專利名稱：一種行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種超快診斷技術(shù)設(shè)備，尤其涉及飛秒條紋變像管。
背景技術(shù)：
條紋變像管是一種實現(xiàn)超快瞬態(tài)光信號的光電轉(zhuǎn)換、聚焦成像、掃描偏轉(zhuǎn)以及圖像增強與處理的超快診斷設(shè)備。由于其記錄速度極快(理論極限時間分辨率高達(dá)10fs，lfs=10_15s)，再加上它具有能使光增強以及從紅外到紫外、X射線等不同波段信號探測能力，如今它已成為10_8 10_13s范圍內(nèi)超快時間分辨診斷研究領(lǐng)域的主要手段。其主要性能參數(shù)為時間分辨率、空間分辨率及動態(tài)范圍等。源于應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性以及需求側(cè)重點的不同，目前條紋變像管也鮮明地呈現(xiàn)出各性能側(cè)重型發(fā)展趨勢。如，針對量子阱半導(dǎo)體的能量弛豫、飛秒時間量級化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)以及飛秒激光診斷等諸多超快診斷過程研究，則要求條紋變像管時間分辨性能要達(dá)到飛秒量級。另外，由于相關(guān)瞬態(tài)過程的光信號通常都有相當(dāng)?shù)膹姸茸兓秶?，這就要求變像管系統(tǒng)的設(shè)計同時也要兼顧動態(tài)范圍這個指標(biāo)。在條紋變像管時間分辨率優(yōu)化方面，國際上已進(jìn)行了大量的研究工作。除了系統(tǒng)均采用行波偏轉(zhuǎn)器作為電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)這個共同點之外，現(xiàn)有的飛秒條紋變像管設(shè)計按照電子聚焦系統(tǒng)的差異可分為兩種:靜電聚焦型和磁聚焦型。與第一種類型相關(guān)的里程碑式研究成果為:1988年A.Finch等人通過采用圓柱對稱型靜電透鏡聚焦的方法，同時也采用了行波偏轉(zhuǎn)器作為電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將時間分辨率提高到了 300fs ；2005年美國堪薩斯州大學(xué)常增虎課題組采用電四極透鏡為聚焦透鏡，通過在陽極和偏轉(zhuǎn)板之間設(shè)置一個寬度為5微米的狹縫，將時間分辨提高至280fs(積分模式)。與第二種類型相關(guān)的里程碑式研究成果為:1994年日本濱松公司通過采用短磁透鏡聚焦的方法(磁透鏡在行波偏轉(zhuǎn)器之前，也即更靠近光陰極 )，實現(xiàn)了 ISOfs的時間分辨能力；常增虎于1998年采用短磁聚焦(磁透鏡在行波偏轉(zhuǎn)器之后)，該短磁聚焦條紋變像管在紫外波段時間分辨率已達(dá)540fs，在軟X射線波段時間分辨率為880fs。但常增虎指出，將行波偏轉(zhuǎn)器放置在磁聚焦透鏡之前，可以縮短光電子從光陰極到偏轉(zhuǎn)器入口之間的飛行時間，從而減少了由光電子初能量彌散及空間電荷效應(yīng)引起的飛行時間彌散，抑制由空間電荷效應(yīng)造成的時間展寬，這最終將同時提升管子的時間分辨率、空間分辨率和動態(tài)范圍。另外，由于磁透鏡系統(tǒng)相比靜電透鏡具有更小的二階像差系數(shù)，因而以前者作為電子聚焦系統(tǒng)在同比條件下可降低系統(tǒng)設(shè)計的難度，這使得行波偏轉(zhuǎn)器前置型磁透鏡聚焦飛秒條紋變像管設(shè)計方案被更多地采用。但截至目前，此類飛秒條紋變像管雖然實現(xiàn)了幾百飛秒的較高時間分辨率，但其空間分辨性能和動態(tài)范圍則很少被涉及。因此，從條紋變像管性能整體優(yōu)化角度考慮，在高時間分辨條紋變像管的設(shè)計中同時兼顧空間分辨和動態(tài)范圍性能是非常有必要的。

