一种具有静电单透镜的直流超快电子枪

摘要

本发明提供一种具有静电单透镜的直流光阴极超快电子枪，包括阴极、阳极、静电单透镜电极板、陶瓷支柱、单透镜支撑环，单透镜支架等。所述阳极为中心开有通孔、两表面光滑的圆盘。所述单透镜电极板为两表面光滑的双层盘面结构，包括圆形顶盘和圆形凸出底盘，所述圆形顶盘比圆形凸出底盘直径大，导致形成一台阶结构。所述静电单透镜电极板中心开有通孔，该通孔两侧的圆形边缘均做倒圆角处理。所述单透镜支架为双金属盘连接结构，其顶部圆盘上表面做光滑处理且中心开有通孔。所述单透镜支撑环为双圆环结构，包括顶环和底环，底环内径比顶环要小，从而在内部产生一台阶结构，支撑环侧面开有通孔。

说明书

技术领域

本发明属于超快电子衍射领域，尤其涉及一种利用静电单透镜聚焦的直流光阴极超快电子枪。

背景技术

超快电子衍射技术（UED）是一种利用超短脉冲激光实现时间分辨泵浦探测的技术，其原理为利用分光装置将超短脉冲激光分为两束，一束用来激发电子枪阴极，产生探针电子，另一束泵浦反应区，通过控制上述两束激光的光程差而使探针电子提前或者延迟对反应区探测，继而实现时间分辨测量。超快电子衍射技术得到了长足的发展，透射衍射、表面反射衍射、阴影和纹影成像、超快透射电镜、超快扫面电镜等方案逐步涌现，对探测系统的要求也逐步提高。其中阴影和纹影成像方法在等离子体动力学诊断中得到了一定的应用，并有望应用于激光惯性约束核聚变的诊断中。直流光阴极电子枪正是超快电子衍射技术的探针电子源，是该技术的核心部分。

由于电子间排斥力的存在，探针电子脉冲在漂移至样品的过程中会被展宽，径向半径增大，导致空间分辨率降低。磁透镜可以聚焦电子脉冲，但会导致电子脉冲内的电子垂直于传播方向发生旋转，产生螺旋路径，不利于进行超快电子衍射技术中的阴影和纹影成像。静电透镜利用产生的静电场来使电子脉冲聚焦，不会有螺旋路径产生。可使用磁透镜和静电透镜联合聚焦以提高超快电子衍射系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有静电单透镜的直流光阴极超快电子枪，包括由电场和粒子仿真程序结果确定的阴极、阳极、单透镜电极板；为固定安装上述部件还包括陶瓷支柱、单透镜支撑环、单透镜支架。

所述阳极为两表面均光滑的圆盘，所述圆盘中心开有一个 0.2mm直径第一通孔；所述单透镜电极板为双层盘面结构，包括圆形顶盘、圆形凸出底盘，所述圆形顶盘和圆形凸出底盘表面均做光滑处理，所述圆形顶盘比圆形凸出底盘直径大，从而在所述单透镜电极板背侧形成第一台阶结构，所述单透镜电极板侧面有开孔，所述单透镜电极板中心开有4mm直径第二通孔，所述第二通孔两侧圆形边缘均做倒圆角处理，倒角半径2mm。

根据电子脉冲电脑程序模拟结果，要求电场对称分布，所述电子枪具有特殊保证同轴对称的安装结构，包括固定所述阴极的陶瓷支柱，固定所述静电单透镜电极板的单透镜支撑环，固定上述阳极、单透镜电极板和单透镜支撑环的单透镜支架。

所述单透镜支架为双金属盘连接结构，所述单透镜支架的顶部圆盘上表面做光滑处理，所述顶部圆盘中心开有0.2mm直径第三通孔。所述支撑环为双圆环结构，所述双圆环结构包括顶环和底环，所述底环内径比所述顶环要小，从而在所述支撑环内部产生第二台阶结构，所述支撑环侧面开有通孔。

