一种电子束整形器的制作方法

本申请属于超快光电诊断领域，涉及一种带电粒子光学功能元件，尤其为一种电子束整形结构。

背景技术：

时间分辨超快现象研究正在基础研究、高新技术研究的许多领域展开，以超短电子脉冲快速控制为基础的电子光学诊断技术已成为该领域重要的研究手段，超快电子衍射仪即是此类技术的典型代表。在超快电子衍射仪中，光电阴极经由外光电效应而发射的电子脉冲被视为整个系统工作的核心，其脉冲宽度及单脉冲电子数等参数决定着超快电子衍射仪技术应用研究的广度和深度。产生脉宽在100fs左右(1fs＝10^-15s)甚至更短且单脉冲包含10³～10⁴个电子的超短电子脉冲技术早已被提上日程，然而此类技术目前仍处于研究阶段而未能进入工程应用中，其瓶颈主要是光电阴极发射光电子初能量弥散和高浓度电子脉冲中显著的空间电荷效应，这两个因素会导致严重的电子脉冲展宽。比如，对于初始脉宽为50fs、单脉冲电子数为10000的电子脉冲，在以30kev平均能量传输10cm距离之后，其脉冲宽度已达几个ps量级(1ps＝10^-12s)。因此，自从超快电子衍射技术出现以来，高亮度超短电子脉冲产生技术的研究一直处于此类技术相关研究的最前沿。

迄今为止，电子束整形方法大致分为两类：一类是采用瞬态调制电场，如基于电子脉冲展宽效应分析结果，利用瞬态调制电场对电子脉冲前后沿电子施以差别性调制以达到产生超短电子脉冲的目的，以及利用强激光场对电子脉冲的质动力学作用从待调制电子脉冲中分离出阿秒量级电子脉冲；另一类为采用静电场和(或)静磁场对电子脉冲进行时间域和(或)空间域内的调制，如基于电子脉冲展宽效应分析结果，采用新型电子光学结构电子枪设计(如“s”形或“回”字形)等方法以达到电子脉冲压缩整形的目的。

以上方法虽然在理论上被证实具有一定的可行性，但遗憾的是，这些方法均因为技术原因而存在着工程应用上的局限性。也正因此，对电子束整形技术的探索仍在继续。

技术实现要素：

本发明提出一种电子束整形器，使得调制整形效率较高，可同时实现电子束波前和径向的整形。

本发明的解决方案如下：

该电子束整形器包括一圆柱型空腔；所述圆柱型空腔的侧面为导电材料；

所述圆柱型空腔的一个端面为电介质，并在圆柱型空腔轴心位置留一小孔，供电子脉冲进入；基于电介质在所述小孔的内壁涂有导电膜作为电极施以正电位u0；所述电介质的绝对介电常数沿径向的变化规律为：ε＝k/r²，k为常数，r为径向距离(自圆柱型空腔轴心位置起算)；小孔直径与圆柱型空腔的径向尺寸a的比例不超过0.05；

所述圆柱型空腔的另一端面由导电材料的栅网组成，供电子脉冲输出；

所述栅网和圆柱型空腔的侧面均接地以保持0电位。

进一步的，所述栅网和圆柱型空腔的侧面均为金属材料。

进一步的，所述导电膜的厚度为1～2mm。

进一步的，所述小孔的半径r0为0.5～1.5mm。

本发明具有如下优点：

1、该整形器采用圆柱形空腔结构，基于一侧端面的电介质形成的小孔施以正电位，形成特定空间分布的电场，可同时实现电子束波前和径向的整形，因而其调制整形效率较高，这是传统的整形技术所不具备的。

2、该整形器的功能场为静电场，相比常用的交变场调制器，该结构操作简单，更具工程实用性和可操作性。

3、该整形器具有圆柱对称型结构，可实现较高的加工精度和组装精度，可与其他相关电子束产生系统进行无缝对接。

附图说明

图1为电子束整形器纵剖面图。其中，1-导电膜；2-电介质；3-金属侧面；4-栅网。

图2为整形器纵剖面内的电位分布图。

图3为整形器纵剖面内的电场分布图。

图4为不同纵向位置处电场纵向分量沿半径方向的变化(a＝2、b＝3)。

图5为不同纵向位置处电场横向分量沿着半径方向的变化。

图6为不同纵向位置处电场纵向分量沿着半径方向的变化(a＝1、b＝3)。

图7为不同纵向位置处电场横向分量沿着半径方向的变化，其中，(a)对应的配置为：a＝2，b＝2；(b)对应的配置为：a＝2，b＝4。

图8为空间电荷效应所致脉冲展宽后的电子脉冲前沿及边缘轮廓。

图9为展宽脉冲经补偿元件压缩后的电子脉冲前沿及边缘轮廓。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

