一种具有浸没式静电透镜的直流光阴极超快电子枪
阅读说明：本技术 一种具有浸没式静电透镜的直流光阴极超快电子枪 (Direct current photocathode ultrafast electron gun with immersion type electrostatic lens ) 是由 李梦超 刘巧 李小菊 陈维 黄骏 王兴权 郭勇 荣垂才 袁寿财 卢秀圆 于 2021-01-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种后置安装的具有浸没式静电透镜的直流光阴极超快电子枪,包括由电场和粒子仿真程序确定的阴极、阳极、静电透镜电极,以及适合后置安装的陶瓷圆盘、细陶瓷柱、静电透镜电极陶瓷支柱、电子枪支架。阴极包括空心圆柱筒、圆形顶面、弧形连接面。阳极包括两面光滑圆盘和背侧的圆柱形凸出,其中心开有通孔。静电透镜电极包括圆形顶面、圆柱形侧面、弧形连接面,其中心开有通孔。圆形顶面中心有圆柱形凸出,该凸出的顶部环面做倒圆角处理。电子枪支架为一双圆盘连接结构,顶部圆盘与细陶瓷柱、陶瓷圆盘相连,阴极固定在陶瓷圆盘上,阳极放置于顶部圆盘中的凹槽内。静电透镜电极固定在陶瓷支柱上,该支柱固定在支架底部圆盘上。(The invention provides a post-mounted DC photocathode ultrafast electron gun with an immersed electrostatic lens, which comprises a cathode, an anode and an electrostatic lens electrode determined by an electric field and a particle simulation program, and a ceramic disc, a fine ceramic column, an electrostatic lens electrode ceramic support and an electron gun support which are suitable for post-mounting. The cathode comprises a hollow cylinder, a circular top surface and an arc-shaped connecting surface. The anode comprises a disk with two smooth surfaces and a cylindrical bulge at the back side, and a through hole is formed in the center of the disk. The electrostatic lens electrode comprises a circular top surface, a cylindrical side surface and an arc-shaped connecting surface, and a through hole is formed in the center of the electrostatic lens electrode. The center of the circular top surface is provided with a cylindrical bulge, and the ring surface of the bulged top part is rounded. The electron gun support is a double-disc connecting structure, the top disc is connected with the fine ceramic column and the ceramic disc, the cathode is fixed on the ceramic disc, and the anode is placed in the groove in the top disc. The electrostatic lens electrodes are fixed to ceramic posts fixed to a disk at the bottom of the support.)
