一种用于超快电子脉冲横向压缩的短磁聚焦装置及方法与流程

本发明属于超快诊断技术领域，涉及一种用于超快电子脉冲横向压缩的短磁聚焦装置及方法。

背景技术：

人类对自然界的认识日益深入到微观世界。反映物质世界表象最本质的过程皆发生在分子或原子内部，其相应的时间尺度均在皮秒、飞秒甚至阿秒量级(称为超快过程)，可谓“瞬息万变”。这些超快过程的深入了解，无不需要借助具有超高时空分辨的诊断工具来弥补人眼分辨能力(1/24秒&0.1毫米)的不足。超快电子衍射(UED)、超快电子晶体学(UEC)、超快电子显微镜(UEM)和条纹相机(Streak Camera)等超快诊断技术以其皮秒乃至亚飞秒量级的超高时间分辨广泛应用于材料科学、物理学、化学以及生物学中结构相变等超快过程的探测研究，以此帮助人们了解这些快速现象变化的过程，极大地增加人类对于客观世界认识的深度，提高人类改造自然的能力。这些超快诊断技术的关键在于如何获得高电荷密度(高亮度)、高时空分辨的高质量的电子源，它决定了我们对微观世界的探测精度。

超快电子脉冲，作为一个带电粒子的集合，传播过程严重受限于空间电荷效应(电子-电子间库伦排斥)，其束斑形状、大小以及各个电子的轨迹都可能被改变，往往造成电子脉冲的横向(空间分辨)和纵向(时间分辨)展宽。然而，对于高时空分辨率探测、超快诊断设备来说，电子脉冲束斑的尺寸一定程度上直接决定了该系统的空间分辨能力，其必须要小于500μm左右才能提供足够的空间分辨率进行超快过程的探测研究。参考Siwick等人的文献，能量30keV、单脉冲电子数目10⁴、初始脉宽50fs(1fs＝10^-15s)的电子脉冲仅传播4ns(即能量30keV的电子脉冲传播40cm)就已经展宽至6.5ps(1ps＝10^-12s)。同时，参考Robinson等人的文献，在阴阳极间距15mm、加速电压45kV的前提下，初始束斑半径200μm的电子脉冲未经聚焦压缩传播40cm后，自然展宽至～1.1mm，而引入强度为37.8mT的磁场聚焦后，电子束斑缩小至～100μm，空间分辨能力显著提升。

由此可见，在超快诊断技术中，引入高稳定性的聚焦装置进行电子脉冲的横向压缩，抑制电子束空间电荷效应，减小因为空间电荷效应的存在而对电子束发散度的影响，避免其在飞行过程中沿三维空间扩散开来，在满足时间分辨的前提下，最大程度地压缩束斑尺寸至关重要。目前常用的电子束聚焦手段可分为：静电聚焦和磁聚焦。

文献Shakya M M,Chang Z.An accumulative x-ray streak camera with 280-fs resolution[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2004,5534:125-131.涉及一种电四极透镜作聚焦装置，其由四根柱形电极所组成，且具有两个对称面，利用电极间的电势差使电子束连续通过一系列等势面后在一个对称面被聚焦，另一个对称面被散焦，透镜总的会聚特性是两种相反特性互相抵消后的剩余，即一种“差分”结果。该静电聚焦装置虽具有球差较小的优点，但是仍存在较大的畸变场，导致获得的图像加宽，且由于不同的电子在静电聚焦透镜中的加速与减速不均匀，使得脉冲出射后发生一定程度的展宽，能量弥散大，空间电荷效应显著，对高能光电子聚焦能力较弱，而且会造成光电子减速，电子光学系统较长。所有这些不利因素均导致电子渡越时间弥散增大，不利于系统时空分辨率的提高。

相比静电聚焦，磁聚焦具有如下优点：①结构简单，通过改变线圈的激励电流可以实现焦距和放大倍数的连续调节，利用短磁聚焦可以获得放大或缩小的电子像；而在静电聚焦中，需要施加很高的电压才能达到此效果。②磁聚焦激励电流通常在0～2A之间，对应的电压<100V，无击穿打火问题；而在静电透镜的电极上通常要加上万伏的高压，易造成电极之间的频繁打火。③磁透镜的像差较小。④在磁场作用下，电子脉冲的运行轨迹发生改变而能量不变，即磁透镜不会直接引起脉冲纵向展宽。故在超快诊断设备中，一般采用短磁聚焦装置。

