一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及带电粒子照相领域，具体地，涉及一种匹配束流为平行束的带电粒子 照相装置。
【背景技术】
[0002] 带电粒子照相是一种透视照相技术。利用准单能带电粒子束穿过样品以获得图 像，进而获取被照样品样品内部的密度、空隙等需要关注的信息。
[0003] 带电粒子照相可以有两种形式，第一种是直接透视照相，第二种是采用电磁透镜 聚焦的透视照相。采用聚焦透镜可以提高图像的分辨率。
[0004] 聚焦电磁透镜也有两种形式，第一种是轴对称结构的，第二种是非轴对称结构的。 轴对称结构电磁透镜的聚焦作用比较弱，只能使用能量较低的粒子，对较薄的样品进行照 相。非轴对称结构的聚焦电磁透镜可以形成高得多的聚焦作用，从而适用于厚样品的照相。
[0005] 聚焦透镜对注入的带电粒子束具有一定的要求，以消除色差模糊，这就是束流的 匹配条件。在目前常用的非轴对称的聚焦磁透镜中，束流的匹配条件是点光源束，这在很多 实验情况下是一个严重的图像模糊因素，不利于提高照相的分辨率。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置， 采用点对点成像，且匹配束流为平行束，能够克服点光源照相图像模糊的缺陷，提高照相的 分辨率。
[0007] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种匹配束流为平行束的带电粒子照 相装置，包括束流传输线和光学成像结构，所述束流传输线包括呈中心对称的前段四极磁 铁组和后段四极磁铁组，光学成像结构位于束流传输线的末端，其中前段四极磁铁组和后 段四极磁铁组形状完全相同且均包括四块完全相同的四极磁铁，在前段四极磁铁组和后段 四极磁铁组的中心对称点上还安装角度准直器，前段四极磁铁组的传输矩阵采用四阶矩阵 M ：
[0008] 四阶矩阵M为满足平行束入射条件为：M11= 0、M (KM33= (KM44= 0的四阶传 输矩阵，以上矩阵元素的前、后下标分别表示该元素所在的行和列。
[0009] 本方案采用的是非轴对称结构的聚焦透镜，聚焦透镜可以提高图像的分辨率，另 外，非轴对称结构的聚焦电磁透镜可以形成高得多的聚焦作用，从而适用于厚样品的照相。 在目前常用的非轴对称的聚焦磁透镜中，束流的匹配条件是点光源束，在现有的带电粒子 照相中容易造成严重的图像模糊。而本方案利用八块四极磁铁组成中心对称的点对点成像 的磁透镜传输结构，并根据理论推导得到的平行束入射条件的限制条件，利用成熟的计算 软件计算得到各个磁铁的参数，使整个系统形成点对点成像的功能；然后根据物理问题如 提高照相的分辨率的需要设置角度准直器的角度准直范围；最后，在系统末端放置光电转 换屏，并利用CCD相机接收图像。该传输结构中束流的匹配条件采用平行束，而非点光源 束，从而克服了点光源照相图像模糊的缺陷，提高了照相的分辨率。设计时需要利用加速器 领域常用的束流动力学计算软件，例如Transport、Trace3D等，进行元件的参数匹配。 [0010] 进一步的，前段四极磁铁组中有两块四级磁铁位于水平轴上方，另外两块四级磁 铁位于水平轴下方，位于水平轴上方的四级磁铁和位于水平轴下方的四级磁铁沿水平方向 等间距交替排布。水平轴为被照相样品与电光转换屏之间形成的水平直线。
[0011] 进一步的，前段四极磁铁组中的四级磁铁Al和A3以及后四段磁铁组中的四级磁 铁Bl和B3均为聚焦四极磁铁，另外前段四极磁铁组中的四级磁铁A2和A4以及后四段磁 铁组中的四级磁铁B2和M均为散焦四极磁铁。在电流方向上，四极磁铁AU A3、Bl和B3 的磁铁电流方向相同，四级磁铁A2、A3、B2和B3的磁铁电流方向相同，同时这两组磁铁的电 流方向相反。
[0012] 进一步的，前段四极磁铁组中的四级磁铁Al和A4以及后四段磁铁组中的四级磁 铁Bl和M的电流值均相等，另外前段四极磁铁组中的四级磁铁A2和A3以及后四段磁铁 组中的四级磁铁B2和B3的电流值均相等。其中电流值的设置为人为设置。
[0013] 进一步的，在前段四极磁铁组前端还设置被照相样品，被照相样品与角度准直器 相对于前段四极磁铁组的中心对称点对称。
[0014] 进一步的，所述光学成像结构包括电光转换屏和CCD相机，电光转换屏与被照相 样品相对于束流传输线的中心对称点对称，电光转换屏也与角度准直器相对于后段四极磁 铁组的中心对称点对称。
[0015] 进一步的，在被照相样品的前端还设置带电粒子束源。
[0016] 综上，本发明的有益效果是：
[0017] 1、本方案采用的是非轴对称结构的聚焦透镜，聚焦透镜可以提高图像的分辨率， 而非轴对称结构的聚焦电磁透镜可以形成高得多的聚焦作用，从而适用于厚样品的照相， 另外本方案利用8块四极磁铁组成点对点成像的磁透镜，传输矩阵为负单位阵，即成I : 1的 倒像，束流的匹配条件采用平行束，克服点光源照相的缺陷，提高照相的分辨率。
