专利名称：折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法及映射仪的制作方法
技术领域：
本发明属于带电粒子飞行时间能谱仪技术领域
背景技术：
飞行时间(Time-Of-Flight，T0F)是电子光学中一个非常重要的概念，在电子光学能量分析器中，常利用系统中带电粒子飞行时间的能量色散性来分析鉴别并最终获得其所具有的能量。而近年来研制成功的位置敏感探测器(Position-knsitive Detector, PSD)可以同时记录粒子的飞行时间信息以及其撞击探测器的位置信息，根据此时间和位置信息与带电粒子初始速度之间的映射关系即可同时获得粒子的初始能量及初始动量。此即为带电粒子飞行时间动量能量谱仪的基本原理。带电粒子飞行时间动量能量谱仪主要的性能参数有能量分辨率、能量探测量程和粒子收集效率。根据带电粒子在粒子源与探测器之间的运动状态，其大致可分为无场式和含场式两种类型在无场式系统中，带电粒子以勻速漂移状态运动；而含场式映射仪则在无场式系统的基础上，为提高系统整体性能而引入了电场或(和)磁场，这使得带电粒子呈现出变速运动状态。目前国际上常用的动量能量映射仪绝大多数都属于含场式系统。根据能谱仪能量分辨率基本理论可知，系统能量分辨率的提高可最终归结为最基本的方法增加带电粒子的有效飞行时间。对此，国际上常用的两种方法为增加带电粒子的有效飞行长度；降低待测电子的能量。对于第一种方法，其最简单的实施方法是直接增加能谱仪系统管子的长度。但在实际应用中管子长度的增加总是受到多种因素的限制，比如管子内部的真空度以及实验室空间的限制等。同时，管子长度的增加必将导致带电粒子接收角的减小而最终降低其收集效率。这些限制因素使得国际上普遍采用更为有效的方法-采用特殊的元件等结构设置以在保持管子长度不变的情况下，间接地增加带电粒子的有效飞行距离，比如直线反射式或弧线偏转式飞行时间能谱仪系统。第二种方法可通过在系统中引入拒斥场来实现，其缺陷是拒斥场的存在会导致系统能量探测量程与带电粒子收集效率的缩小。对此国际上普遍通过引入电场或者磁场或者同时引入电场和磁场的办法以达到同时优化能谱仪的能量分辨率、能量探测量程以及带电粒子收集效率参数的目的，比如已经得到广泛应用的双色电场式飞行时间谱仪(带电粒子在电场中的加速度不同)或者双色电磁场式飞行时间谱仪(同时引入电场和磁场)。在采用以上优化方法的基础上，目前存在的带电粒子飞行时间动量能量谱仪虽然能在一定的使用范围内满足实际工程的要求， 但是由其工作原理所决定的在系统总体性能提高方面的瓶颈始终存在着。现有的飞行时间动量能量谱仪从本质上讲都可归结为如
图1所示的结构，系统中带电粒子的运动可分解为轴向运动和径向运动，其中径向运动决定着其在探测器上的位置信息，轴向运动决定着带电粒子的有效飞行时间信息。如此结构上的设置使得这样的情况成为必然在能够被探测器接收的既定条件下，不同初始状态(包括初始能量Si与初始发射角Θ》的带电粒子在被探测器接收之前都经历了相同的有效轴向距离。因而在这样的系统中，轴向速度小的电子具有较大的飞行时间，这直接意味着系统对具有较大初始发射角的带电粒子具备相对较高的能量分辨率；而在实际的工程应用系统中，显然只有较小初始发射角的带电粒子才有较大的收集几率。同时，系统能量分辨率随着待测带电粒子能量的增加而急剧恶化，这常常成为限制系统能量探测量程的一个重要因素。因而，正如已被事实所证明的那样，无论怎样的优化设置都不能使得系统在能量分辨率、能量探测量程与带电粒子收集效率三个主要参数之间找到一个相对较好的平衡，以使系统整体具备较高的综合性能。
发明内容