对于目前常用的磁聚焦装置来说，线圈的热效应是一大问题，其严重制约着系统的工作时间和工作稳定性。发热导致0.01A的电流波动便会使电子束发生偏转。在长时间工作时，电流的波动引起磁线圈发热，造成铜导线电阻增加，而电阻增加反过来加剧发热现象恶化聚焦电流，周而复始，最终造成电子束斑的位置偏移。磁聚焦系统一般位于真空腔体外侧，其与腔体的同轴性的好坏也严重影响着电子束斑的稳定性。如若冷却和同轴性不好，必将引起的电子束斑抖动，从而致使分辨特性下降，极大地影响电子脉冲的时空分辨能力，很大程度上导致无法进行超快现象的探测，所以必须采用有效的手段进行聚焦装置的降温操作和同轴性精调。同时，文献报道的大量的超快诊断设备均将聚焦装置放在一个固定位置上，或者非常靠近阳极，只是用来在探测器处获得最好的聚焦电子束。从整个的实验过程来考量，这往往可能不是最优的聚焦位置。精密地调节磁隙相当于是调节磁场作用范围，微调聚焦特性，使整个系统处于最优的状态。

CN1851843A和CN1851450A公开了一种飞秒电子脉冲产生和控制的装置，其中的磁线圈作为重要的压缩部件无法有效冷却和同轴微调，制约着系统的长时间稳定工作。

文献Robinson M S,Lane P D,Wann D A.A compact electron gun for time-resolved electron diffraction[J].Review of Scientific Instruments,2015,86(1):013109.中设计了一款磁聚焦装置，主要由线包，磁屏蔽壳组成，通过xyz位移台来精密调节由于绕线不均匀引起的系统的同轴偏差，保证电子脉冲从透镜中心穿过。采用铜编织带连接液氮容器进行磁透镜的冷却。虽然该装置可以精确地调节同轴性和稳定温度，但是此方案的成本太过昂贵，造价不菲，性价比太差。

可以看出，现有超快电子脉冲横向压缩的装置及方法存在无法有效冷却，其严重影响工作稳定性及时间、同轴微调以及极靴间隙精调或者成本高昂等缺点，急需一种新的高稳定性的脉冲横向压缩的装置及方法。

技术实现要素：

为了解决现有的脉冲横向压缩装置冷却效果差、同轴性调节困难、制造成本高的技术问题，本发明提供一种用于超快电子脉冲横向压缩的短磁聚焦装置。

本发明的技术解决方案是：一种用于超快电子脉冲横向压缩的短磁聚焦装置，其特殊之处在于：

包括同轴设置的管状的线轴和管状的内磁屏蔽壳；所述线轴的两个端面上各设置有一个圆环状挡板，挡板的内圆直径等于线轴的直径，挡板的外圆直径等于内磁屏蔽壳的直径；内磁屏蔽壳、线轴和两个挡板共同围成环形空腔，空腔内设置有绕在线轴上的线圈；

还包括两个外磁屏蔽壳，第一外磁屏蔽壳和第二外磁屏蔽壳沿线轴的轴向扣合于内磁屏蔽壳的外侧；第一外磁屏蔽壳的中心同轴设置有伸入线轴内的第一极靴，第二外磁屏蔽壳的中心同轴设置有伸入线轴内的第二极靴，第一极靴和第二极靴之间形成磁隙；

