方案大體上涉及複雜之磁線圈佈置。本揭示案之某些實施方案提供顯著減少磁體設計之複雜性的替代解決方案。亦即，替代解決方案包括由同一線圈組產生偶極場與四極場的磁體，此與偶極場及四極場由單獨之線圈組產生的先前設計相反。
另外，本文中描述之替代解決方案的設計不僅簡單，且不像某些習知設計，該磁體亦可在束管完成之後環繞該管組裝。另外，新設計之磁體能夠產生比習知設計大的偏轉角度。在閱讀了此等描述之後，將明白在各種實施方案及應用中如何實施本揭示案。然而，雖然將在本文中描述本揭示案之各種實施方案，但應理解，此等實施方案僅舉例呈現且並非限制性的。因而，對各種實施方案之此詳細描述不應被理解為限制本揭示案之範疇或寬度。
圖1為根據本揭示案之一個實施方案的緊湊型磁體100之3-D視圖。在一個實施方案中，緊湊型磁體100用於粒子束裝置中，諸如陰極射線管、X射線管、電子束電腦斷層掃描器、調速管、掃描電子顯微鏡、氦離子顯微鏡、或電子及離子光微影裝置。除了該磁體之外，該粒子束裝置亦可包括粒子束源。因而，在一個實施方案中，緊湊型磁體100用於使粒子束源發出之電子束及離子束偏轉及聚焦。
在圖1之所示實施方案中，緊湊型磁體100為喇叭形的，具有形狀實質上為矩形(在x-y平面中)之入口孔110。在替代實施方案中，該實質上矩形之形狀亦包括八角形拐角120、122、124、126 (例如，該等拐角成45o 角)。在一個實施方案中，八角形拐角120、122、124、126中之線圈被組態為四極B型(QB)。在一個實施方案中，在下游側之軛的出口輪廓為弓形的以提供四極聚焦場，該四極聚焦場可用於抵銷由於均勻場所致之偏轉而產生的自然聚焦效應。
圖2A為根據本揭示案之一個實施方案的緊湊型磁體100之截面圖(x-z平面) 200。圖2A之截面圖200示出線圈Y1 (210)及線圈Y2 (212)及軛220、222。該設計假定束偏轉大部分係在一個平面(亦即，x-z平面)中。在圖2A之所示實施方案中，該形式係基於經典之“窗框”設計，倘若線圈電流均勻地分佈於軛之各別面上，則該窗框設計具有非常均勻之內部偶極磁場。圖2A亦示出磁軛及線圈之一些替代形狀230、232、234，對於該磁軛及該等線圈，束處之磁場分佈將為相同的。
圖2B為根據本揭示案之一個實施方案的緊湊型磁體100之另一截面圖(y-z平面) 250。圖2B之截面圖250亦示出軛220。
圖3為根據本揭示案之一個實施方案的緊湊型磁體100之另一截面圖(x-y平面) 300。在圖3之所示實施方案中，參考在圖1、圖2A、圖2B及圖3中界定之坐標系來示出各種線圈(標為線圈Y1 (310)、線圈Y2 (312)、線圈X1L (320)、線圈X1R (322)、X2L (330)、X2R (332))。
每一線圈之繞組係均勻地分佈於軛的與之相應的面上。每一對(L, R) X線圈320/322或330/332電連接為單個線圈，但該等線圈在機械上位於軛之單獨半部上。軛之兩個半部在對接接頭340、342處連接，其中由於軛內部之主導磁場By ，在接頭340或342上存在零磁通量。
在圖3之所示實施方案中，如下文所描述，X線圈320、322、330、332及Y線圈310、312中之電流產生偶極與四極磁場。雖然圖3中所示之截面大體上為矩形的，但其平行於束方向(在z方向上)之形式可為喇叭形或平行邊的。圖3亦示出可選QB線圈(例如，350)。如上文關於圖1所描述，在下游側之軛的出口輪廓為弓形的以提供四極聚焦場，該聚焦場可用於抵銷由於均勻場所致之偏轉而產生的自然聚焦效應。在下文描述此弧形之半徑的計算。