根据本发明的一种具有静电单透镜的直流超快电子枪，优选地，所述阳极圆盘直径80mm、厚1mm，所述单透镜圆形顶盘直径70mm，厚2mm，所述单透镜圆形凸出底盘直径60mm，厚2mm。所述支撑环顶环外直径80mm，内直径70mm，底环外直径80mm，内直径60mm。所述单透镜支架顶部圆盘与底部圆盘外直径均为80mm。

根据本发明的一种具有静电单透镜的直流超快电子枪，优选地，安装后，所述阳极圆盘背侧面距所述单透镜圆形顶盘表面4mm，所述单透镜圆形凸出底盘表面距所述单透镜支架顶部圆盘上表面4mm。

本发明的电子枪固定方式保证了电场均匀对称分布，确保了电子脉冲加速与汇聚的实现，缩小了装置体积，方便移植到其他装置上。静电单透镜可以与磁透镜联合聚焦使用，空间分辨率的调节变的更加灵活，扩展了实验功能。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为沿图中所示中心轴线Z对外围腔体在X和Y方向剖切后去除四分之一所漏出的内部电子枪结构立体视图；

图2为根据本发明实施例的电子枪拆分结构立体视图；

图3为根据本发明实施例的电子枪静电单透镜电极板及其支撑环的立体视图；

图4为根据本发明实施例的电子枪静电单透镜支架立体视图；

图5为静电单透镜电势分布仿真图；

图6为探针电子脉冲在本发明的单透镜下聚焦效果的粒子仿真结果。

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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明，其中，在各个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。应当理解，此处所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。

为方便绘图描述，在图1中绘制了坐标系，其中Z轴与电子枪的中心轴线重合。

图1为沿所示中心轴线Z对电子枪外围真空腔体9在X和Y方向剖切后去除四分之一所漏出的电子枪结构视图。图2为电子枪拆分结构立体视图。电子枪主要包括阴极1、阳极2、阴极固定陶瓷支柱3、单透镜支撑环4，静电单透镜电极板5，静电单透镜支架6，阴极的真空电极7，单透镜真空电极8，电子枪真空腔室9，单透镜支撑法兰10，阴极支撑法兰11。阴极1通过真空电极7外接负高压电源，静电单透镜电极板5通过真空电极8外接聚焦控制电源。入射激光13经过激光窗口12入射至阴极内部，激发出探针电子。

电子枪阴极1具有轴对称结构，整体为一空心金属圆柱，顶部为一类似铃铛的结构，该铃铛结构顶部中心为圆形底面，圆形底面和空心圆柱形侧面间为弧形连接面，阴极底部中心开有通光孔1.1，通光孔1.1旁边分布着四个通孔1.2。

阳极2为两面均打磨光滑的圆盘，圆盘直径80mm，厚1mm，中心开有一个直径0.2mm的通孔2.1（所述第一通孔）。

陶瓷支柱3中心开有通孔3.1，为激光通道，通孔3.1旁边分布着四个通孔3.2。阴极通过孔1.2固定于陶瓷支柱3上，陶瓷支柱3通过孔3.2固定于支撑法兰11上，法兰11中心开有通光孔11.1。

图3为静电单透镜电极板5及其支撑环4的立体视图，电极板5包括圆形顶盘5.4、圆形凸出底盘5.3。顶盘5.4外直径70mm，厚2mm，底盘5.3外直径60mm，厚2mm。整个电极板5由整块金属加工而来，两侧圆盘面均打磨光滑。顶盘5.4比底盘5.3直径大，导致在电极板5后面产生一台阶结构5.6（所述第一台阶结构）。电极板5侧面开有电极接孔5.5，中心开有通孔5.1。通孔5.1直径4mm，两侧边缘均做圆形倒角5.2（图5中标出），倒角半径2mm。