所述第一外磁屏蔽壳和第二外磁屏蔽壳的扣合处安装有磁隙调节装置；

所述第一外磁屏蔽壳和第二外磁屏蔽壳的外端面上设置有同轴调节装置；

所述第一外磁屏蔽壳和第二外磁屏蔽壳的内端面与对应的挡板之间设置有冷却系统。

上述第一外磁屏蔽壳的外端面上设置有第一同轴调节装置，第二外磁屏蔽壳的外端面上设置有第二同轴调节装置；所述同轴调节装置包括多个沿径向设置的旋转螺钉。

上述第一外磁屏蔽壳的内端面与对应的挡板之间形成环形空腔，空腔内设置有第一冷却室和第二冷却室；第一冷却室上设置有冷却入口，第二冷却室上设置有冷却出口；

所述第二外磁屏蔽壳的内端面与对应的挡板之间形成环形空腔，空腔内设置有第三冷却室；第三冷却室通过冷却通道分别与第一冷却室和第二冷却室连通。

上述冷却通道设置在线轴内部。

上述冷却入口位于第一冷却室底部，所述冷却出口位于第二冷却室底部，所述冷却通道位于第一冷却室和第二冷却室顶部。

上述第一极靴的轴向长度大于第二极靴的轴向长度。

第一外磁屏蔽壳与第二外磁屏蔽壳之间的距离等于第一极靴与第二极靴之间的距离。

上述第一极靴和第二极靴之间的距离在0-39mm内调节。

上述线轴由非磁材料制成；所述内磁屏蔽壳、第一外磁屏蔽壳和第二外磁屏蔽壳均由高磁导率材料制成。

本发明还提供一种用于超快电子脉冲横向压缩的短磁聚焦方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

将用于超快电子脉冲横向压缩的短磁聚焦装置套装于超快电子运动的真空腔体外侧，然后进行同轴性调节、磁隙调节和温度控制；

同轴性调节：分别拧动第一同轴调节装置和第二同轴调节装置上的旋转螺钉，调整所述短磁聚焦装置与真空腔体之间的相对位置，保持同轴；

磁隙调节：保持第二外磁屏蔽壳位置固定，轴向移动第一外磁屏蔽壳，改变第二极靴与第一极靴之间的距离，根据磁隙调节装置上的刻度尺判断磁隙大小；

温度控制：由冷却入口通入冷却液或者冷却气体，冷却液或者冷却气体填充第一冷却室后，由第一冷却室顶部的冷却通道流入并填充第三冷却室，再经过另一个冷却通道流入第二冷却室，然后从冷却出口导出；通过调整冷却液或者冷却气体的流速来进行温度控制。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明具有有效冷却线圈和同轴性可微调以及极靴间隙可精调的优点，尤其可实现长时间稳定工作。

(2)本发明通过设计冷却系统，可采用风冷或者水冷进行有效降温，解决现有聚焦系统长时间工作的冷却散热问题，提高系统由于线圈焦耳热致使温度升高造成的电流波动的工作稳定性。

(3)本发明设置了同轴微调结构，可采用旋转螺钉进行同轴调节，解决现有聚焦装置由于器件加工和绕线均匀性引起的同轴性问题。

(4)本发明通过设置带刻度的可伸缩型极靴，可连续地调节磁场作用区域，改变磁场作用中心，解决现有系统极靴间隙无法精确调节问题，更好地将实际压缩效果调整到模拟设计时的性能指标，提高系统的时空分辨。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的短磁聚焦装置剖面示意图。

图2为本发明较佳实施例的短磁聚焦装置拆分状态示意图。

图3为本发明较佳实施例的冷却系统剖面视图。

图4为图3中冷却系统的左视图(透视图)。

图5为图3中冷却系统的右视图。

图6为本发明短磁聚焦装置在不同磁隙宽度条件下对应的磁感应强度分布图。

图7为本发明短磁聚焦装置的磁感应强度随磁隙宽度的变化趋势图。

图8为本发明短磁聚焦装置的俯仰角指示图。

图9为本发明短磁聚焦装置在不同俯仰角下对应的纵轴上的磁感应强度分布图。

具体实施方式

本发明提供一种可进行冷却，同时可对磁隙宽度和同轴性进行调节的短磁聚焦装置，通过调节磁隙宽度、激励电流以及同轴性，实现超快电子脉冲的横向聚焦。

参见图1和图2，本发明较佳实施例的结构包括同轴设置的管状线轴1和管状内磁屏蔽壳2；线轴1的两个端面上各设置有一个圆环状挡板3，挡板的内圆直径等于线轴的直径，挡板的外圆直径等于内磁屏蔽壳的直径；内磁屏蔽壳2、线轴1和两个挡板3共同围成环形空腔，空腔内设置有绕在线轴上的线圈4；

该短磁聚焦装置还包括两个外磁屏蔽壳，第一外磁屏蔽壳5和第二外磁屏蔽壳6沿线轴1的轴向扣合于内磁屏蔽壳2的外侧。内磁屏蔽壳2将线轴1包围在内，抑制磁场的泄露。第一外磁屏蔽壳5和第二外磁屏蔽壳6进一步将磁场约束其内。两个外磁屏蔽壳为非对称的结构，第一外磁屏蔽壳5的轴向长度大于第二外磁屏蔽壳6的长度。

第一外磁屏蔽壳5的中心同轴设置有伸入线轴内的第一极靴7，第二外磁屏蔽壳6的中心同轴设置有伸入线轴内的第二极靴8，第一极靴7和第二极靴8之间形成磁隙；第一外磁屏蔽壳5与第二外磁屏蔽壳6之间的距离等于第一极靴7与第二极靴8之间的距离，因此通过读取两个外磁屏蔽壳间的距离便可以直接获得磁隙大小。磁隙在0～39mm内精密可调，这样可以使得磁场能够集中在这0～39mm的间隙中，减小了磁场的横向分布宽度同时增大了场强。使用过程中通过对短磁聚焦装置施加不同的激励电流便可在0～39mm磁隙处产生非均匀磁场，使得超快电子脉冲以不同的束斑大小聚焦在不同的位置上。与外磁屏蔽壳相对应的，两个极靴也是非对称的结构，即第一极靴7的长度大于第二极靴8的长度。初始磁隙所在位置靠近短磁聚焦装置的一端而非位于中心，这样设置的优点是在某些需要电子漂移距离较小时就完成聚焦的情况下，初始磁隙位置越靠近边缘便可以越早完成聚焦，因为短磁聚焦装置本身也占有一定的轴向长度。

