超快脈沖x射線源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種超短脈沖X射線源系統(tǒng)，包括電子槍、電子光學(xué)系統(tǒng)、金屬陽(yáng)極、窗口以及真空管壁；電子槍是發(fā)射源，電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)在電子槍的出射光路上，電子光學(xué)系統(tǒng)包括依次設(shè)置的電子加速系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)，高速掃描系統(tǒng)；金屬陽(yáng)極與聚焦系統(tǒng)之間加電壓形成電場(chǎng)；電子槍、電子光學(xué)系統(tǒng)、金屬陽(yáng)極均設(shè)在真空管壁內(nèi)，窗口設(shè)在真空管壁的一側(cè)壁上。本實(shí)用新型是穩(wěn)定可靠的時(shí)間分辨達(dá)到皮秒量級(jí)的X射線脈沖源系統(tǒng)，通過真空環(huán)境中高速掃描電子束，轟擊金屬細(xì)絲，產(chǎn)生超短脈沖X射線裝置；采用高速掃描的電子束轟擊金屬細(xì)絲，可以實(shí)現(xiàn)極快皮秒量級(jí)的X射線脈沖發(fā)射。
【專利說明】
超快脈沖X射線源系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種超短脈沖X射線源系統(tǒng)；該系統(tǒng)通過真空環(huán)境中高速掃描電子束，轟擊金屬細(xì)絲，產(chǎn)生超短脈沖X射線裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的X射線源，通過調(diào)制柵極電壓，脈沖很難到微秒水平。無法滿足納秒甚至皮秒的超快探測(cè)需要。
[0003]發(fā)達(dá)國(guó)家較早開展了目前超短ps脈沖X射線源，采用飛秒激光轟擊真空條件下的金屬尖端實(shí)現(xiàn)皮秒量級(jí)的超快X射線脈沖發(fā)射。該方法目前較為成熟，很多的研究機(jī)構(gòu)采用此方法獲得超快X射線源進(jìn)行超快現(xiàn)象的研究。由于必須高峰值功率飛秒激光光源作為光源，成本高昂，穩(wěn)定性和可靠性不高，難以形成能夠市場(chǎng)應(yīng)用的超短脈沖X光源。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種穩(wěn)定可靠的時(shí)間分辨達(dá)到皮秒量級(jí)的X射線脈沖源系統(tǒng)，通過真空環(huán)境中高速掃描電子束，轟擊金屬細(xì)絲，產(chǎn)生超短脈沖X射線裝置;采用高速掃描的電子束轟擊金屬細(xì)絲，可以實(shí)現(xiàn)極快皮秒量級(jí)的X射線脈沖發(fā)射。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:超短脈沖X射線源系統(tǒng)，其特征在于:包括電子槍、電子光學(xué)系統(tǒng)、金屬陽(yáng)極、窗口以及真空管壁;所述電子槍是發(fā)射源，電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)在電子槍的出射光路上，電子光學(xué)系統(tǒng)包括依次設(shè)置的電子加速系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)，高速掃描系統(tǒng);所述金屬陽(yáng)極與聚焦系統(tǒng)之間加電壓形成電場(chǎng);所述電子槍、電子光學(xué)系統(tǒng)、金屬陽(yáng)極均設(shè)在真空管壁內(nèi)，窗口設(shè)在真空管壁的一側(cè)壁上。
[0006]上述電子光學(xué)系統(tǒng)包括依次設(shè)置的聚焦加速電極板以及偏轉(zhuǎn)電極板。
[0007 ]在偏轉(zhuǎn)電極加高速掃描電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的高速掃描，壓縮電子轟擊金屬陽(yáng)極的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超短脈沖X射線發(fā)射。
[0008]上述金屬陽(yáng)極是金絲或采用在透過X射線的襯底上鍍金膜并光刻的方法獲得;所述金屬絲是微米到毫米級(jí)金屬細(xì)絲，材料為金、鉬、媽、銅。
[0009]上述金絲接地，防止工作中電荷堆積。
[0010]上述聚焦加速電極板是孔狀電極板或桶裝電極。
[0011]真空管壁采用金屬材料，屏蔽并吸收多余X射線，防止泄漏。
[0012]上述窗口材料為透X射線的材料。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
[0014]I)本實(shí)用新型真空環(huán)境中高速掃描電子束，掃過金屬細(xì)絲時(shí)，產(chǎn)生超短脈沖X射線；
[0015]2)本實(shí)用新型采用高速掃描電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的高速掃描，壓縮電子轟擊金屬陽(yáng)極的時(shí)間，可以達(dá)到皮秒量級(jí)的超短脈沖X射線發(fā)射；
[0016]3)本實(shí)用新型采用極細(xì)的金屬陽(yáng)極，例如金陽(yáng)極，大大減少了電子轟擊陽(yáng)極的時(shí)間；
[0017]4)本實(shí)用新型金屬陽(yáng)極可以采用在透過X射線的襯底上鍍金膜，并光刻的方法得到；
[0018]5)本實(shí)用新型可以產(chǎn)生連續(xù)X射線脈沖，并且占空比可控;在連續(xù)脈沖工作時(shí)，可以采用金屬網(wǎng)或者光刻金屬圖形，經(jīng)掃描電子轟擊產(chǎn)生高速超短X脈沖序列；