[0018] 2、本方案中仅使用了聚焦四极磁铁和散焦四极磁铁，而没有使用到偏转磁铁，故 在一阶近似下位置和角度均与能散无关，降低了外部因素对照相分辨率的影响，进一步提 了照相的分辨率。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明的结构示意图；
[0020] 图2是IlMeV的质子的粒子轨迹图。
[0021] 附图中标记及相应的零部件名称：1、带电粒子束源；2、被照相样品；3、前段四极 磁铁组；4、后段四极磁铁组；5、角度准直器；6、电光转换屏；7、CXD相机；8、聚焦四极磁铁； 9、散焦四极磁铁。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式 不限于此。
[0023] 实施例1 :
[0024] 如图1-2所示，本发明包括束流传输线和光学成像结构，所述束流传输线包括呈 中心对称的前段四极磁铁组3和后段四极磁铁组5,光学成像结构位于束流传输线的末端， 其中前段四极磁铁组3和后段四极磁铁组5形状完全相同且均包括四块完全相同的四极磁 铁，在前段四极磁铁组3和后段四极磁铁组5的中心对称点上还安装角度准直器4,前段四 极磁铁组3的传输矩阵采用四阶矩阵M :
[0025] 四阶矩阵M为满足平行束入射条件为：M11= 0、M (KM33= (KM44= 0的四阶传 输矩阵，以上矩阵元素的前、后下标分别表示该元素所在的行和列。
[0026] 四阶传输矩阵M彳两足的平彳丁束入射条：M11= 0、M 0、M 33= 0、M 44= 0,是利用 四极磁铁设置的传输矩阵，根据洛伦兹法则得到。根据《带电粒子束光学》（吕建钦，高等教 育出版社，2003)全书，带电粒子在磁场中运动，受到洛伦兹力的影响，对带电粒子的运动 方向的操纵即利用了洛伦兹法则，为方便描述复杂磁场对带电粒子路径的影响，进一步上 升到通过矩阵形式表达磁场的强度、方向和形状等信息。
[0027] 对于单能带电粒子的传输系统，如果需要成像，也就意味着，粒子在像平面的位置 仅仅取决于其在物平面的位置，而与其在物平面的角度无关。
[0028] 在带电粒子传输系统中，一般用六维坐标表不粒子的状态，用六维传输矩阵表不 系统的性能，六维坐标的表达式如下：
[0029]
'
[0030] 式中X为六维坐标，X表示粒子水平坐标，？表示粒子水平角度，y表示粒子垂直 坐标，y'表示粒子垂直角度，z表示传输方向的粒子位置坐标，δ表示粒子能量的偏差。这 里传输方向表示粒子束的运动方向，水平方向和垂直方向均在垂直于传输方向的平面内描 述。
[0031] 根据《带电粒子束光学》（吕建钦著，高等教育出版社，2004)，对于本发明提出的 传输结构，只用到了四极磁铁，没有用到偏转磁铁，故在一阶近似下位置和角度均与能散无 关，六维传输矩阵的表达式如下：
[0032]
(2)
[0033] 这里R为六维传输矩阵，每一个矩阵元均代表了系统的传输特性。
[0034] 而成像功能的实现是通过如下来实现的：
[0035] 如果粒子的初始六维坐标为
，根据（2)式，可以得到粒子在像平面的位置坐 标为：
[0036] X = RnXQ+R12x' 。 （3)
[0037] y = R33yQ+R34y ' 。 （4)
[0038] 根据（2)式还可知，为了形成成像功能，也就是粒子在像平面的位置与其初始角 度无关，需要
[0039] R12= 0 (5)
[0040] R34= 0 (6)
[0041] 如果带电粒子不是单能的，还有消色散的要求，也就是粒子在像平面的位置不能 与其在物平面的能量相关，其二阶色差匹配条件如下：
[0042] 在实际的系统中，由于粒子一般具有能量偏差，因此需要消色差。根据《带电粒子 束光学》（吕建钦著，高等教育出版社，2004)，对于四极磁铁组成的束线，没有一阶色差，需 要消除二阶色差，消除方法如下，把（3)式泰勒展开到二阶：
[0043] X = (Rn+R' η δ )χ〇+(Κ12+Κ' 12 δ )χ' 〇 (7)
[0044] 如果假定输入束流是带调制的，也就是粒子的角度是和位置相关的则：
[0045] = Vi1X0 + φ
[0046] 式中w是调制系数，供是非理想因素导致的一个附加项。
[0047] 再利用成像条件（5)式可以展开为：
[0048]
(9)
[0049] 由（9)式可知，为了消除与位置相关的二阶色差项，需要满足
[0050] R' H+WRr12 = 〇 (10)
[0051] 同理有
[0052] R' 33+wR' 34= 0 (11)
[0053] 由于本方案中束流的匹配条件采用平行束匹配，平行束表示粒子的角度与其位置 无关，也就是（8)式中，
[0054] w = 0 (12)
[0055] 再根据（10)和（11)式，可以得到平行