技术领域
本发明属于超快电子衍射领域，尤其涉及一种具有浸没式静电透镜并后置安装的直流光阴极超快电子枪。
背景技术
生物、化学以及材料、信息科学等，其最关键的原发机制往往发生在分子或分子以下结构水平，时间往往在皮秒到飞秒范围，而皮秒到飞秒过程的超快探测多要借助超短脉冲激光。超快电子衍射技术（UED）正是一种利用超短脉冲激光实现时间分辨泵浦探测的技术。其原理为利用分光装置将超短脉冲激光分为两束，一束用来激发电子枪阴极，产生探针电子，另一束诱导反应区，通过控制两束激光的光程而使探针电子提前或者延迟对反应区探测，继而实现时间分辨测量。直流光阴极电子枪是超快电子衍射技术的核心部分之一，是探针电子源。
为了保证平行度，一般将电子枪的阴极、阳极等部件组合之后固定在一个支架上。然而由于阴极接有负高压电源，支架需要避免尖端、凸出、开孔、边缘、垂直交界等结构，以减少由于真空电场击穿而形成的放电。部分结构尖端（例如开孔的边缘等）非常难以消除，因此支架设计需要进行严格的电场仿真及平滑处理。从避免放电的角度来说，支架距离阴极越远越好，但这样将会造成电子枪体积过大。
由于电子空间排斥力的存在，探针电子脉冲在漂移至样品的过程中会被展宽，径向半径增大，导致电子脉冲的空间分辨率降低。磁透镜可以聚焦电子脉冲，但会导致其内的电子垂直于传播方向发生旋转，产生螺旋路径，不利于超快电子衍射技术中的“阴影法”和“纹影法”的相关应用。静电透镜利用产生的静电场来使电子脉冲聚焦，不会产生螺旋路径。可使用磁透镜和静电透镜联合聚焦以提高超快电子衍射系统的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种后置安装的具有浸没式静电透镜的直流光阴极超快电子枪，包括由电场和粒子仿真程序结果确定的阴极、阳极、静电透镜电极。
所述阴极为轴对称结构，其底部为一空心圆柱筒，顶部为一类似铃铛结构的球帽结构，所述空心圆柱筒侧面具有电极接孔，所述球帽为轴对称结构，包括顶部的第一圆形顶面和连接所述第一圆形顶面和所述空心圆柱筒侧面的第一弧形连接面。所述阳极为轴对称结构，整体为两表面光滑的圆盘，所述两表面光滑的圆盘背侧中心有第一圆柱形凸出，所述第一圆柱形凸出顶部为一光滑的半球形面，所述阳极中心开有一个 0.2mm直径第一通孔。所述静电透镜电极具有轴对称结构，包第二圆形顶面、圆柱形侧面、连接第二圆形顶面和圆柱形侧面的第二弧形连接面，所述第二圆形顶面中心有第二圆柱形凸出，所述静电透镜电极中心开有一个 4mm直径第二通孔，所述第二圆柱形凸出外侧面与第二通孔内侧面连接的顶部环形面做倒圆角处理获得第三弧形连接面。
根据电子脉冲电脑程序模拟结果，要求电场对称分布，所述电子枪具有特殊保证同轴对称的安装结构，为固定安装上述部件，采用在阳极侧的法兰后置安装，固定部件包括固定所述阴极的陶瓷圆盘和细陶瓷柱，固定所述静电透镜电极的陶瓷支柱，固定上述各部件的电子枪支架。
根据本发明的具有浸没式静电透镜的直流光阴极超快电子枪，优选地，所述陶瓷支柱包括底部圆盘和圆柱，中心开有第三通孔，所述电子枪支架整体为一双圆盘连接结构，所述双圆盘连接结构的顶部圆盘外侧面上开有直径70mm，深1mm圆形凹槽，所述顶部圆盘与细陶瓷柱、陶瓷圆盘相连，所述陶瓷支柱固定于所述双圆盘连接结构的底部圆盘内侧面上，所述阴极固定于所述陶瓷圆盘中心，所述阳极放置于所述圆形凹槽内。
根据本发明的具有浸没式静电透镜的直流光阴极超快电子枪，优选地，所述阳极两表面光滑的圆盘直径70mm、厚1mm，所述第一圆柱形凸出高4mm、外直径2mm；所述第二圆形顶面直径20mm，所述第二弧形连接面倒圆角半径5mm，所述第二圆柱形凸出高5mm、外直径8mm，所述第三弧形连接面倒圆角半径1mm。
本发明的电子枪后置安装的固定方式保证了电场均匀对称分布，确保了电子脉冲的加速与汇聚的实现，缩小了装置体积，方便移植到其他装置上。浸没式静电透镜可以与磁透镜联合聚焦使用，使装置的空间分辨率的调节更加灵活，扩展了实验功能。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的电子枪及外围真空腔体的外部立体视图；