[0019]6)系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)掃描速度，可以調(diào)節(jié)發(fā)射X射線的脈沖寬度；
[0020]7)系統(tǒng)中可以具有電子聚焦系統(tǒng)，采用電場(chǎng)或磁場(chǎng)形式聚焦電子束，有利于縮短X射線脈沖時(shí)間寬度；
[0021]8)通過調(diào)節(jié)掃描電壓的掃描周期調(diào)節(jié)發(fā)射X射線的重復(fù)頻率；
[0022]9)可以通過調(diào)節(jié)電子槍和加速電極的電場(chǎng)強(qiáng)度，調(diào)節(jié)發(fā)射X射線的能量和強(qiáng)度。
[0023]10)本實(shí)用新型具有可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0024]圖1是本實(shí)用新型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0025]圖2是本實(shí)用新型系統(tǒng)的電子光學(xué)系統(tǒng)示意圖；
[0026]其中:I一電子槍;2—聚焦加速電極板;3—偏轉(zhuǎn)電極板;4一金絲;5—窗口；6—真空管壁；
【具體實(shí)施方式】
[0027]參見圖1、圖2，本實(shí)用新型提供的測(cè)試裝置包括:高速掃描電子光學(xué)系統(tǒng)，超短脈沖X射線發(fā)射系統(tǒng)；
[0028]其原理主要是:真空環(huán)境中，電子槍I發(fā)射電子束，經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行加速和聚焦，并進(jìn)入雙板電極間在高速掃描電壓下進(jìn)行高速掃描，陽(yáng)極為微米量級(jí)寬度的金屬細(xì)絲，材料可選金等具有良好X射線發(fā)射能力的材料，電子束轟擊到金陽(yáng)極產(chǎn)生X射線脈沖，電子轟擊到金陽(yáng)極的時(shí)間由掃描速度控制，通常與陽(yáng)極的寬度成正比與掃描的速度成反比。所以通過減小陽(yáng)極寬度和提高掃描速度使電子轟擊金陽(yáng)極的時(shí)間在皮秒量級(jí)，產(chǎn)生的X射線可以達(dá)到皮秒的高速脈沖，經(jīng)過光窗輸出。可以將X射線源應(yīng)用于各種環(huán)境。
[0029]下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0030]當(dāng)電子槍I作為陽(yáng)極發(fā)射電子，通過控制陽(yáng)極電壓控制電子發(fā)射的速度，通過優(yōu)選電子槍，調(diào)整電子發(fā)射的電子密度。
[0031]電子在加速電壓下加速飛向陽(yáng)極，期間經(jīng)過電子光學(xué)聚焦，將電子束斑壓縮，控制在微米量級(jí)，可以提高電子轟擊陽(yáng)極的能量密度，減小轟擊陽(yáng)極的時(shí)間。中間設(shè)置雙板電極，對(duì)經(jīng)過的電子束進(jìn)行高速掃描?？梢哉{(diào)制掃描電子轟擊陽(yáng)極細(xì)絲的時(shí)間寬度，電子轟擊金屬時(shí)，使金屬材料內(nèi)層電子脫離原子形成空位，外層電子發(fā)生躍迀至內(nèi)層空位，放出X射線，形成超短脈沖X發(fā)射。目前掃描電路可實(shí)現(xiàn)周期為納秒以下的高速掃描，掃描的行程在厘米范圍量級(jí)，金絲的加工直徑可以達(dá)到20微米以下。例如采用掃描行程20毫米，金絲直徑20微米，掃描單程時(shí)間I納秒，這樣聚焦電子與金絲的作用時(shí)間:
[0032]20um/20mm X Ins = lns/1000 = Ips
[0033]這樣電子短時(shí)間轟擊金絲產(chǎn)生的X射線的脈沖寬度可以控制在ps水平。由于電子轟擊金材料相互作用的時(shí)間很短，脈沖展寬效應(yīng)很短，可以忽略。進(jìn)一步提高掃描速度可以大大提高脈沖速度。
[0034]參見圖1，本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施的裝置包括電子槍I，聚焦加速電極板2，偏轉(zhuǎn)電極板3，金絲4，窗口 5，真空管壁6。
[0035]電子槍I作為電子發(fā)射源?？梢圆捎脽犭娮影l(fā)射的電子槍，或者光電陰極。用以產(chǎn)生穩(wěn)定的電子源。
[0036]電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子加速系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)，高速掃描系統(tǒng)。掃描速度可達(dá)納秒以下水平，聚焦電子束斑到微米水平;用以加速和聚焦電子，同時(shí)對(duì)電子束進(jìn)行高速的掃描；
[0037]加速系統(tǒng)即是加速電極形成電場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行加速，提高電子能量提高X射線的產(chǎn)生幾率；
[0038]聚焦系統(tǒng)采用加壓電極或稱磁場(chǎng)形成電場(chǎng)或磁場(chǎng)透鏡，對(duì)電子進(jìn)行聚焦，壓縮電子與金絲的作用時(shí)間。
[0039]高速掃描系統(tǒng)，是側(cè)向電場(chǎng)電極高速變化電場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的偏轉(zhuǎn)角度的高速調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電子束與金絲的短時(shí)間相互作用。
[0040]加速系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)，高速掃描系統(tǒng)采用聚焦加速電極板2以及偏轉(zhuǎn)電極板3;