在下文中描述在圖1、圖2A、圖2B及圖3中示出為不同視圖的緊湊型磁體100的設計背後之算法。因此，在一種情況中，緊湊型磁體100之線圈電流可寫成下式：IY1 = IDY + IQY ； [1]IY2 = IDY – IQY ； [2]IX1 = IDX + IQX ；[3]IX2 = IDX − IQX 。[4] 其中IDY = 線圈Y中之偶極電流，IQY = 線圈Y中之四極電流，IDX = 線圈X中之偶極電流，IQX = 線圈X中之四極電流，且 所有四個分量電流為獨立的。
使用安培環路定律，方程式[1]-[4]中描述之線圈電流在束之區域中產生磁場，如下：其中NY = 每一單獨Y線圈中之匝數，NX = 每一單獨X線圈中之匝數，m o = 磁導率常數，m = 磁軛材料之磁導率，w = 軛之內寬，且g = 軛之垂直高度。
因此，基於上述磁場及線圈電流，有效磁場梯度之大小如下：因此，可如下計算四極透鏡強度：其中L(δ) = 磁體之有效長度，e = 電子電荷，c = 光速，且p 為束動量。
在一個實施方案中，向兩個Y線圈供應單獨之電流IY1 及IY2 。在另一實施方案中，每一線圈包括兩個繞組，一個載運偶極電流IDY ，而另一個載運四極電流IQY 。關於選擇一個實施方案而非另一實施方案之決定取決於實際考慮因素，諸如線圈驅動器之成本。
對於非零偏轉，可藉由電子束光學系統中之薄透鏡元件來估算磁場之偶極分量，該薄透鏡元件具有圓柱形與四極聚焦強度。因此，在該估算中，IDY 為主導線圈電流，使得偏轉完全在x-z平面中(如圖2A中所示)，對於沿著入射束軸線L(0) 磁體之給定長度，在最大偏轉(δ )及束出射角(β )下：其中。 [10]
接著將磁體之徑向聚焦強度(該徑向聚焦強度僅隨束半徑而變且獨立於方位角φ)計算為中之一階，如下：且如下計算四極聚焦強度：
總聚焦強度為T =S +Q * cos(2φ)。不管線圈及軛之形狀如何，此等定義均適用。因此，指出x-z平面中之總聚焦強度(T)為S + Q 且y-z平面中之總聚焦強度(T)為S – Q 將為足夠的。
接著如下計算軛之出口邊界的對應半徑：其中可針對δ及Q之所需最大值來計算β 及R 之必需值。
在最大偏轉時S 之設計值將決定入射電子束之所需最小發散。在較小值之偏轉時，螺線管聚焦透鏡可包括於束光學系統中以補償偶極場之較小聚焦強度。
許多應用可能需要四極聚焦強度(Q)為零或接近於零。因此，此可能需要β ≈ ½ *δ 且R ≈L(0) 。 若如在本應用中Q將較小但非零，則選擇β 及R 之適當值來在最大偏轉時產生Q 之所需值。在較小偏轉時，如上文所描述，藉由線圈電流IQY 來補充四極強度以產生必需之場梯度()。
在一個示例性實施方案中，軛為厚度為1.5 mm或更多的高品質之阿姆科鐵(例如，磁導率(μ )大於50,000之軟鐵磁材料)。線圈為單層的，其中每一層使用直接纏繞於軛上之14美國線規(AWG)銅線。因此，使用(例如)長度(L(0) ) = 125 mm、寬度(w ) = 125 mm且間隙(g ) = 50 mm之設計尺寸，使200 kV束偏轉45°所需之磁場的偶極分量為94高斯。此由Y線圈中之每一者中的375安培匝數提供。此等線圈較佳係以如圖3中所示之匝接觸來纏繞。此導致NY = 28匝，其中最大線電流為13.3 A。舉例而言，對於每一對X線圈，3.1o 之最大垂直偏轉由高達50安培匝數提供。每一X線圈之每一半具有電流為2.5 A之10匝。X線圈之匝如所指示係寬地且均勻地隔開。
如圖2A中所示，磁軛之出口側形成弧形，該弧形之中心係在磁體上游之束軸線上。此組態確保磁體之偶極場起到在兩個平面中具有大致相等聚焦強度之會聚透鏡的作用。在大偏轉角度下，在束出口處藉由軛之此輪廓產生四極場，該四極場大致消除了由於偏轉所致之有效聚焦。在偏轉45°時，總體四極透鏡之所得強度(例如)為約0.2屈光度。對於較小之偏轉角度，總的四極透鏡強度亦需要為大致相同之值。必需之四極場強度係藉由Y線圈之相反電流，例如，IQY = 0.33 A，來供應。由於IQX 為多餘的，因此不使用IQX 。
