专利名称：一种行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种超快诊断技术设备，尤其涉及飞秒条纹变像管。
背景技术：
条纹变像管是ー种实现超快瞬态光信号的光电转换、聚焦成像、扫描偏转以及图像增强与处理的超快诊断设备。由于其记录速度极快(理论极限时间分辨率高达10fs，lfs=10_15s)，再加上它具有能使光增强以及从红外到紫外、X射线等不同波段信号探測能力，如今它已成为10_8 10_13s范围内超快时间分辨诊断研究領域的主要手段。其主要性能參数为时间分辨率、空间分辨率及动态范围等。源于应用领域的多样性以及需求侧重点的不同，目前条纹变像管也鮮明地呈现出各性能侧重型发展趋势。如，针对量子阱半导体的能量弛豫、飞秒时间量级化学反应动力学以及飞秒激光诊断等诸多超快诊断过程研究，则要求条纹变像管时间分辨性能要达到飞秒量级。另外，由于相关瞬态过程的光信号通常都有相当的强度变化范围，这就要求变像管系统的设计同时也要兼顾动态范围这个指标。在条纹变像管时间分辨率优化方面，国际上已进行了大量的研究工作。除了系统均采用行波偏转器作为电子束偏转系统这个共同点之外，现有的飞秒条纹变像管设计按照电子聚焦系统的差异可分为两种静电聚焦型和磁聚焦型。与第一种类型相关的里程碑式研究成果为1988年A. Finch等人通过采用 圆柱对称型静电透镜聚焦的方法，同时也采用了行波偏转器作为电子束偏转系统，将时间分辨率提高到了 300fs ；2005年美国堪萨斯州大学常增虎课题组采用电四极透镜为聚焦透镜，通过在阳极和偏转板之间设置ー个宽度为5微米的狭縫，将时间分辨提高至280fs(积分模式)。与第二种类型相关的里程碑式研究成果为1994年日本滨松公司通过采用短磁透镜聚焦的方法(磁透镜在行波偏转器之前，也即更靠近光阴极)，实现了 ISOfs的时间分辨能力；常增虎于1998年采用短磁聚焦(磁透镜在行波偏转器之后)，该短磁聚焦条纹变像管在紫外波段时间分辨率已达540fs，在软X射线波段时间分辨率为880fs。但常增虎指出，将行波偏转器放置在磁聚焦透镜之前，可以缩短光电子从光阴极到偏转器入口之间的飞行时间，从而減少了由光电子初能量弥散及空间电荷效应引起的飞行时间弥散，抑制由空间电荷效应造成的时间展宽，这最终将同时提升管子的时间分辨率、空间分辨率和动态范围。另外，由于磁透镜系统相比静电透镜具有更小的ニ阶像差系数，因而以前者作为电子聚焦系统在同比条件下可降低系统设计的难度，这使得行波偏转器前置型磁透镜聚焦飞秒条纹变像管设计方案被更多地采用。但截至目前，此类飞秒条纹变像管虽然实现了几百飞秒的较高时间分辨率，但其空间分辨性能和动态范围则很少被涉及。因此，从条纹变像管性能整体优化角度考虑，在高时间分辨条纹变像管的设计中同时兼顾空间分辨和动态范围性能是非常有必要的。
发明内容
为解决目前的飞秒条纹变像管只注重时间分辨率的提高而空间分辨率低、动态范围小的技术问题，本发明提供了一种行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管。
本发明的技术解决方案是一种行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管，其特殊之处在于包括管壳及管壳内沿电子传播方向依次设置的阴极盘、光阴极、阳极、行波偏转器、短磁聚焦透镜、荧光屏，所述光阴极设置在阴极盘上，所述行波偏转器包括ー对上下放置的相互平行的蛇形带，所述短磁聚焦透镜包括磁极靴、包裹在磁极靴内的通电螺线管、靠近短磁聚焦透镜入ロ处的磁极靴狭缝。上述光明极与阳极的电位差的范围为-20kV'10kV ；所述阳极设置为0电位；所述光阴极和阳极的轴向距离为1 3mm ; 所述磁极靴狭缝的尺寸为3 1Omm ;所述行波偏转器的蛇形带的宽度为1 5_ ;所述行波偏转器的蛇形带之间的距离为1 2mm ;所述荧光屏位于系统的最佳像面处。上述阴极盘还包括设置在阴极盘和光明极之间的外凸台。上述系统的最佳像面处通过以下方式确定从光阴极轴上以72. 5°仰角发射的电子，在聚焦透镜作用下与系统对称轴交点所在的横向平面。