大束流电子束打靶微束斑x射线源的聚焦装置及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于=维无损显微观测技术领域，具体设及大束流电子束打祀微束斑X射 线源的聚焦装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002] X射线不仅波长短、分辨率高，而且穿透深度大，其无损成像能力为科研观察和工 业检测提供了技术手段。使用X射线作为探测手段的X射线=维成像显微镜，利用不同角 度的透视投影成像，结合计算机=维数字成像构造技术，W图像的形式清晰、准确、直观的 展现被检测物体内部结构特征、材料的密度、有无缺陷及缺陷的位置、大小等信息，可在被 检测对象无损状态下观测样品的内部结构，提供详尽的图像信息。目前动态X射线显微观 测广泛应用于生物学、生命科学和工业等领域。
[0003] 微束斑X射线源是产生高清晰度X射线透视显微图象的必备部件之一。通常有两 种方案产生微束斑X射线源：一是普通X射线管与X射线光学元件相结合；但是，X射线光 学元件在材料性能和稳定性方面要求很高，设计时需要考虑如何降低从各种X射线光学元 件传输到样品上的有用X射线光子数的损失和其热负载问题；安装时要考虑有无应变、定 位精确W及光学元件整体稳定性等问题；二是将高速运动的电子束会聚成微焦点，使其轰 击金属祀面，产生微小束斑的X射线，即"细聚焦X射线源"；由于造价较低，控制方便，目前 广泛应用于X射线显微成像和X射线显微CT等领域。
[0004] "细聚焦X射线源"通常采用两级透镜聚焦系统，距离祀平面较近的磁透镜称为物 镜，距离祀面较远的磁透镜为聚光镜。祀面处入射电子束的能量，束流和束斑经过与祀材作 用后，决定了X射线束的强度和分布，因此，设计优化两级透镜聚焦系统保证祀面电子束束 流的同时获得小束斑一直是"细聚焦X射线源"工作者的目标。
[0005] "细聚焦X射线源"聚焦系统大多改装或参照电子显微镜用的磁透镜，当祀面处的 电子束斑小时，束流较小，产生的X射线强度弱，很难获得高分辨本领的清晰像。另外，聚光 镜和物镜的参数相互影响，束流切换过程比较缓慢，很难再现样品的生长、变化等的动态过 程。
[0006] 比如：1990 年，E.J.Mo;rton,S.Webb,J.E.Bateman,et.al. , 1"虹ee-dimensional x-raymicro-tomographyformedicalandbiologicalapplications,Phys.Med. Biol.，35 (1990) : 805-820.文章中Modon和We化等人通过改装实验室的电子显微镜，利用 聚焦细电子束轰击钥祀产生的X射线源，当祀面处入射电子束能量为30keV、祀面电子束的 束流为100yA时，电子束束斑为10ym。
[0007] 1994 年，K.Machin,S.Webb,Cone-beamX-raymicro-tomographyof smallspecimens,I%ys.Med.Biol，39 (1994) : 1639-1657.文章中Machin和We化报道：将电 子显微镜电子枪发射的电子束采用磁聚焦系统会聚后轰击铜祀，在祀面入射处电子束能量 小于30keV时，会聚于祀面的电子束束斑小于5Jim，祀面电子束的束流近似等于200JiA。
【发明内容】
[000引本发明针对传统的两级透镜细聚焦X射线源中，祀面处电子束的性能由于受到物 镜指标、聚光镜指标和电子间库仑力效应的因素影响，导致电子束束流的切换过程非常复 杂，不利于实现动态过程的实时观测；而且物镜和聚光镜之间相互影响，很难实现独立调 整。基于上述原因，本发明提出平行模式工作的两级透镜聚焦系统装置，具体是指一种大束 流电子束打祀微束斑X射线源的聚焦装置及其使用方法；
[0009] 大束流电子束打祀微束斑X射线源的聚焦装置，包括聚光镜模块、过渡段模块、可 动光阔、物镜模块和电子束通道。