圖4為由於兩個Y線圈中之相同電流而產生的偶極磁場(By )之示例性圖。
圖5為由於兩個X線圈中之相同電流而產生的偶極磁場(Bx )之示例性圖。
圖6為由於兩個Y線圈中之相反電流而產生的四極磁場之示例性圖。
圖7為由於兩個Y線圈中之組合電流而產生的組合型偶極與四極磁場之示例性圖。
在為可旋轉四極場使用八角形選項之替代實施方案中，若在偏轉之後的所需束剖面為橢圓形的且不會被定向成使其主軸線垂直或水平，則正交四極場可能需要(相對於坐標軸線成45°來定向)與主線圈之四極場結合。產生此類場所需的QB線圈350之位置在圖3中指示且在圖1中示出。
圖8示出由於軛之拐角處的四個QB線圈中之電流而產生的45°四極磁場之實例。
圖9示出根據本揭示案之一個實施方案被組態為兩個半部910、912的軛900。在圖9之所示實施方案中，兩個半部910、912在點920、922處被夾在一起，在該等點處，對於主偏轉場，阿姆科鐵中之磁感應接近於零。該夾緊有助於附接至束管系統。在一個實施方案中，兩個半部910、912可藉由非磁性條帶來繫固，該等非磁性條帶係藉由黃銅螺釘來附接。
在一個實施方案中，若磁體1000將用於線圈電流及磁場必須快速地變化之掃描束管中，則可能必需在磁軛中防止感應渦流。此可藉由對阿姆科鐵開槽及/或使用材料之多個層1010來達成。圖10示出本揭示案之一個實施方案，其中所有阿姆科鐵條帶將宜為相同的。
對此等實施方案之各種修改將為熟習此項技術者易於顯而易見的，且在不脫離本揭示案之精神或範疇的情況下，本文中描述之一般原理可應用於其他實施方案。因此，該等技術不限於上文描述之特定實例。因此，將理解，本文中呈現之描述及圖式表示本揭示案之當前可能的實施方案且因此代表在廣義上被本揭示案涵蓋之標的。進一步理解，本揭示案之範疇完全涵蓋可能變成熟習此項技術者顯而易見之其他實施方案，且本揭示案之範疇相應地僅受所附申請專利範圍所限制。
100‧‧‧緊湊型磁體
110‧‧‧入口孔
120‧‧‧八角形拐角1
122‧‧‧八角形拐角2
124‧‧‧八角形拐角3
126‧‧‧八角形拐角4
200‧‧‧緊湊型磁體之截面圖
210‧‧‧線圈Y1
212‧‧‧線圈Y2
220‧‧‧軛1
222‧‧‧軛2
230‧‧‧軛/線圈之替代形狀1
232‧‧‧軛/線圈之替代形狀2
234‧‧‧軛/線圈之替代形狀3
250‧‧‧緊湊型磁體之另一截面圖
300‧‧‧緊湊型磁體之另一截面圖
302‧‧‧軛
310‧‧‧線圈Y1
312‧‧‧線圈Y2
320‧‧‧線圈X1
322‧‧‧線圈X2
330‧‧‧另一線圈X1
332‧‧‧另一線圈X2
340‧‧‧對接接頭1
342‧‧‧對接接頭2
350‧‧‧QB線圈
900‧‧‧被組態成兩個半部之軛
910‧‧‧軛之兩個半部中的一者
912‧‧‧軛之兩個半部中的另一者
920‧‧‧對於主偏轉場，高導磁合金中之磁感應接近於零的點
922‧‧‧對於主偏轉場，高導磁合金中之磁感應接近於零的另一點
1000‧‧‧磁體之另一視圖
1010‧‧‧多個材料層
可藉由查看附圖來部分地瞭解本揭示案的、關於其結構及操作之細節，在附圖中，相同之元件符號指代相同之部分，且其中：
圖1為根據本揭示案之一個實施方案的緊湊型磁體之3-D視圖；
圖2A為根據本揭示案之一個實施方案的緊湊型磁體之一截面圖(x-z平面)；
圖2B為根據本揭示案之一個實施方案的緊湊型磁體之另一截面圖(y-z平面)；
圖3為根據本揭示案之一個實施方案的緊湊型磁體之另一截面圖(x-y平面)；
圖4為由於兩個Y線圈中之相同電流而產生的偶極磁場(By )之示例性圖；
圖5為由於兩個X線圈中之相同電流而產生的偶極磁場(Bx )之示例性圖；
圖6為由於兩個Y線圈中之相反電流而產生的四極磁場之示例性圖；