上述阴极盘的外形状为圆台形；所述阳极为栅网结构。上述短磁聚焦透镜的入口尺寸小于短磁聚焦透镜的出口尺寸。本发明具有如下优点1、本发明条纹变像管的整体结构有助于提高变相管的时间分辨率、空间分辨率、及动态范围，同时可以降低磁透镜设计上的难度，在保持聚焦效果的前提下亦可缩短系统的轴向长度，为条纹变像管小型化提供了可能性。2.时间分辨率高。本发明中光阴极3与阳极4之间较高的的电位差以及较小的轴向距离，使得阴极-阳极区的物理时间弥散得到了很好的抑制；同时阳极4设置为0电位，从而屏蔽了阴扱-阳极区电场对后续电极元件的影响，这有助于降低系统的偏转色散；通过优化行波偏转器蛇形线宽及蛇形线之间宽度实现了高偏转灵敏度、小偏转色散的行波偏转器，提高了变像管整体的技术时间分辨能力，这使得系统的时间分辨率性能得到了极大提升。3.空间分辨率高。本发明中光阴极3与阳极4之间较高的的电位差以及较小的轴向距离，可有效缩短电子在阴极-阳极区的飞行时间，可抑制空间电荷效应对电子脉冲横向展宽的影响；同时，阴极-阳极较高的电位差亦可提高电子沿轴向传播的速度，缩短电子在整个系统中的渡越时间。这两者都可以减小空间电荷效应作用的时间，从而提升系统的空间分辨本领。4.本发明也有利于提升变像管动态范围。将行波偏转器放置在磁聚焦透镜之前，可以缩短光电子从光阴极到偏转器入口之间的飞行时间，从而显著抑制了空间电荷效应对脉冲电子束性能參数的影响，最終提升了变像管系统的动态范围。5本发明短磁聚焦透镜6的入口尺寸小于短磁聚焦透镜6的出口尺寸，这可以屏蔽行波偏转器所产生行波偏转场对磁聚焦透镜中电子的影响。6本发明阳极4为栅网结构，可有效屏蔽阴极-阳极区电场对后续元件的影响。
7.本发明阴极盘外凸台2可以防止阴极-阳极区的高压打火和阴极在高真空时出现的变形。
图1为飞秒条纹变像管结构示意图；图2为行波偏转器结构示意图；图3为短磁透镜结构示意图；图4为时间调制传递函数；图5为距阴极中心3. Omm处的空间调制传递函数；其中1_光阴极盘；2_外凸台；3_光阴极；4-阳极；5_行波偏转器；6_短磁聚焦透镜；7_荧光屏；8_管壳；9_磁极靴；10_通电螺线管；11_磁极靴狭缝。
具体实施例方式本发明的具体工作过程为光阴极3在外界瞬态光信号的辐照下，以外光电效应过程发射光电子脉沖。近似情况下，此过程可认为是瞬间完成的，电子脉冲宽度与入射光信号相同，电子脉冲强度信息与入射光信号成比例关系。阳极4、行波偏转器5以及短磁聚焦透镜6构成复合聚焦-偏转系统，将此光电子脉冲聚焦在最佳像面处的荧光屏平面不同位置上形成空间偏转扫描条纹像，实现待测光信号时间信息至空间信息的映射。在 本发明具体实施过程中，首先要估算系统最佳像面的位置，也即荧光屏平面所在的位置。最佳像面的定义为从光阴极轴上以72. 5°仰角发射的电子，在聚焦透镜作用下与系统对称轴交点所在的横向平面即为最佳像面。因而在确定最佳像面之前，首先要求解系统静电聚焦场分布。其次，估算给出系统的时间分辨率及空间分辨率等參数。这要求给出光阴极3发射光电子的抽样，同时求出系统的复合聚焦-偏转场分布，以此为基础进行电子追踪。从光电阴极上发射出来的光电子，其初始能量、方位角、仰角及初始位置都满足一定的统计分布。光电子的初始位置分布可以是均匀分布(均匀光照射时)或近于高斯分布(激光近距离照射)，光电子初能量一般认为服从3分布，当给定光电子的初能量、初位置以及初始倾斜角分布后，可以利用Monte-Carlo方法进行抽样。根据概率论中的大数定理，只有当抽样次数达到无穷大的时候，抽样分布才能接近实际分布，而实际又很难做到抽样次数达到无穷大，因此Monte-Carlo抽样结果是否可靠，必须得到验证。跟踪电子轨迹的计算是基于以下假设(I)光电子的初能量满足在(O、. 6eV)上的^ (I, 4)分布，该分布的Monte-Carlo抽样采用直接抽样法；(2)电子的初位置满足均匀分布；(3)电子发射仰角服从(0、0° )范围的余弦分布，方位角服从((T2 JI )范围内的均匀分布，余弦分布的Monte-Carlo抽样积分抽样法。系统中聚焦-偏转场的计算可用有限差分法等，其中常忽略电子脉冲电荷的影响。