针对目前带电粒子飞行时间动量能量谱仪在能量分辨率、能量探测量程以及带电粒子收集效等三个参数之间综合提高方面的瓶颈，本发明提出了一种折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法及映射仪，旨在通过提高系统中较小初始发射角带电粒子的能量分辨率而最终增加系统的带电粒子收集效率；同时通过减缓系统能量分辨率随带电粒子初始能量的恶化速率而进一步提高系统的能量探测量程，以实现最终提高带电粒子飞行时间动量能量映射仪整体性能的目的。本发明的技术解决方案一种折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法，其特殊之处在于包括以下步骤1在真空测试管中形成轴向均勻的反射电场；2在真空测试管的一端由带电粒子源产生带电粒子；3带电粒子在反射电场中进行减速运动，直至轴向速度减为零；所述带电粒子在反射电场中进行减速运动的轴向加速度％应满足如下条件 _] a2 ^ ε max/mqL ；其中ε max为待测带电粒子的最大初始动能；mq为待测带电粒子的静止质量；L为带电粒子源到反射电极的轴向距离；4带电粒子即刻在反射场中反向进行加速运动，直至到达带电粒子源位置处的位置灵敏探测器；5用位置灵敏探测器探测记录带电粒子的位置信息(x，y)和飞行时间tt。tal以最终映射出带电粒子的初始动量f和能量Si
^tt η t ^ χ ^ τπ y .V =^botaL- Vx = -^X V = -~y .
zO， f
Ltotaltotal
τπ τπ τπ τπ
Pr = mJz + mJx + m^y ；
pfSi = 0
2mq一种折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法，包括以下步骤1在真空测试管中形成轴向均勻的反射电场和轴向均勻的预加速场；所述反射电场设置在预加速场的后方；
2在真空测试管的一端由带电粒子源产生带电粒子；3带电粒子在预加速场中进行加速运动；接着在反射电场中进行减速运动，直至 轴向速度减为零；所述带电粒子在反射电场中进行减速运动的轴向加速度ち应满足如下条件a2 彡(￡ ^jEt1IiyiL) /(1-n) mqL其中e _为待测带电粒子的最大初始能量；mq为待测带电粒子的质量；B1为带电粒子在预加速场中的加速度；L为带电粒子源到反射电极的轴向距离；nL为预加速场的轴向距离；4带电粒子在反射场中反向进行加速运动，接着在预加速场中进行减速运动，直 至到达带电粒子源位置处的位置灵敏探測器；5位置灵敏探測器探测记录带电粒子的位置信息(x，y)和飞行时间tt。tal以最终 映射出带电粒子的初始动量及和能量e”可由方程
权利要求
1.一种折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法，其特征在于包括以下步骤 1在真空测试管中形成轴向均勻的反射电场；2在真空测试管的一端由带电粒子源产生带电粒子；3带电粒子在反射电场中进行减速运动，直至轴向速度减为零；所述带电粒子在反射电场中进行减速运动的轴向加速度％应满足如下条件
2.一种折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法，其特征在于包括以下步骤1在真空测试管中形成轴向均勻的反射电场和轴向均勻的预加速场；所述反射电场设置在预加速场的后方；2在真空测试管的一端由带电粒子源产生带电粒子；3带电粒子在预加速场中进行加速运动；接着在反射电场中进行减速运动，直至轴向速度减为零；所述带电粒子在反射电场中进行减速运动的轴向加速度％应满足如下条件 a2 ^ ( ε Ja1IiyiL)/ (l-n)mqL其中ε max为待测带电粒子的最大初始能量； m,为待测带电粒子的质量； B1为带电粒子在预加速场中的加速度； L为带电粒子源到反射电极的轴向距离； nL为预加速场的轴向距离；4带电粒子在反射场中反向进行加速运动，接着在预加速场中进行减速运动，直至到达带电粒子源位置处的位置灵敏探测器；5位置灵敏探测器探测记录带电粒子的位置信息(x，y)和飞行时间tt。tal以最终映射出带电粒子的初始动量及和能量^。叨可由方程Utri(Vz) = 2 -+InalL 求得；
