一种直流光阴极超快电子枪的制作方法

本发明属于光阴极电子枪领域，尤其涉及一种直流光阴极超快电子枪。

背景技术：

光阴极电子枪是通过激光激发阴极材料，产生的光电子被施加在阴阳两极间的高压加速，继而用产生的高能电子进行样品探测的一种装置。电子束具有一定能量、一定束流以及速度和角度。由于电子空间排斥力的存在，电子束在漂移至样品的过程中会被展宽，导致电子束时间分辨能力降低。由于相对论效应，高能量电子束可有效减弱库伦展宽效果，另外，光电子脱出阴极也需克服镜像电荷的吸引作用。对于空间长度固定的电子束，电子能量越高，电子束漂移时间周期越短，实验探测的时间精度越高。因此，原则上加在电子枪阴极和阳极上的电压越大越好，加速场区电场越大越好。然而，过高的电压会在局部超过材料本身的电压击穿阈值，使电子枪放电，无法工作。因此，目前使用的直流电子枪一般工作电压在60keV-80keV左右。一般更高电压的超快电子枪则需要射频加速获得。

直流光阴极超快电子枪采用紫外光激发光电子获得短促的电子脉冲。目前，国内已存的直流电子枪都是采用激光透射激发方式，由于紫外光在金属膜中的穿透深度很小(十个纳米量级)，过厚的金属膜将大大降低电子产额，这是目前透射电子枪单发电子数量小的主要原因；减薄的金属膜，增加透射激光强度，这虽可一定程度上提高电子产额，但金属膜极易损坏，降低了电子枪的稳定性。

在电子枪工作时，偶尔会有放电发生，放电中过大的短路电流不但会对电子枪造成损害也可能通过地线影响周围电子产品工作。另外，该过程往往伴随电磁辐射，也会对电子产品造成损害。因此，如何提高放电保护，是电子枪设计的一个重要问题。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种光阴极超快电子枪，包括由电场程序模拟结果确定的阴极、阳极形状构造，从而将传统的光阴极电子枪稳定工作电压提高至100kV；为保证电场对称均匀分布和发射电子束径向质量而采用的特殊的同轴固定方式；为提高单发电子产额而增加的电子枪在激光激励下的反射工作模式；以及连接至所述阴极的高压电源、放电保护、转接。其中，

所述阴极为轴对称结构，包括第一圆柱形侧面、圆形底面以及连接所述第一圆柱形侧面和所述圆形底面的第一连接面，所述圆形底面的中心具有通光孔，以及所述圆形底面的外侧具有用于容纳金属膜的圆形凹槽，

所述阳极为轴对称结构，包括圆形顶面、第二圆柱形侧面、圆环形底面、以及连接所述圆形顶面和所述第二圆柱形侧面的第二连接面，所述圆环形底面从所述第二圆柱形侧面的下边缘径向向外延伸，所述圆形顶面中心具有通孔。

其中，根据电脑程序电场优化模拟结果，在该种结构的电子枪要求下，所述第一连接面具有圆形倒角，所述圆形倒角的半径大于或等于所述阴极的圆形底面和所述阳极的圆形顶面之间的距离，所述第二连接面具有椭圆形倒角，所述椭圆形倒角的长轴大于或等于所述阴极的圆形底面和所述阳极的圆形顶面之间的距离。根据电子束电脑程序模拟结果，要求电场对称分布，所述电子枪具有特殊的保证同轴对称的安装结构

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，还包括固定所述阴极的阴极底座。

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，所述第一圆柱形侧面的开口端内侧具有突出部，所述阴极底座为一端开放一端封闭的空心圆柱，所述空心圆柱的开放端具有能够与所述突出部啮合的卡槽，所述空心圆柱的封闭端的中心具有通光孔。

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，还包括固定所述阳极的空心圆盘。

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，所述空心圆盘的最外边缘所在的面为弧面。

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，所述阴极的圆形底面和所述阳极的圆形顶面之间的距离为8mm。

根据本发明的光阴极超快电子枪，还包括激光源，用于激发所述金属膜产生电子。

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，所述激光源发射的激光通过阴极的圆形底面的中心通光孔到达所述金属膜。

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，还包括反射镜，所述反射镜将所述激光源发射的激光反射通过所述阳极的通孔并到达所述金属膜。

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，所述阳极的圆形顶面的内侧具有凹槽，所述阳极的通孔设置在所述凹槽内。

