磁透镜内径比对条纹变像管性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院西安光学精密机械研究所 作者:刘蓉

  针对一款高时空分辨率飞秒条纹变像管的带极靴磁透镜结构,提出了更加符合实际磁场分布规律的“高斯型”磁场分析模型,并且研究了磁透镜内径比对条纹变像管时间、空间分辨特性的影响。利用Lorentz 软件数值研究了条纹变像管中不同内径比的磁透镜所产生的磁场分布,并且采用Monte-Carlo 方法对大量光电子初始参量进行抽样计算,通过跟踪行波偏转前置短磁聚焦条纹变像管中大量光电子的运行轨迹,统计分析了光电子在最佳像面上的位置分布,最后利用调制传递函数对条纹管时空分辨能力进行评价。结果表明: 当磁透镜内径比r1 /r2 = 0. 83 时,磁场对电子束进行有效聚焦,获得物理时间分辨率优于190 fs,且狭缝边缘( 狭缝总长度为6 mm) 空间分辨率达到100 lp /mm 的结果。

  磁透镜因其二阶像差系数小、聚焦情况可通过调节激磁线圈电流而方便实现,且磁线圈不需要加高电压、易绝缘、不致击穿等优点,广泛应用于高精度探测、超快诊断设备中。其中,捷克科学院科学仪器研究所I Konvalina将磁透镜与阴极透镜组合后用作商业扫描电子显微镜(SEM) 的物镜,通过对电子枪发射的电子束聚焦,形成直径极小的电子探针,实现对样品表面形貌的高分辨率探测。美国劳伦斯伯克利国家实验室冯军设计的磁透镜聚焦条纹变像管,有效提高了变像管的时空分辨能力。随着整机性能要求的不断提高,对磁透镜设计提出了更高要求。

  目前,关于磁透镜磁场分布模型,以及极靴形状对电子显微镜性能的影响已有文献报道。但是现有的“钟形”磁场分布模型与实际磁场分布有较大偏差,无法满足对磁透镜理论分析的要求,而且磁透镜结构对条纹变像管性能影响的分析报道很少。基于此,本文针对一款高时空分辨率短磁聚焦式飞秒条纹变像管,构建了更符合实际分布的磁场分布模型,分析了磁透镜内径比对磁场分布、条纹变像管时空分辨率的影响,实现了对磁透镜结构的优化设计,为条纹管的实际加工以及相机的性能改善提供了理论依据。

  1、磁透镜磁场分布模型

  目前常用的磁透镜可分为三种类型: 无铁磁透镜、带铁壳磁透镜和带极靴磁透镜,其结构如图1 所示。通过加入铁壳和极靴,可以使短磁聚焦系统的磁场分布更加集中,且在较短的轴向范围内形成很强的旋转对称磁场,有效解决静电透镜对高能光电子聚焦能力较弱,光电子减速,能量弥散大且空间电荷效应显著等缺点,通过减小电子渡越时间弥散,提高系统时间分辨率。

  图1 磁透镜的分类

  4、结论

  本文针对带极靴磁透镜结构,提出了更符合实际磁场分布规律的“高斯型”磁场模型,通过建立行波偏转器前置短磁聚焦条纹变像管的电子光学系统,对不同内径比的磁透镜在变像管电子光学系统中的磁场分布进行模拟,通过追踪大量符合一定统计分布规律光电子的运行轨迹,数值分析了磁透镜内径比对条纹管时空分辨率能力的影响。在合理控制计算精度的基础上,得出了理论上可信的结果:当磁透镜内径比r1/r2 = 0.83 时,磁场对电子束进行有效聚焦,物理时间分辨率优于190 fs,且狭缝边缘空间分辨率达到100 lp /mm。

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