支撑环4为双圆环结构，包括顶环4.1，底环4.2，为保证平直性，整个支撑环4由整块陶瓷加工而来。顶环4.1外直径80mm，内直径70mm，底环4.2外直径80mm，内直径60mm，由于底环4.2的内径比顶环4.1要小，导致产生一台阶结构4.3（所述第二台阶结构）。支撑环4侧面开有通孔4.4。安装时电极板5放置于支撑环4内部，台阶结构5.6和台阶结构4.3相互嵌和。电极接孔5.5与通孔4.4对齐，将真空电极8的电极线插入这两个孔中，这样即实现了电极8与电极板5的相连，又把电极板5和支撑环4进行了固定。

图4为单透镜支架6的立体视图，支架6为一双金属盘连接结构，两侧的圆盘直径均为80mm，其中顶部圆盘上表面要做光滑处理。顶部圆盘中心开有0.2mm直径通孔6.1（所述第三通孔），通孔 6.1外侧开有4个螺纹孔6.2，用于固定支撑环4。支架6底部圆盘中心开有通孔6.4，为电子脉冲通道，通孔6.4周围开有4个通孔6.3，可利用螺栓将支架6通过通孔6.3固定于支撑法兰10上。支撑法兰10中心开有通孔10.1，其外侧背面开有法兰刀口，可与其它装置连接。

为了进一步优化表面电场分布，保证表面平滑度，对阴极1、阳极2，单透镜电极板5，单透镜支架6表面进行机械粗抛、电解抛光、人工精抛、高真空清洗，使表面的平滑度达到微米量级。

电子枪组装：阴极1通过通孔1.2固定于陶瓷支柱3，陶瓷支柱3通过通孔3.2固定于支撑法兰11上，法兰11安装至腔室9靠近入射激光13的一侧，激光窗口12安装至法兰11外侧。阳极2固定于支撑环4的顶环4.1表面，单透镜电极板5放置于支撑环4内部的台阶4.3上。支撑环4固定于支架6顶部圆盘上，支架6固定于支撑法兰10上，支撑法兰10安装至腔室9的另一侧。阳极2、单透镜电极板5、支架6的顶部圆盘共同构成了电子枪的静电单透镜，其中阳极2背面距离电极板5顶盘5.4的表面4mm，底盘5.3表面距支架6顶部圆盘顶侧表面4mm。

电子枪工作：激光13通过腔室激光窗口12、通孔11.1进入腔室，然后通过陶瓷支柱的通孔3.1，阴极通孔1.1进入阴极，激发阴极圆形顶面上金属薄膜产生电子脉冲。产生的电子脉冲由阴极1和阳极2之间的电场加速，然后穿过阳极中心通孔2.1、电极板通孔5.1，支架通孔6.1。阳极2、电极板5、支架6顶部圆盘之间的电场对电子脉冲进行汇聚。接下来电子脉冲穿过通孔6.4，最后通过通孔10.1离开腔室。

图5为静电单透镜电势分布仿真图，其中阳极电势为0V，支架6顶部圆盘电势为0V，静电单透镜电极板5为-10000V，相关部位尺寸均已经在上文中阐述。

图6为利用粒子仿真程序对电子脉冲在本设计下进行仿真，横轴Distance为距阴极表面的距离，单位为米，纵轴Radius为电子脉冲半径。电子脉冲初始半径为50微米，初始径向扩散速度设置为0。阴极与阳极间的加速电压为-100kV。图6中用直虚线AA’标出了静电单透镜的大致位置。图中电子半径变化曲线，实曲线处标有V=-15000，N=100000，意思是该结果采用的仿真参数为单透镜电极5上电压-15000V，电子脉冲内部电子数为100000个。同理，点断线曲线处标有V=-10000，N=10000，表明该结果采用的仿真参数为单透镜电极板5上电压-10000V，电子脉冲内部电子数为10000个。从图中可以看出，本发明中的静电单透镜对电子脉冲具有汇聚效果。

在这里需要阐明的是，本发明中所提到的尺寸及构型只适合一定的应用场景，对于其它各种情况下的应用并不一定是最优构型，因此若要进行电子枪的设计及应用，需要针对具体情况进行具体分析后，利用电场及粒子程序仿真获得最适合应用场景下的设计参数。本发明所提到的尺寸及构型可作为相关科学研究及设计应用的参考。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。