[0010] 该聚焦装置整体为圆柱形结构，电子枪下端固连聚光镜模块，聚光镜模块下端固 连过渡段模块，过渡段模块下端固连物镜模块，过渡段模块侧面开有通孔，作为可动光阔的 入口。电子束通道从上到下依次穿过聚光镜模块，过渡段模块和物镜模块，通过移动可动光 阔，选择可动光阔上不同的通光孔调节祀面电子束的入射角，改变祀平面处的束流大小和 束斑尺寸。
[0011] 聚光镜模块包括聚光镜上下磁辆，聚光镜上下极靴W及聚光镜线圈组件。
[0012] 聚光镜上磁辆与聚光镜下磁辆对扣固定放置，均采用内部中空的圆柱体，中空部 分安装聚光镜线圈组件；聚光镜线圈组件为圆环形，通过线圈架安装在聚光镜上下极靴的 外围，聚光镜上下极靴内部为电子束通道。
[0013] 过渡段模块采用内部中空的圆柱体，垂直于可动光阔的移动通道。可动光阔上开 有不同直径的通光孔，延伸到过渡段模块的电子束通道上也开有通孔，电子束通过电子束 通道的通孔进入可动光阔不同的通光孔，便于控制电子束的束流。
[0014] 物镜模块包括物镜上下磁辆，物镜上下极靴W及物镜线圈组件。物镜上磁辆与物 镜下磁辆对扣固定放置，均采用内部中空的圆柱体，中空部分安装物镜线圈组件；物镜线圈 组件为内部中空的圆环形，物镜线圈通过线圈架安装在物镜极靴的外围。
[0015] 电子枪发射出的电子束经过聚光镜模块，在由聚光镜上下磁辆、聚光镜线圈组件 和聚光镜上下极靴形成的磁场作用下，形成平行束；经过过渡段模块后，通过移动可动光 阔，选择可动光阔上合适的通光孔调节祀面电子束的入射角，改变祀平面处的束流大小和 束斑尺寸；
[0016] 物镜模块一方面通过工作距离和物镜线圈组件中电流的优化，获得高强度和亮度 的X射线束，保证祀平面处大束流下微束斑；即一方面在聚光镜线圈电流不变时微调物镜 线圈电流，找到祀平面处的电子清晰像，配合可移动光阔的通光孔变化快速完成束流的切 换。
[0017] 一种大束流电子束打祀微束斑X射线源的聚焦系统装置及其使用方法，具体步骤 如下：
[0018] 步骤一、设置聚焦系统装置的初始条件和性能指标。
[0019] 1)聚焦系统装置的初始条件包括电子源参数和祀的参数。
[0020] 电子源参数包括电子束能量、电子束能量散度、发射灯尖位置和直径、灯尖溫度、 理论亮度、源束流、空间分布、交叉斑直径和出射角；祀的参数包括祀的类型和位置。
[0021] 2)聚焦系统装置的性能指标是祀面上电子束的束流和束斑直径。
[00。] 祀面处的束流表示为/ =兀2风;^;2,其中，P为亮度，为祀面处束斑半径，aI为祀面处入射束半角。
[0023] 聚焦系统祀面处电子束束斑直径di可W近似表达为：
[0024]
…
[0025] 其中，M为聚焦系统装置的线性缩放比率，0 <M< 1，d。为电子源交叉斑直径， < 是球差弥散斑直径，f:是色差弥散斑直径，Cs和C。分别简化成物镜的 球差系数和色差系数，a1为祀面处入射束半角，纯磁透镜聚焦系统中，a1=au/M;E为电 子的能量，AE为电子的能量散度。
[0026] 步骤二、根据"聚焦系统装置的初始条件"设置物镜模块的结构参数和电气参数；
[0027]1)、设置物镜模块的位置和结构参数。
[0028] 物镜模块的结构参数包括物镜上下极靴的结构参数，物镜上下磁辆的结构参数W 及物镜模块的位置。
[0029] 其中，物镜上下极靴的结构参数，具体是指：物镜上下极靴材料、物镜上下极靴的 工作距离、物镜上极靴的孔径D1、物镜下极靴的孔径D2和上下极靴间隙S;
[0030] 物镜上下磁辆的结构参数包括：物镜磁辆尺寸、物镜上极靴外径、角度、物镜上极 靴厚度、物镜下极靴外径、角度、物镜下极靴厚度和物镜线圈架的形状尺寸；
[0031] 物镜模块的位置为物镜上下极靴间隙的中屯、。
[0032] 2)、设置物镜模块的电气参数；
[0033] 物镜的电气参数为物镜线圈模块的激励A-t。
[0034] 步骤=、设置聚光镜模块的位置、结构和电气参数，实现聚焦系统的平行工作模 式；
[0035] 1)、首先设置聚光镜模块的的位置和结构参数。
[0036] 聚光镜模块的结构参数包括聚光镜上下极靴的结构参数，聚光镜模块的位置参数 和聚光镜上下磁辆的结构参数。<