3. 一种折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法，其特征在于包括以下步骤 1在真空测试管中形成轴向均勻的反射电场和轴向均勻的磁场； 所述轴向均勻磁场的磁场强度B的取值范围为 其中，q为带电粒子的电荷； m,为带电粒子的静止质量； ε min为待测带电粒子的最小初始能量； k为自然数；R为位置灵敏探测器的半径；2在真空测试管的一端由带电粒子源产生带电粒子；3带电粒子在轴向均勻磁场中沿轴向进行螺旋运动；同时在反射电场中进行减速运动，直至轴向速度减为零；所述带电粒子在反射电场中进行减速运动的轴向加速度％应满足如下条件 其中ε max为待测带电粒子的最大初始能量； m,为待测带电粒子的质量； L为带电粒子源到反射电极的轴向距离；4带电粒子在轴向均勻磁场中沿轴向进行螺旋运动；同时在反射场中反向进行加速运动，直至到达带电粒子源位置处的位置灵敏探测器；5用位置灵敏探测器探测记录带电粒子的位置信息(x，y)和飞行时间tt。tal以最终映射出带电粒子的初始动量f和能量；
4.折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法，其特征在于包括以下步骤 1选择工作模式对于给定的待测带电粒子初始能量范围￡min ε _，当系统参数满足如下条件时必须选择工作在ο模式
5.根据权利要求4所述的折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法，其特征在于 所述步骤1还还包括以下步骤根据待测带电粒子的测试要求，通过以下方式调整映射方法的工作模式 当带电粒子接收效率为探测中相对重要的研究参数时，根据待测带电粒子的初始能量调整系统预加速场的相关参数nL或％以满足如下条件，使系统工作在ο模式
6.一种折射型带电粒子飞行时间动量能量映射仪，其特征在于所述动量能量映射仪包括真空测试管、设置在测试管一端的带电粒子源、设置在带电粒子源前方且位于测试管另一端的反射电极、设置在带电粒子源后方的位置灵敏探测器；所述反射电极可使带电粒子反射至位置灵敏探测器；所述反射电极电场区带电粒子的加速度％应满足如下条件a2 ≥ ε max/mqL ；其中ε max为待测带电粒子的最大初始动能； mq为待测带电粒子的静止质量； L为带电粒子源到反射电极的轴向距离。
7.根据权利要求6所述的折射型带电粒子飞行时间动量能量映射仪，其特征在于所述映射仪还包括施加在测试管的均勻磁场，所述磁场的方向平行于测试管轴向；所述轴向均勻磁场的磁场强度B的取值范围为
8.根据权利要求6或7所述的折射型带电粒子飞行时间动量能量映射仪，其特征在于 所述映射仪还包括设置在带电粒子源和反射电极之间的第一栅网、设置在带电粒子源后方的第二栅网；所述第一栅网和第二栅网之间设置预加速场区；所述反射电极电场区带电粒子的加速度a2应满足如下条件 a2 ≥ ( ε Ja1IiyiL)/ (l-n)mqL ；其中ε max ε max为待测带电粒子的最大初始能量； B1为预加速场区带电粒子的加速度； m,为待测带电粒子的质量； L为带电粒子源到反射电极的轴向距离； nL为预加速场区的轴向距离。
9.根据权利要求8所述的折射型带电粒子飞行时间动量能量映射仪，其特征在于所述均勻磁场由亥姆霍兹线圈产生。
全文摘要
本发明涉及折射型带电粒子飞行时间动量能量映射方法及映射仪，包括以下步骤1在真空测试管中形成轴向均匀的反射电场；2在真空测试管的一端由带电粒子源产生带电粒子；3带电粒子在反射电场中进行减速运动，直至轴向速度减为零；4带电粒子即刻在反射场中反向进行加速运动，直至到达带电粒子源位置处的位置灵敏探测器；5用位置灵敏探测器探测记录带电粒子的位置信息(x，y)和飞行时间ttotal以最终映射出带电粒子的初始动量和能量εi。本发明针对目前带电粒子飞行时间动量能量谱仪在能量分辨率、能量探测量程以及带电粒子收集效等三个参数之间综合提高方面的瓶颈，以实现提高带电粒子飞行时间。
文档编号G01T1/00GK102263003SQ201110147720
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者刘虎林, 徐向晏, 曹希斌, 温文龙, 王俊锋, 王超, 田进寿 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所