[0041]金屬陽(yáng)極采用金絲4，金屬陽(yáng)極與聚焦電極之間加電壓形成電場(chǎng)，確保電子向陽(yáng)極的運(yùn)動(dòng)。
[0042]金屬陽(yáng)極細(xì)絲，例如采用金、鉬、鎢、銅等X射線發(fā)射率較高的材料，具有良好的延展性，可拉制成微米級(jí)的細(xì)絲，或者在透過X射線的襯底上鍍金膜，并光刻的方法得到；同時(shí)X射線發(fā)射能力較好;在連續(xù)脈沖工作時(shí)，可以采用金屬網(wǎng)或者光刻金屬圖形，經(jīng)掃描電子轟擊產(chǎn)生高速超短X脈沖序列；
[0043]整個(gè)裝置為真空系統(tǒng)，各個(gè)部件均設(shè)在真空管壁6內(nèi)，電子的產(chǎn)生、掃描、轟擊產(chǎn)生X射線，過程在真空中進(jìn)行，產(chǎn)生的X射線經(jīng)過光窗從真空系統(tǒng)中發(fā)射出來，進(jìn)入應(yīng)用環(huán)境。
[0044]實(shí)際使用時(shí)，電子槍I采用獨(dú)立供電的模塊，孔狀電極板可以形成透鏡狀的電場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行聚焦，也可以采用桶裝等電極形成磁場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行磁聚焦，壓縮焦斑尺寸;在電子槍I和孔狀電極之間加電場(chǎng)，對(duì)電子進(jìn)行加速，提高電子的能量，可以提高X射線的產(chǎn)生效率。
[0045]掃描的雙板電極根據(jù)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，在雙板電極之間加高速掃描電壓，由掃描電壓模塊提供電信號(hào)。金屬細(xì)絲需要接地，防止工作中電荷堆積。
[0046]管壁采用金屬材料如不銹鋼等，可以屏蔽并吸收多余X射線;防止泄漏；
[0047]窗口5材料為石英等透X射線的材料。
[0048]系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)掃描速度，可以調(diào)節(jié)發(fā)射X射線的脈沖寬度；
[0049]可以通過調(diào)節(jié)電子槍和加速電極的電場(chǎng)強(qiáng)度，調(diào)節(jié)發(fā)射X射線的能量和強(qiáng)度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.超短脈沖X射線源系統(tǒng)，其特征在于:包括電子槍、電子光學(xué)系統(tǒng)、金屬陽(yáng)極、窗口以及真空管壁;所述電子槍是發(fā)射源，電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)在電子槍的出射光路上，電子光學(xué)系統(tǒng)包括依次設(shè)置的電子加速系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)，高速掃描系統(tǒng);所述金屬陽(yáng)極與聚焦系統(tǒng)之間加電壓形成電場(chǎng);所述電子槍、電子光學(xué)系統(tǒng)、金屬陽(yáng)極均設(shè)在真空管壁內(nèi)，窗口設(shè)在真空管壁的一側(cè)壁上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖X射線源系統(tǒng)，其特征在于:所述電子光學(xué)系統(tǒng)包括依次設(shè)置的聚焦加速電極板以及偏轉(zhuǎn)電極板。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超短脈沖X射線源系統(tǒng)，其特征在于:在偏轉(zhuǎn)電極加高速掃描電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的高速掃描，壓縮電子轟擊金屬陽(yáng)極的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超短脈沖X射線發(fā)射。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超短脈沖X射線源系統(tǒng)，其特征在于:所述金屬陽(yáng)極是金絲或采用在透過X射線的襯底上鍍金膜并光刻的方法獲得;所述金絲是微米到毫米級(jí)金屬細(xì)絲，材料為金或鉬或鎢或銅。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超短脈沖X射線源系統(tǒng)，其特征在于:所述金絲接地，防止工作中電荷堆積。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超短脈沖X射線源系統(tǒng)，其特征在于:所述聚焦加速電極板是孔狀電極板或桶狀電極。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超短脈沖X射線源系統(tǒng)，其特征在于:真空管壁采用金屬材料，屏蔽并吸收多余X射線，防止泄漏。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超短脈沖X射線源系統(tǒng)，其特征在于:所述窗口材料為透X射線的材料。
【文檔編號(hào)】H01J35/08GK205542693SQ201521052251
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2015年12月16日
【發(fā)明人】汪韜, 田進(jìn)壽, 尹飛, 辛麗偉, 閆欣, 高貴龍, 梁玲亮
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所