實用新型內(nèi)容為解決目前的飛秒條紋變像管只注重時間分辨率的提高而空間分辨率低、動態(tài)范圍小的技術(shù)問題，本實用新型提供了一種行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管。[0005]本實用新型的技術(shù)解決方案是:一種行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管，其特殊之處在于:包括管殼及管殼內(nèi)沿電子傳播方向依次設(shè)置的陰極盤、光陰極、陽極、行波偏轉(zhuǎn)器、短磁聚焦透鏡、熒光屏，所述光陰極設(shè)置在陰極盤上，所述行波偏轉(zhuǎn)器包括一對上下放置的相互平行的蛇形帶，所述短磁聚焦透鏡包括磁極靴、包裹在磁極靴內(nèi)的通電螺線管、靠近短磁聚焦透鏡入口處的磁極靴狹縫。上述光陰極與陽極的電位差的范圍為_20kV -1OkV ；所述陽極設(shè)置為O電位；所述光陰極和陽極的軸向距離為I 3mm ; 所述磁極靴狹縫的尺寸為3 IOmm ;所述行波偏轉(zhuǎn)器的蛇形帶的寬度為I 5_ ;所述行波偏轉(zhuǎn)器的蛇形帶之間的距離為I 2mm ;所述熒光屏位于系統(tǒng)的最佳像面處。上述陰極盤還包括設(shè)置在陰極盤和光陰極之間的外凸臺。上述系統(tǒng)的最佳像·面處通過以下方式確定:從光陰極軸上以72.5°仰角發(fā)射的電子，在聚焦透鏡作用下與系統(tǒng)對稱軸交點所在的橫向平面。上述陰極盤的外形狀為圓臺形；所述陽極為柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)。上述短磁聚焦透鏡的入口尺寸小于短磁聚焦透鏡的出口尺寸。本實用新型具有如下優(yōu)點:1、本實用新型條紋變像管的整體結(jié)構(gòu)有助于提高變相管的時間分辨率、空間分辨率、及動態(tài)范圍，同時可以降低磁透鏡設(shè)計上的難度，在保持聚焦效果的前提下亦可縮短系統(tǒng)的軸向長度，為條紋變像管小型化提供了可能性。2.時間分辨率高。本實用新型中光陰極3與陽極4之間較高的的電位差以及較小的軸向距離，使得陰極-陽極區(qū)的物理時間彌散得到了很好的抑制；同時陽極4設(shè)置為O電位，從而屏蔽了陰極-陽極區(qū)電場對后續(xù)電極元件的影響，這有助于降低系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)色散；通過優(yōu)化行波偏轉(zhuǎn)器蛇形線寬及蛇形線之間寬度實現(xiàn)了高偏轉(zhuǎn)靈敏度、小偏轉(zhuǎn)色散的行波偏轉(zhuǎn)器，提高了變像管整體的技術(shù)時間分辨能力，這使得系統(tǒng)的時間分辨率性能得到了極大提升。3.空間分辨率高。本實用新型中光陰極3與陽極4之間較高的的電位差以及較小的軸向距離，可有效縮短電子在陰極-陽極區(qū)的飛行時間，可抑制空間電荷效應(yīng)對電子脈沖橫向展寬的影響；同時，陰極-陽極較高的電位差亦可提高電子沿軸向傳播的速度，縮短電子在整個系統(tǒng)中的渡越時間。這兩者都可以減小空間電荷效應(yīng)作用的時間，從而提升系統(tǒng)的空間分辨本領(lǐng)。4.本實用新型也有利于提升變像管動態(tài)范圍。將行波偏轉(zhuǎn)器放置在磁聚焦透鏡之前，可以縮短光電子從光陰極到偏轉(zhuǎn)器入口之間的飛行時間，從而顯著抑制了空間電荷效應(yīng)對脈沖電子束性能參數(shù)的影響，最終提升了變像管系統(tǒng)的動態(tài)范圍。5本實用新型短磁聚焦透鏡6的入口尺寸小于短磁聚焦透鏡6的出口尺寸，這可以屏蔽行波偏轉(zhuǎn)器所產(chǎn)生行波偏轉(zhuǎn)場對磁聚焦透鏡中電子的影響。6本實用新型陽極4為柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可有效屏蔽陰極-陽極區(qū)電場對后續(xù)元件的影響。7.本實用新型陰極盤外凸臺2可以防止陰極-陽極區(qū)的高壓打火和陰極在高真空時出現(xiàn)的變形。