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，所述电子枪顶部具有开孔的磁屏蔽板。

根据本发明的光阴极超快电子枪，优选地，所述高压电源与电子枪阴极之间串联大电阻，阻值为串联前系统阻值的十分之一至百分之一。

本发明的光阴极超快电子枪的倒角设计消除了可能存在的尖端放电，防止表面局部电场增大，使传统的光阴极电子枪稳定工作电压提升至100kV，电子枪特殊的结构及固定方式保证了电场均匀对称的分布，屏蔽外界干扰，确保产生的电子束的对称分布质量，另外，反射模式的电子枪的金属膜的厚度可以达到微米到毫米量级，克服了目前透射电子枪单发电子数量小的问题，提高了电子枪的稳定性。最终提供了一种阴阳极可在100kV左右稳定工作，电场对称均匀分布，单发电子产额可达到百万量级的光阴极超快电子枪。

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为根据本发明实施例的电子枪的分解立体视图；

图2为沿图1的中心轴线AA’截取的根据本发明实施例的电子枪的截面视图；

图3A和3B分别为本发明实施例的电子枪的阴极的背面和正面立体视图；

图4为沿图1的中心轴线AA’截取的根据本发明实施例的电子枪的阴极的截面视图；

图5A和5B分别为根据本发明实施例的阴极底座的正面和背面立体视图；

图6A和6B分别为根据本发明实施例的电子枪的阳极的背面和正面立体视图；

图7为沿图1的中心轴线AA’截取的根据本发明实施例的电子枪的阴极的截面视图；

图8A和8B分别为根据本发明实施例的空心圆盘的正面和背面立体视图；

图9为沿图1的中心轴线AA’截取的根据本发明实施例的空心圆盘的截面视图。

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。

图1为根据本发明的实施例的电子枪的分解立体视图。图2为沿图1的中心轴线AA’截取的根据图1的实施例的电子枪的截面视图。沿入射激光的传播方向，电子枪依次主要包括入射蓝宝石窗10、电子枪底座9、陶瓷柱8、阴极底座7、阴极6、镜片5、空心圆盘4、阳极3和磁场屏蔽板1，上述部件组合之后固定在电子枪支架2上。

图3A和3B分别为图1的实施例的电子枪的阴极6的背面和正面立体视图，在本文中，“正面”是指正对入射激光束36的面，而“背面”是指背对入射激光束36的面。图4为沿图1的中心轴线AA’截取的本发明实施例的电子枪的阴极6的截面视图，图4的视图是图2所示的视图中的阴极6逆时针旋转90°得到的。结合图3A、3B和4可以看出，阴极6为“铃铛”形状，具有轴对称结构，包括圆柱形侧面W_6a、圆形底面W_6b以及连接圆柱形侧面W_6a和圆形底面W_6b的连接面W_6c。其中，所述圆形底面W_6b的半径为18mm，其中心具有通光孔21，外侧具有深度为1mm、半径为12.7mm的圆形凹槽20，用于容纳石英片5，石英片5上镀有纳米量级厚度的金属膜，在该实施例中，为了放置石英片5，阴极6的圆形底面W_6b的半径至少大于石英片5的半径，而为了便于从凹槽20中取出石英片5，还在中心通光孔21周围设置四个小孔。石英片采用导电银胶与阴极黏牢，保证表面的金属膜与阴极导电。另外，所述圆柱形侧面W_6a的开口端内侧具有四个突出部，形成为小圆柱22；所述连接面W_6c为圆弧面，其倒角半径为13mm。这样的阴极设计源于电脑模拟优化的结果，使阴极在该电子枪结构尺寸要求范围内，获得表面电场优化，W_6c处表面电场最大值不超过12keV/mm，防止阴极表面的局部电场过大，消除了可能存在的尖端放电。本领域技术人员很容易理解，石英片5用于支持金属膜，也可以选择其他的能够使入射激光透过的材料，例如蓝宝石等。

如图5A和5B所示，图5A和5B分别为本发明的实施例的阴极底座的背面和正面立体视图。阴极底座7为一端开放一端封闭的空心圆柱，其开放端有四个L形卡槽23，对应阴极6内侧的四个小圆柱22，通过将小圆柱22拧入卡槽23并与卡槽23啮合使得阴极6固定在阴极底座7上。阴极底座7的封闭端中心具有圆形通光孔25(参见图2，图5A中未示出)，同时有四个围绕圆形通光孔25的通孔，用于将阴极底座7固定于陶瓷柱8上。陶瓷柱8通过螺栓30固定于电子枪底座9上。