第一外磁屏蔽壳5和第二外磁屏蔽壳6的扣合处安装有磁隙调节装置；磁隙调节装置9包括用于衡量第一极靴和第二极靴之间距离的精密刻度尺；通过该刻度尺可以沿轴向精确地移动定位，进而准确调节磁隙大小。

第一外磁屏蔽壳5的外端面上设置有第一同轴调节装置10，第二外磁屏蔽壳6的外端面上设置有第二同轴调节装置11；同轴调节装置由多个沿径向设置的旋转螺钉构成；通过缓慢拧动螺钉来微调短磁聚焦装置与真空腔体外侧的同轴性，同时螺钉还可以固定调好后的状态。

线轴可以采用不锈钢(316L或者304L)、黄铜或者其它非磁材料；聚焦线圈采用的材料可以是0.5-1mm的铜导线；内、外磁屏蔽壳(以及极靴)采用的是具有高磁导率的软铁材料(μ>200)，例如纯铁、铁钴合金或者铁钴钒合金，其主要作用就是将磁场约束在狭窄的磁隙处，增加最大轴向磁场，并防止磁场泄漏，极靴处即为真正聚焦的部位；在整个内磁屏蔽壳外部还有一层厚度为1-2mm的坡莫合金，用于进一步防止磁场泄漏。

参见图3至图5，第一外磁屏蔽壳5的内端面与对应的挡板3之间形成环形空腔，空腔内设置有第一冷却室12和第二冷却室13；第一冷却室12上设置有冷却入口15，第二冷却室上设置有冷却出口16；

第二外磁屏蔽壳6的内端面与对应的挡板3之间形成环形空腔，空腔内设置有第三冷却室14；第三冷却室14通过冷却通道17分别与第一冷却室12和第二冷却室13连通。

冷却通道17可以设置在线轴1内部。冷却通道的个数以两个为佳，其中一个与第一冷却室12连通，另外一个与第二冷却室13连通。冷却入口15位于第一冷却室12底部，冷却出口16位于第二冷却室13底部，冷却通道17位于第一冷却室12和第二冷却室13的顶部。通过接通冷却液或者冷却气体可以对短磁聚焦装置进行冷却。

为了准确的安装外磁屏蔽壳和准确定位冷却入口、冷却出口的位置，可以在线轴顶部的两个冷却通道之间设置前后贯通的定位孔9。

使用本发明提供的短磁聚焦装置进行短磁聚焦的方法具体如下：

首先将本发明中的短磁聚焦装置套装于超快电子运动的真空腔体外侧，然后进行同轴性调节、磁隙调节和温度控制；

同轴性调节：分别拧动第一同轴调节装置10和第二同轴调节装置11上的旋转螺钉，调整短磁聚焦装置与真空腔体之间的相对位置，保持同轴；

磁隙调节：保持第二外磁屏蔽壳6位置固定，轴向移动第一外磁屏蔽壳5，改变第二极靴8与第一极靴7之间的距离，根据磁隙调节装置上的刻度尺判断磁隙大小；

温度控制：由冷却入口15通入冷却液或者冷却气体，冷却液或者冷却气体填充第一冷却室12后，由第一冷却室顶部的冷却通道17流入并填充第三冷却室14，再经过其他的冷却通道17流入第二冷却室13，然后从冷却出口16导出；通过调整冷却液或者冷却气体的流速来进行温度控制。经过该冷却循环后，线轴的两个侧面以及上表面均可以形成冷却面，从而及时导走线圈产生的热量，起到稳定聚焦装置温度的效果。此循环为最合理的循环路径，无论聚焦装置如何调整总可以保持最大冷却面积地进行有效冷却。

图6和图7为不同磁隙宽度下对应的磁感应强度与其随磁隙宽度的变化趋势。加上磁屏蔽壳与极靴时磁场更加集中，峰值更强，且磁隙宽度越小，磁场越集中，峰值越大。对于同样大小的磁场，具有极靴的短磁聚焦装置只需较小的电流即可，有助于减少线圈发热。

图9为不同俯仰角下对应的纵轴(垂直于轴向方向，即y轴)上的磁感应强度分布(该俯仰角如图8所示)。磁场随着旋转角度的增大向y轴负方向移动，即磁透镜俯仰对于超快电子脉冲的聚焦有很大的影响，因而短磁聚焦装置与其耦合的真空管道的同轴性是保证电子脉冲具有较好聚焦特性的关键因素。