图2为沿图1所示中心轴线Z对电子枪外围真空腔体在X和Y方向剖切后去除四分之一所漏出的内部电子枪结构立体视图；
图3为根据本发明实施例的电子枪阴极立体视图；
图4为根据本发明实施例的电子枪阳极立体视图；
图5为根据本发明实施例的电子枪浸没式静电透镜电极及其支柱的立体视图；
图6为阴极固定部件的立体视图；
图7为根据本发明实施例的电子枪支架立体视图；
图8为根据本发明实施例的电子枪浸没式静电透镜电势分布仿真图；
图9为探针电子脉冲在本发明实施例的电子枪浸没式静电透镜下的聚焦效果粒子仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明，其中，在各个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为方便描述，在图1中绘制了坐标系，Z轴与电子枪的中心轴线重合，在本文中，“正侧”是指沿图1的所示中心轴线Z正对入射激光束13的面，而“背侧”是指背对入射激光束13的面。
图1为电子枪和外围真空腔体的外部立体视图，图2为沿图1所示中心轴线Z对电子枪外围真空腔体9在X和Y方向剖切后去除四分之一所漏出的内部电子枪结构视图。电子枪主要包括阴极1、阳极2、阴极固定圆盘3、电子枪支架4，浸没式静电透镜电极5，静电透镜陶瓷支柱6，细陶瓷柱11，上述部件组合之后固定在电子枪支撑法兰10上，并装入真空腔体9中，阴极1通过真空电极7外接负高压电源，静电透镜电极5通过真空电极8外接聚焦控制电源。入射激光13经过腔室的激光窗口12入射至阴极内部，激发出探针电子。
图3为电子枪的阴极1的外部立体视图，电子枪阴极具有轴对称结构，其底部为一空心金属圆柱筒1.1，空心圆柱筒1.1圆形侧面上开有电极接孔1.2，真空电极7的电极导线插入此孔中实现对阴极的供电。阴极顶部为一类似铃铛结构，该铃铛结构包括中心的圆形顶面1.4（所述第一圆形顶面）、连接圆形顶面1.4和圆柱1.1侧面的弧形连接面1.3（所述第一弧形连接面）。其中，所述圆形顶面1.4的直径为15mm，中心具有通光孔，表面上通过导电银胶黏有石英片，石英片上镀有纳米量级厚度的金属膜。所述弧形连接面1.3的倒角半径为13.8mm。
图4为阳极2立体视图，阳极包括圆盘2.1和圆柱形突出2.2。圆盘2.1为两表面光滑的圆盘，直径70mm厚度1mm，两面均要打磨光滑。圆柱形突出2.2（所述第一圆柱形凸出）位于圆盘背面中心，直径2mm，凸出圆盘2.1表面4mm，圆柱形突出2.2顶部做光滑处理，获得光滑的球形面2.3，半径1mm。圆盘2.1、圆柱形突出2.2中心共同开0.2mm直径的贯穿通孔2.4（所述第一通孔）。
图5为浸没式静电透镜电极5及其陶瓷支柱6的立体视图，电极5具有轴对称结构，包括圆形顶面5.3（所述第二圆形顶面）、圆柱形侧面5.1、连接圆形顶面5.3和圆柱形侧面5.1的弧形连接面5.2（所述第二弧形连接面），圆形顶面5.3中心有一圆柱形突出5.4（所述第二圆柱形凸出）。电极5中心具有贯穿的通孔5.6（所述第二通孔）。圆柱形突出5.4顶部的圆环形顶面做倒角光滑处理，因此圆柱形突出5.4的外部侧面与开孔5.6的内部侧面间通过一弧形连接面5.5（所述第三弧形连接面）相连。圆柱形侧面5.1直径30mm，高5mm，弧形连接面5.2倒圆角半径5mm，圆形顶面5.3直径20mm，圆柱形突出5.4外径8mm，凸出5.3表面5mm，开孔5.6直径4mm，弧形连接面5.5倒圆角半径1mm。
陶瓷支柱6包括底部圆盘6.1和圆柱6.2，为保证平直性，整个支柱6由整块陶瓷加工而来。支柱6中心开有通孔6.4（所述第三通孔），为电子脉冲通道。通孔6.4外围分布着四个通孔6.5，用于固定静电透镜电极5。底部圆盘6.1外围分布着四个通孔6.3，用于固定整个支柱。
图6为阴极固定陶瓷圆盘3和细陶瓷柱11的立体视图。陶瓷圆盘3中心开有通孔3.1。通孔3.1为激光通道，其周围分布着四个通孔3.2，用于固定阴极。圆盘3边缘处开有四个通孔3.3。细陶瓷柱为连接柱，一共四个，用于将圆盘3和电子枪支架4相连。陶瓷连接柱11两侧均有螺纹孔11.1。