圖1為飛秒條紋變像管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為行波偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為短磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為時間調(diào)制傳遞函數(shù)；圖5為距陰極中心3.0mm處的空間調(diào)制傳遞函數(shù)；
其中:1_光陰極盤；2_外凸臺；3_光陰極；4-陽極；5_行波偏轉(zhuǎn)器；6_短磁聚焦透鏡；7_熒光屏；8_管殼；9_磁極靴；10_通電螺線管；11_磁極靴狹縫。
具體實施方式
本實用新型的具體工作過程為:光陰極3在外界瞬態(tài)光信號的輻照下，以外光電效應(yīng)過程發(fā)射光電子脈沖。近似情況下，此過程可認(rèn)為是瞬間完成的，電子脈沖寬度與入射光信號相同，電子脈沖強度信息與入射光信號成比例關(guān)系。陽極4、行波偏轉(zhuǎn)器5以及短磁聚焦透鏡6構(gòu)成復(fù)合聚焦-偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將此光電子脈沖聚焦在最佳像面處的熒光屏平面不同位置上形成空間偏轉(zhuǎn)掃描條紋像，實現(xiàn)待測光信號時間信息至空間信息的映射。在本實用新型具體實施過程中，首先要估算系統(tǒng)最佳像面的位置，也即熒光屏平面所在的位置。最佳像面的定義為:從光陰極軸上以72.5°仰角發(fā)射的電子，在聚焦透鏡作用下與系統(tǒng)對稱軸交點所在的橫向平面即為最佳像面。因而在確定最佳像面之前，首先要求解系統(tǒng)靜電聚焦場分布。其次，估算給出系統(tǒng)的時間分辨率及空間分辨率等參數(shù)。這要求給出光陰極3發(fā)射光電子的抽樣，同時求出系統(tǒng)的復(fù)合聚焦-偏轉(zhuǎn)場分布，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行電子追蹤。從光電陰極上發(fā)射出來的光電子，其初始能量、方位角、仰角及初始位置都滿足一定的統(tǒng)計分布。光電子的初始位置分布可以是均勻分布(均勻光照射時)或近于高斯分布(激光近距離照射)，光電子初能量一般認(rèn)為服從β分布，當(dāng)給定光電子的初能量、初位置以及初始傾斜角分布后，可以利用Monte-Carlo方法進(jìn)行抽樣。根據(jù)概率論中的大數(shù)定理，只有當(dāng)抽樣次數(shù)達(dá)到無窮大的時候，抽樣分布才能接近實際分布，而實際又很難做到抽樣次數(shù)達(dá)到無窮大，因此Monte-Carlo抽樣結(jié)果是否可靠，必須得到驗證。跟蹤電子軌跡的計算是基于以下假設(shè):(I)光電子的初能量滿足在(O 0.6eV)上的β (1,4)分布，該分布的Monte-Carlo抽樣采用直接抽樣法；(2)電子的初位置滿足均勻分布；(3)電子發(fā)射仰角服從(O 90° )范圍的余弦分布，方位角服從(O 2 )范圍內(nèi)的均勻分布，余弦分布的Monte-Carlo抽樣積分抽樣法。系統(tǒng)中聚焦-偏轉(zhuǎn)場的計算可用有限差分法等，其中常忽略電子脈沖電荷的影響。場分布確定后，可用四階Runge-Kutta法進(jìn)行電子追蹤，以最終確定時間分辨率和空間分辨率參數(shù)。實施例:光陰極3電位為-15kV ;陽極4設(shè)置為O電位；陰極-陽極之距為2mm ;行波偏轉(zhuǎn)器外形尺寸為40X20_ ;磁透鏡所加安匝數(shù)為1300安膽，電子入口處磁極靴內(nèi)徑為7.5mm,出口處磁極靴內(nèi)徑為15mm。根據(jù)這些參數(shù),在光電子發(fā)射Monte-Carlo抽樣及電子追蹤計算的基礎(chǔ)上，可求得:系統(tǒng)最佳像面距離光陰極265mm，系統(tǒng)飛秒掃描變像管的時間分辨能力如圖4所示，可知其物理時間分辨Tphys=250fs。在技術(shù)時間分辨估算方面，假設(shè):行波偏轉(zhuǎn)器5偏轉(zhuǎn)靈敏度P=45mm/kV，動態(tài)空間分辨δ =101p/mm,掃描電壓斜率k=10kV/ns,因而掃描速度v=kXP=4.5X 108m/s,進(jìn)而可計算出系統(tǒng)的技術(shù)時間分辨為