圖7為由於兩個Y線圈中之組合電流而產生的組合型偶極與四極磁場之示例性圖；
圖8示出由於軛之拐角處的四個QB線圈中之電流而產生的45°四極磁場之實例；
圖9示出根據本揭示案之一個實施方案被組態為兩個半部的軛；及
圖10示出本揭示案之一個實施方案，其中平行邊磁體之磁軛被分割成相同條帶。

Claims (22)

  1. 一種磁體，包含：一軛，具有一組四個面及一組四個八角形拐角；一第一組的四個線圈，各個分別纏繞在該組四個面上；及一第二組的四個線圈，各個分別纏繞在該組四個八角形拐角上。
  2. 如請求項1之磁體，該第二組的四個線圈彼此電氣連接用以響應該第二組的四個線圈中之一電流來提供一四極磁場。
  3. 如請求項2之磁體，該軛具有一具一弓形輪廓的出口側。
  4. 如請求項3之磁體，其中該組四個面中的一對表面在該出口側具有該弓形輪廓。
  5. 如請求項4之磁體，該對表面彼此平行。
  6. 如請求項5之磁體，其中該軛為喇叭形。
  7. 如請求項1之磁體，該軛具有一具一弓形輪廓的出口側。
  8. 如請求項1之磁體，該軛包含附接在一起的兩個部件。
  9. 如請求項8之磁體，該等兩個部件之每一者形成該軛的一個半部。
  10. 如請求項8之磁體，附接之該等兩個部件的一第一部件包括一面的一第一部分，附接之該等兩個部件的一第二部件包括該面的一第二部分，其中該第一組的線圈中之一線圈纏繞在該面上，該線圈包含：一第一部分線圈，其纏繞在該面的該第一部分上；及一第二部分線圈，其纏繞在該面的該第二部分上，該第二部分線圈電氣連接至該第一部分線圈以形成該線圈。
  11. 如請求項1之磁體，該軛包括阿姆科鐵。
  12. 一種系統，包含：一束管系統；一磁體，其附接至該束管系統，該磁體包含：一軛，具有一組四個面及一組四個八角形拐角；一第一組的四個線圈，各個分別纏繞在該組四個面上；及一第二組的四個線圈，各個分別纏繞在該組四個八角形拐角上；以及一粒子束源，其用於發射電子，該磁體附接至該束管系統用以響應該第一組的四個線圈中的電流來偏轉所發射之電子。
  13. 如請求項12之系統，該軛具有一具一弓形輪廓的出口側，該磁體用於響應該第一組的四個線圈中的一電流來為了該等所發射之電子提供一會聚透鏡。
  14. 如請求項12之系統，該磁體具有一窗框設計，用於響應該第一組的四個線圈中的一電流來偏轉在一第一平面及一第二平面中之該等所發射之電子。
  15. 如請求項14之系統，該軛具有一具一弓形輪廓的出口側，該磁體用於響應該第一組的四個線圈中的一電流來為了在該等第一及第二平面中之該等所發射之電子提供一會聚透鏡。
  16. 如請求項15之系統，該第二組的四個線圈彼此電氣連接用以響應該第二組的四個線圈中的一電流來提供一四極磁場。
  17. 如請求項12之系統，該軛包含阿姆科鐵。
  18. 一種系統，包含：一粒子束源，其用於發射電子；一束管；及一磁體，其附接至該束管，該磁體包含：一第一對線圈及一第二對線圈，用以提供磁偶極場，來偏轉分別在一第一平面及一第二平面中的所發射之電子；及一組四個線圈，用以提供一四極磁場，以定向該等所發射之電子的一橢圓形束輪廓的一主軸線。
  19. 如請求項18之系統，該軛具有一具一弓形輪廓的出口側，該等第一對及第二對線圈提供一會聚透鏡用於該等所發射之電子。
  20. 如請求項18之系統，該組四個線圈圈彼此電氣連接用以響應該組四個線圈中的一電流來提供該四極磁場。
  21. 如請求項18之系統，該軛包含阿姆科鐵。
  22. 如請求項18之系統，其中：該第一對線圈包含一第一組的兩個電氣連接線圈；及該第二對線圈包含一第二組的兩個電氣連接線圈。
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