一种带电粒子圆磁透镜的制作方法

本发明属于带电粒子光学成像技术领域，尤其涉及一种带电粒子圆磁透镜。

背景技术：

圆磁透镜是电子显微镜、电子束刻蚀系统等带电粒子光学成像技术领域重要的元件。在透射电子显微镜中，用以形成高倍的点聚焦电子像；在其他一些情形，如电子束刻蚀系统，用以对电子源的交叉截面聚焦形成低倍电子像，以获得微束斑电子探针。为减少激磁电流安匝数(或永磁材料体积)，并使透镜磁场在空间上更集中以形成更高强度的磁场，一般都使透镜带有铁壳及磁极靴。铁壳内侧设置有环形间隙，铁壳与极靴共同构成了磁路，磁路中的间隙处为主要的透镜磁场区，如图1a、图1b所示。

目前常用的圆磁透镜，其磁路间隙常位于铁壳所围空间的内部，使得磁场峰值所在的透镜磁场区也位于圆磁透镜所围空间的内部。此类圆磁透镜结构和场分布特性，使得其在一些应用环境，比如实验样品无法置于磁透镜内部的情况下，面临固有瓶颈难题。因此，寻求新的磁透镜设计方案，使透镜磁场区位于透镜所围空间的外部，已成为该领域技术研发热点。

技术实现要素：

为了解决一些实验样品由于无法置于磁透镜内部而不能完成样品发射电子的聚焦成像等技术问题，本发明提供一种带电粒子圆磁透镜，通过在端面磁路引入环形间隙，可实现使透镜磁场区位于透镜所围空间外部的技术效果，使得实验样品很容易被放置于透镜磁场区而实现样品发射电子的聚焦成像。

本发明的技术解决方案是提供一种带电粒子圆磁透镜，包括通电线圈及环形铁壳，上述通电线圈位于环形铁壳中，其特殊之处在于：上述环形铁壳上具有至少一个环形间隙，上述环形间隙位于环形铁壳的端面。

优选地，为了使透镜磁场在空间上更集中以形成更高强度的磁场，上述环形铁壳的端面还可以设2n个磁极靴，各个磁极靴的锥部的半径大小不同，相邻两个磁极靴的锥部形成环形间隙，其中n为正整数。

优选地，环形间隙与圆磁透镜对称轴可以是任意角度设置。

优选地，环形间隙与圆磁透镜对称轴平行。

优选地，上述环形间隙为一个。

其中通电线圈为圆磁透镜提供磁场，环形铁壳、环形铁壳与磁极靴构成高磁导率磁路，约束并引导磁场在空间的分布，环形铁壳端面设置的环形间隙，使磁场局部侧漏，从而在透镜所围空间的外部形成峰值磁场，即在外部形成透镜磁场区。

磁极靴为磁性材料的锥形环，通过磁极靴可以控制透镜磁场区的位置及其中的磁场分布特性。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的带电粒子圆磁透镜，通过在端面磁路引入环形间隙，突破了现有圆磁透镜技术瓶颈，实现了使透镜磁场区位于透镜所围空间外部的技术效果，因而具备更广的应用领域；

2、透镜磁场区的位置及磁场分布特性由通电线圈和磁极靴共同决定，使得其聚焦特性的设计更具灵活性和调谐性；

3、本发明提出的在端面磁路引入环形间隙的圆磁透镜设计方法，可以作为其他更复杂磁透镜设计的基础和借鉴，如引入更多环形间隙或者其他形状的间隙，因而具备普适性和代表性。

附图说明

图1a为现有技术中圆磁透镜结构示意图；

图1b为图1a对应的圆磁透镜轴磁场分布图；

图2为本发明其中一种圆磁透镜剖面示意图；

图3为本发明另外一种圆磁透镜剖面示意图；

图4为实施例中圆磁透镜剖面示意图；

图5为本发明具有一个环形间隙的圆磁透镜端面侧视图；

图6为磁透镜轴上磁场分布与参数rb的依赖关系；

图7为磁透镜轴上磁场分布与参数rc的依赖关系；

图8为磁透镜轴上磁场分布与参数ra的依赖关系；

图9为双环形间隙磁透镜剖面示意图。

附图标记为：1-磁极靴，2-通电线圈，3-磁路，4-圆磁透镜对称轴，5-磁路间隙。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

以单个环形间隙为例，从图4可以看出，该环形间隙的内径是ra，外径是rb。磁透镜系统的内径是rc，激磁电流安匝数为ni。因磁透镜的聚焦特性与其轴上磁场分布密切相关，因而从定性角度考虑，这里分析了轴上磁场分布对极靴参数的依赖关系，如图6-8所示。其中横坐标0位置对应于极靴的外端面，横坐标负向代表透镜空间的外部。由图可知，此类圆磁透镜轴上磁场的峰值区，也即透镜聚焦区，始终位于透镜所围空间的外部；且磁场峰值点距离透镜端面的距离由参数ra、rb和rc共同决定，因而具备很好的调谐性和工程灵活性。可以预见，对于其他类型的磁极靴形状设计，如图9给出的双环形间隙磁透镜，这种定性结果仍然成立。

技术特征：

技术总结
本发明属于带电粒子光学成像技术领域，尤其涉及一种带电粒子圆磁透镜。包括通电线圈及环形铁壳，通电线圈位于环形铁壳中，环形铁壳上具有至少一个环形间隙，环形间隙位于环形铁壳的端面。通过在端面磁路引入环形间隙，解决了一些实验样品由于无法置于磁透镜内部而不能完成样品发射电子的聚焦成像等技术问题，突破了现有圆磁透镜技术瓶颈，实现了使透镜磁场区位于透镜所围空间外部的技术效果，因而具备更广的应用领域。

技术研发人员：王超;白永林;王屹山;尹飞;赵卫;田进寿;曾健华;王向林;徐鹏
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2017.06.09
技术公布日：2017.09.26