權(quán)利要求1.一種行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管，其特征在于: 包括管殼(8)及管殼(8)內(nèi)沿電子傳播方向依次設(shè)置的陰極盤(I)、光陰極(3)、陽極(4)、行波偏轉(zhuǎn)器(5)、短磁聚焦透鏡(6)、熒光屏(7)，所述光陰極(3)設(shè)置在陰極盤(I)上，所述行波偏轉(zhuǎn)器(5)包括一對上下放置的相互平行的蛇形帶，所述短磁聚焦透鏡(6)包括磁極靴(9)、包裹在磁極靴(9)內(nèi)的通電螺線管(10)、靠近短磁聚焦透鏡(6)入口處的磁極靴狹縫(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管，其特征在于: 所述光陰極(3)與陽極(4)的電位差的范圍為-20kV -1OkV ； 所述陽極(4)設(shè)置為O電位； 所述光陰極(3)和陽極(4)的軸向距離為I 3mm ； 所述磁極靴狹縫(11)的尺寸為3 IOmm ； 所述行波偏轉(zhuǎn)器的蛇形帶的寬度為I 5_ ； 所述行波偏轉(zhuǎn)器的蛇形帶之間的距離為I 2mm ; 所述熒光屏(7)位于系統(tǒng)的最佳像面處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管，其特征在于:所述陰極盤(I)還包括設(shè)置在陰極盤(I)和光陰極(3)之間的外凸臺(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管，其特征在于:所述系統(tǒng)的最佳像面處通過以下方式確定:從光陰極軸上以72.5°仰角發(fā)射的電子，在聚焦透鏡作用下與系統(tǒng)對稱軸交點所在的橫向平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管，其特征在于:所述陰極盤(I)的外形狀為圓臺形；所述陽極(4)為柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管，其特征在于:所述短磁聚焦透鏡(6)的入口尺寸小于短磁聚焦透鏡(6)的出口尺寸。
專利摘要本實用新型涉及一種行波偏轉(zhuǎn)器前置短磁聚焦飛秒條紋變像管，包括管殼及管殼內(nèi)沿電子傳播方向依次設(shè)置的陰極盤、光陰極、陽極、行波偏轉(zhuǎn)器、短磁聚焦透鏡、熒光屏，光陰極設(shè)置在陰極盤上，行波偏轉(zhuǎn)器包括一對上下放置的相互平行的蛇形帶，短磁聚焦透鏡包括磁極靴、包裹在磁極靴內(nèi)的通電螺線管、靠近短磁聚焦透鏡入口處的磁極靴狹縫。本實用新型條紋變像管的整體結(jié)構(gòu)有助于提高變相管的時間分辨率、空間分辨率、及動態(tài)范圍，同時可以降低磁透鏡設(shè)計上的難度，在保持聚焦效果的前提下亦可縮短系統(tǒng)的軸向長度，為條紋變像管小型化提供了可能性。
文檔編號H01J29/64GK203134748SQ20122072945
公開日2013年8月14日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者田進(jìn)壽, 趙衛(wèi), 王超, 李 昊, 徐向晏, 曹希斌, 盧裕, 王俊鋒, 白永林 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所