该电子束整形器如图1所示，它为一轴对称的圆柱型空腔，oo’为系统对称轴，圆柱型空腔的一端面留一小孔供电子脉冲进入，另一端面(由栅网4组成)供脉冲输出，栅网4和圆柱型空腔的金属侧面3均接地以保持0电位。由于小孔相对于空腔其横向尺寸很小(其直径与圆柱型空腔径向长度a的比例不超过0.05)，因而可以忽略其对空腔内部电位分布的影响。同时，在实际工程应用中，脉冲电子束在空间仅占据非常小的尺寸，因而可近似认为电子脉冲电荷不影响调制器中的电位分布。小孔所在端面由同轴的圆筒形的电介质2组成，其绝对介电常数在径向的变化规律为：ε＝k/r²，k为常数，r为径向距离。在端面小孔的内壁涂以导电膜1作为一电极且施以正电位u0。根据电磁学原理知，小孔所在端面上的电位分布大致可以表示为：u(r)＝u0cos(πr/a)

以上述空腔内部区域的左下角处为原点建立直角坐标系，x和y分别沿图中的z和r方向。可知其内部电位分布满足如下的laplace方程及边界条件：

进而可得：

考虑纵向、横向尺寸(已归一化)分别为a＝2、b＝3，设u0＝1v。根据式(2)可得其纵剖面内的电位分布及电场分布，分别如图2和图3所示。几个不同纵向位置处电场的纵向分量和横向分量沿半径方向的变化如图4和图5所示。根据图2中示出的空腔中电位分布函数的调和性质，很容易由图4及图5中几个特定纵向位置——x＝0.5，x＝1.0和x＝1.5处的电场分布，得知由图3所示的纵剖面内的电场分布特点：电场分布关于y＝1.0对称。其电场的径向分量沿半径的方向向外，在任一横截面内，距离对称轴较远的地方其值较大，且随着距小孔端面距离的增加，其值也随之减小；其电场的轴向分量与通过其中的电子脉冲的渡越方向一致，而在任一横截面内，离对称轴较近的地方其值较大，其值同样也随着离小孔端面距离的增加而减小。根据空腔内部电场的分布特点可知，此整形器将对通过其中的电子脉冲的径向展宽效应具有良好的抑制作用。

当我们通过增大调整赋值电位u0以改变调制器端面的电位分布时，由电位分布表达式(2)可知，其内部电场变化规律除了数值上更大以外，其在空间的变化规律不变。当然，也可通过调整补偿元件自身的尺寸，如在横向改变端面的尺寸和在纵向改变侧面的轴向尺寸，以达到调制内部电场的效果。如图6和图7所示。在阳极所施电位不变的情况下，由描述无源空间电位分布函数的调和性质知，改变元件的横向、纵向尺寸无疑将改变其内部电场的相应分量。对比图4和图6也可看出，元件横向尺寸的改变也将严重地影响其电场的纵向分量。而由图7和图5知，除了已知的对纵向电场分量的影响外，元件纵向尺寸的调整对其内部电场横向分量的调制作用几乎可以忽略，但这样的调整可影响到电子脉冲在空腔内的渡越时间进而改变补偿元件对通过其中的光电子脉冲的压缩程度。

为采用吻合实际情况的入射电子束，这里要分析电子束中的空间电荷效应对其时空特性的影响。在径向，离轴较近的内部电子的空间电荷效应将使离轴较远的边缘电子的径向速度变大，而这将直接导致脉冲的径向展宽。这种展宽的直接后果将是边缘电子中距离轴越远的电子，其受到的径向库仑斥力越大，而这将进一步加剧电子脉冲的径向展宽；在纵向，不同离轴距离处的电子具有不同的纵向渡越时间。一般而言，离轴较近的电子的渡越时间较小，这将使脉冲前沿偏离理想的平面而形成凸曲面形状(相对与脉冲内部而言)，如图1所示。如此形状将使前沿中靠近轴的电子在随后其他电子空间电荷效应的影响下而得到加速，同样离轴较远的边缘电子将得到减速，如此将加剧电子脉冲的纵向展宽。同时，由展宽后脉冲前沿的形状即可看出，脉冲前沿中离轴较近的电子具有相对较大的纵向速度。

整形器电气参数设置为：r0＝1mm(允许范围0.5～1.5mm),a＝60mm,b＝60mm,u0＝20kv。假定具有图8所示轮廓的电子脉冲的平均动能为25kev、半径为0.5mm，当其经过该整形器时，由图2或图3可知，空腔内部形成的特定电场将对不同空间位置处的电子施加不同的电场力，如果选择合适的参数(基于上述方案通过常规仿真计算可得)，那么相应的电场力将完全抵消电子脉冲内部空间电荷效应对相应位置处电子的影响，从而在横向和纵向上有效地调控电子之间的相对位置，最终实现电子束整形(图9)，电子束半径约为0.45mm。