图6A和6B分别为本发明的实施例的电子枪的阳极3的背面和正面立体视图，图7为沿图1的中心轴线AA’截取的本发明实施例的电子枪的阳极3的截面视图，图7的视图是图2的视图中的阳极3逆时针旋转90°得到的。结合图6A、6B和7可以看出，阳极3为“草帽”形状，也具有轴对称结构，包括圆形顶面W_3a、圆柱形侧面W_3b、圆环形底面W_3c、以及连接圆形顶面W_3a和圆柱形侧面W_3b的连接面W_3d，其中，所述圆环形底面W_3c从所述圆柱形侧面W_3b的下边缘径向向外延伸，所述圆形顶面W_3a的半径为8mm，圆形顶面W_3a的中心具有直径2mm的通孔19，所述连接面W_3d为弧面，具有椭圆形倒角，所述椭圆的长轴为10mm，短轴为4mm，所述圆环形底面W_3c上具有圆孔，用于将所述阳极3固定在空心圆盘4上。这样的阳极设计为电脑模拟优化的结果，使阳极在该电子枪结构尺寸要求范围内，获得表面电场优化，W_3d处表面电场最大值不超过13.5keV/mm，防止了阳极表面的局部电场过大，消除了可能存在的尖端放电。

在该实施例中，采用空心圆盘4固定阳极3。图8A和8B分别为空心圆盘4的正面和背面立体视图，图9为沿图1的中心轴线AA’截取的空心圆盘4的截面视图，图9的视图也是图2的视图中的空心圆盘4逆时针旋转90°得到的。结合图8A、8B和9进行说明，空心圆盘4的表面为光滑平面，其中央孔的半径(内半径)为18mm(大于阳极3的圆形顶面W_3a的半径)，空心圆盘4最外边缘所在的圆的半径(外半径)为75mm，另外，空心圆盘4最外边缘所在的面为弧面，具有半径5mm的倒角，倒角表面电场最大值为4keV/mm，防止了圆盘表面的局部电场过大，消除可能的尖端放电。空心圆盘4的背面有螺纹孔，参见图2，借助于螺栓17通过阳极3的圆环形底面上的圆孔和空心圆盘4的靠近中央孔的螺纹孔将阳极3和空心圆盘4固定在一起(在图2中仅示出一个螺栓17，对称分布的另外三个未示出)，借助于螺栓16通过电子枪支架2上的孔和空心圆盘4的靠近外边缘的螺纹孔将空心圆盘4固定在电子枪支架2上(在图2中仅示出一个螺栓16，对称分布的另外三个未示出)。

发明人针对上述阴极、阳极和空心圆盘的设计利用电脑进行模拟优化，使在该电子枪结构尺寸要求范围内，各部件表面电场获得优化，低于真空电场的击穿阈值，效果优于传统电子枪。同时，为了进一步优化表面电场分布，保证表面平滑度，对阴极、阳极和空心圆盘表面进行机械粗抛、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。

在该实施例的电子枪的组装过程中，阴极6采用将其内侧小圆柱22拧入卡槽23并与卡槽23啮合而固定在阴极底座7上。不使用在阴极W_6a内侧和阴极底座顶部外侧加工螺纹，进而将阴极底座拧入阴极内的固定方式。阳极3的圆形顶面W_3a和圆柱形侧面W_3b穿过空心圆盘4的中心，阳极3的圆环形底面W_3c上的圆孔与空心圆盘4背面的螺纹孔对齐并用螺栓17固定(参见图2)。不使用分别在阳极外侧W_3b和空心圆盘中心孔上加工螺纹，将阳极通过螺纹拧入空心圆盘的固定方式。以上两种均不使用螺纹固定方式，原因是螺纹固定方式会降低阳极面W_3a与阴极表面W_6b的平行度，同时两表面之间的距离也不能精确维持。在该实施例中，电子枪支架2由整块金属挖空得到，不使用焊接，保证垂直度，进一步保证阳极面W_3a与阴极表面W_6b的平行度。阳极面W_3a与阴极表面W_6b的平行度的保证，是为了防止由于阴极和阳极表面由于不平行而使之间的电场分布不均匀，导致局部电场过大，对称性降低，影响电场对对电子的加速效果，电子束内部分布质量降低，影响实验精度。电子枪支架2通过螺栓32固定在电子枪底座9上。整个固定方式保证了阴极和阳极表面的平行度，阴阳极表面距离的精确度，电子枪各个部件的同轴度。整个设计经过力学优化分析，确保组件受力均匀。