图7为电子枪支架4的立体视图，支架4为一双金属盘连接结构，顶部圆盘中心开有一较大通孔，圆盘上表面开有圆形凹槽4.1。圆形凹槽4.1直径70mm，深1mm，用于放置阳极。凹槽4.1外侧开有4个螺纹孔4.2，用于固定陶瓷连接柱11。支架4底侧圆盘平面中心开有通孔4.4，为电子脉冲通道。支架底侧圆盘内侧开有4个螺纹孔4.5，用于固定陶瓷支柱6。支架底侧圆盘边缘侧开有4个通孔4.3，通过通孔4.3，可利用螺栓将支架4固定于电子枪支撑法兰10上。电子枪支撑法兰10中心开有通孔10.1，其外侧开有法兰刀口，可与其它装置连接。
为了进一步优化表面电场分布，保证表面平滑度，对阴极1、阳极2、静电透镜电极5、电子枪支架4表面进行机械粗抛、电解抛光、人工精抛、高真空清洗，使表面的平滑度达到微米量级。
电子枪组装：凹槽4.1底面涂抹导电银胶，将阳极2放置并粘结于此。通过通孔6.5及螺栓，将静电透镜电极5固定于支柱6上。利用通孔6.3、螺纹孔4.5及螺栓将支柱6固定于支架4底部圆盘面上。利用通孔3.3、螺纹孔11.1、螺纹孔4.2、螺栓等将陶瓷连接柱11、陶瓷圆盘3与支架4的顶部圆盘相连接。通过通孔3.2及螺栓将阴极1固定至圆盘3上。利用螺栓及通孔4.3将支架4固定于电子枪支撑法兰10上，然后将电子枪装入腔室9，用螺栓固定法兰10。装入阴极真空电极7，电极线插入连接通孔1.2中，装入真空电极8，电极线连接静电透镜电极5。由于阴极、阳极、静电透镜电极等均固定于支架上，且支架安装在阳极这一侧（背对入射激光束13）的法兰10上，故为后置安装。
支架4由整块金属挖空得到，而不使用焊接，以保证垂直度和上下两个盘面的平行。由于阴极1、阳极2、静电透镜电极5均利用支架固定，构成一体，保证了阳极圆盘面与阴极表面的平行度，保证了阴极1、阳极2、静电透镜电极5的轴中心线处在一条直线上。平行度和轴中心线对齐，是为了防止电场分布不均匀，否则局部电场过大，影响电场对电子的汇聚和加速。所有的固定部件（例如螺栓或螺杆等）都内藏或背藏，从而防止局部电场放电。电子枪内部所有金属部件均采用弱磁不锈钢，从而提高抗磁性能。
电子枪工作：激光13通过腔室激光窗口12，然后通过陶瓷圆盘3的中心开孔3.1进入阴极内部，激发阴极圆形顶面1.4表面上的金属薄膜产生电子脉冲。产生的电子脉冲由阴极和阳极之间的电场加速，然后穿过阳极中心的通孔2.4。静电透镜电极和阳极之间的电场对电子脉冲进行汇聚。接下来电子脉冲穿过通孔5.6、通孔6.4、通孔4.4离开电子枪，最后通过通孔10.1离开腔室。
图8为浸没式静电透镜电势分布仿真图，其中阳极电势为0，静电透镜电极5电势为-10000V，部分部件在图中进行了标注，相关尺寸已在上文中进行了阐述。阳极2和静电透镜电极5共同构成了浸没式静电透镜。
图9为利用粒子仿真程序对本设计下的电子脉冲进行仿真，横轴distance为距阴极表面的距离，单位为米，纵轴Radius为电子脉冲的半径。电子脉冲初始半径为50微米，初始径向扩散速度设置为0，阴极与阳极间的加速电压为-100kV。静电透镜电极5顶部弧形连接面5.5的最顶端距阴极13mm，图9中用直虚线AA’标出了浸没式静电透镜的大致位置。图9中实曲线处标有V=-10000，N=10000，其含义为该结果采用的仿真参数为静电透镜电极上电压-10000V，电子脉冲内部电子数为10000个。同理，虚曲线处标有V=-5000，N=1000，表明该结果采用的仿真参数为，静电透镜电极上电压-5000V，电子脉冲内部电子数为1000个。从图中可以看出，本发明中的浸没式静电透镜对电子脉冲具有汇聚效果。
在这里需要阐明的是，本发明中所提到的尺寸及构型只适合一定的应用场景，并不一定是其它情况的最优构型，需针对具体情况分析，利用电场及粒子程序仿真获得最适合应用场景下的设计参数。本发明所提到的尺寸及构型可作为相关科学研究及设计应用的参考。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
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