场分布确定后，可用四阶Runge-Kutta法进行电子追踪，以最終确定时间分辨率和空间分辨率參数。实施例光阴极3电位为-15kV ;阳极4设置为0电位；阴极-阳极之距为2mm ;行波偏转器外形尺寸为40X20_ ;磁透镜所加安匝数为1300安胆，电子入口处磁极靴内径为7. 5mm,出ロ处磁极靴内径为15mm。根据这些參数,在光电子发射Monte-Carlo抽样及电子追踪计算的基础上，可求得系统最佳像面距离光阴极265mm，系统飞秒扫描变像管的时间分辨能力如图4所示，可知其物理时间分辨Tphys = 250fso在技术时间分辨估算方面，假设行波偏转器5偏转灵敏度P=45mm/kV，动态空间分辨5 =101p/mm,扫描电压斜率k=10kV/ns,因而扫描速度v=kXP=4. 5X 108m/s,进而可计算出系统的技术时间分辨为
权利要求
1.一种行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管，其特征在于 包括管壳(8)及管壳(8)内沿电子传播方向依次设置的阴极盘(I)、光阴极(3)、阳极(4)、行波偏转器(5)、短磁聚焦透镜(6)、荧光屏(7)，所述光阴极(3)设置在阴极盘(I)上，所述行波偏转器(5)包括ー对上下放置的相互平行的蛇形带，所述短磁聚焦透镜(6)包括磁极靴(9)、包裹在磁极靴(9)内的通电螺线管(10)、靠近短磁聚焦透镜(6)入口处的磁极靴狭缝(11)。
2.根据权利要求1所述的行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管，其特征在于 所述光阴极(3)与阳极(4)的电位差的范围为-20kV'10kV ； 所述阳极(4)设置为0电位； 所述光阴极(3)和阳极(4)的轴向距离为I 3mm ； 所述磁极靴狭缝(11)的尺寸为3 IOmm ； 所述行波偏转器的蛇形带的宽度为I 5_ ； 所述行波偏转器的蛇形带之间的距离为I 2mm ; 所述荧光屏(7)位于系统的最佳像面处。
3.根据权利要求1或2所述的行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管，其特征在于所述阴极盘(I)还包括设置在阴极盘(I)和光阴极(3)之间的外凸台(2)。
4.根据权利要求3所述的行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管，其特征在于所述系统的最佳像面处通过以下方式确定从光阴极轴上以72. 5°仰角发射的电子，在聚焦透镜作用下与系统对称轴交点所在的横向平面。
5.根据权利要求4所述的行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管，其特征在于所述阴极盘(I)的外形状为圆台形；所述阳极(4)为栅网结构。
6.根据权利要求5所述的行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管，其特征在于所述短磁聚焦透镜(6)的入口尺寸小于短磁聚焦透镜(6)的出口尺寸。
全文摘要
本发明涉及一种行波偏转器前置短磁聚焦飞秒条纹变像管，包括管壳及管壳内沿电子传播方向依次设置的阴极盘、光阴极、阳极、行波偏转器、短磁聚焦透镜、荧光屏，光阴极设置在阴极盘上，行波偏转器包括一对上下放置的相互平行的蛇形带，短磁聚焦透镜包括磁极靴、包裹在磁极靴内的通电螺线管、靠近短磁聚焦透镜入口处的磁极靴狭缝。本发明条纹变像管的整体结构有助于提高变相管的时间分辨率、空间分辨率、及动态范围，同时可以降低磁透镜设计上的难度，在保持聚焦效果的前提下亦可缩短系统的轴向长度，为条纹变像管小型化提供了可能性。
文档编号H01J29/64GK103035462SQ20121057546
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者田进寿, 赵卫, 王超, 李 昊, 徐向晏, 曹希斌, 卢裕, 王俊锋, 白永林 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所