另外，参见图2，在该实施例中，阴极6与高压电源29相连。为了避免高压电源29接入时对阴极各部件产生过大应力，高压接入连接部件采用特殊设计。连接部件整体为球形，从而消除了尖端放电、降低了局部电场强度。参见附图1和2，12、13为相互匹配的两个半球形连接部分，上半球连接部分13通过导线14连接至高压电源，下半球连接部分12通过导线11连接至阴极底座7。导线11与14分别通过紧固螺杆27拧入下半球连接部分12与上半球连接部分13侧面的螺纹孔。在导线11与14被紧固前，下半球连接部分12与上半球连接部分13的组合体可自由移动，对阴极不产生应力。

在本发明的电子枪中，所有的固定部件(例如螺栓或螺杆等)都内藏或背藏，从而防止局部间隙电场放电现象。

如图1或2所示，在该实施例中，阴极6和阳极3之间的距离为8mm，这是对应100kV电子枪的优选设计。本领域技术人员能够理解，所要求的电子枪承载电压不同，阴极6和阳极3之间的距离可以进行相应的调整。本发明人通过实验发现，在本发明的设计中，阴极6和阳极3的连接面的倒角半径并不限于上述具体值，只要阴极6的圆形倒角的半径大于阴极6和阳极3之间的距离，阳极3的椭圆形倒角的长轴大于阴极6和阳极3之间的距离，就能很好地消除尖端放电，从而防止局部电场过大。另外，当阳极3的连接面W_3d具有圆形倒角时，消除尖端放电的效果会更好。

参见附图2，在本发明的实施例中，电子枪具有两种工作模式，从而保证了电子产额。

透射模式：第一激光源发出的激光36通过蓝宝石窗10，进入陶瓷柱8内部的通孔31，接着通过阴极底座通光孔25和阴极中心通光孔21(参见图4，图2未示出)，射入阴极凹槽20处的石英片5并激发石英片5表面的金属薄膜产生电子，所产生的电子被施加在阴极和阳极之间的电场加速并从电子枪射出。

反射模式：所述电子枪还包括反射镜38，反射镜38距阴极6外表面中心垂直距离(图2中所示的反射镜38与阴极6外表面中心的横向距离)为250mm，水平距离(横向距离的垂直方向上的距离)可调，用于改变反射镜38反射到阳极3的中心通孔19的光的方向，同时保证不阻挡从阳极3的中心通孔19出射的电子束。在反射模式下，第二激光源发出的激光37被反射镜38反射，通过磁屏蔽通光孔35、阳极中心通孔19，最终入射至石英片5表面的金属薄膜，激发电子。在该实施例中，为了保证反射模式正常工作，磁屏蔽通光孔35的直径至少为8mm，另外，为了使激光顺利地通过阳极3的中心通孔19，在阳极3的圆形顶面W_3a的内侧设置包围中心通孔19的凹槽18，如图6A和7所示，凹槽18长14mm、宽2mm、深2mm，本领域技术人员可以理解，凹槽18的尺寸和形状并不限于此。反射模式的电子枪克服了目前透射电子枪单发电子数量小的问题，提高了电子枪的稳定性。对于反射模式的电子枪，金属膜的厚度可以达到微米到毫米量级，因此，在这种情况下可以不需要支持金属膜的石英片5。

参见附图1和2，在本发明的实施例中，电子枪内部所有部件均采用弱磁不锈钢，从而提高抗磁性能。由于本发明的电子枪支架的特殊设计以及阳极固定圆盘的存在，电子枪呈现半封闭状态，同时在支撑背面磁场屏蔽板1的存在，使电子枪可有效的防止外部磁场干扰，进一步保证电子枪的稳定工作状态。本发明人通过优化计算发现，为保证出射电子束稳定性，电压源电压29输出波动不超过0.1％。在电子枪与电压源之间串联限流电阻28，其阻值为串联前系统阻值的十分之一至百分之一。通过此限流电阻，防止意外的放电对周边电子设备的破坏。由于保护机制的存在，在电子枪预热过程中，可利用可控弱放电过程对阴阳极表面进行抛光与清理，为该类型电子枪增加了一种阴阳极表面抛光与清理方法。

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。