磁透鏡內徑比對條紋變像管性能的影響
針對一款高時(shí)空分辨率飛秒條紋變像管的帶極靴磁透鏡結構，提出了更加符合實(shí)際磁場(chǎng)分布規律的“高斯型”磁場(chǎng)分析模型，并且研究了磁透鏡內徑比對條紋變像管時(shí)間、空間分辨特性的影響。利用Lorentz 軟件數值研究了條紋變像管中不同內徑比的磁透鏡所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，并且采用Monte-Carlo 方法對大量光電子初始參量進(jìn)行抽樣計算，通過(guò)跟蹤行波偏轉前置短磁聚焦條紋變像管中大量光電子的運行軌跡，統計分析了光電子在最佳像面上的位置分布，最后利用調制傳遞函數對條紋管時(shí)空分辨能力進(jìn)行評價(jià)。結果表明: 當磁透鏡內徑比r1 /r2 = 0. 83 時(shí)，磁場(chǎng)對電子束進(jìn)行有效聚焦，獲得物理時(shí)間分辨率優(yōu)于190 fs，且狹縫邊緣( 狹縫總長(cháng)度為6 mm) 空間分辨率達到100 lp /mm 的結果。
磁透鏡因其二階像差系數小、聚焦情況可通過(guò)調節激磁線(xiàn)圈電流而方便實(shí)現，且磁線(xiàn)圈不需要加高電壓、易絕緣、不致?lián)舸┑葍?yōu)點(diǎn)，廣泛應用于高精度探測、超快診斷設備中。其中，捷克科學(xué)院科學(xué)儀器研究所I Konvalina將磁透鏡與陰極透鏡組合后用作商業(yè)掃描電子顯微鏡(SEM) 的物鏡，通過(guò)對電子槍發(fā)射的電子束聚焦，形成直徑極小的電子探針，實(shí)現對樣品表面形貌的高分辨率探測。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室馮軍設計的磁透鏡聚焦條紋變像管，有效提高了變像管的時(shí)空分辨能力。隨著(zhù)整機性能要求的不斷提高，對磁透鏡設計提出了更高要求。
目前，關(guān)于磁透鏡磁場(chǎng)分布模型，以及極靴形狀對電子顯微鏡性能的影響已有文獻報道。但是現有的“鐘形”磁場(chǎng)分布模型與實(shí)際磁場(chǎng)分布有較大偏差，無(wú)法滿(mǎn)足對磁透鏡理論分析的要求，而且磁透鏡結構對條紋變像管性能影響的分析報道很少�；诖�，本文針對一款高時(shí)空分辨率短磁聚焦式飛秒條紋變像管，構建了更符合實(shí)際分布的磁場(chǎng)分布模型，分析了磁透鏡內徑比對磁場(chǎng)分布、條紋變像管時(shí)空分辨率的影響，實(shí)現了對磁透鏡結構的優(yōu)化設計，為條紋管的實(shí)際加工以及相機的性能改善提供了理論依據。
1、磁透鏡磁場(chǎng)分布模型
目前常用的磁透鏡可分為三種類(lèi)型: 無(wú)鐵磁透鏡、帶鐵殼磁透鏡和帶極靴磁透鏡，其結構如圖1 所示。通過(guò)加入鐵殼和極靴，可以使短磁聚焦系統的磁場(chǎng)分布更加集中，且在較短的軸向范圍內形成很強的旋轉對稱(chēng)磁場(chǎng)，有效解決靜電透鏡對高能光電子聚焦能力較弱，光電子減速，能量彌散大且空間電荷效應顯著(zhù)等缺點(diǎn)，通過(guò)減小電子渡越時(shí)間彌散，提高系統時(shí)間分辨率。
圖1 磁透鏡的分類(lèi)
4、結論
本文針對帶極靴磁透鏡結構，提出了更符合實(shí)際磁場(chǎng)分布規律的“高斯型”磁場(chǎng)模型，通過(guò)建立行波偏轉器前置短磁聚焦條紋變像管的電子光學(xué)系統，對不同內徑比的磁透鏡在變像管電子光學(xué)系統中的磁場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，通過(guò)追蹤大量符合一定統計分布規律光電子的運行軌跡，數值分析了磁透鏡內徑比對條紋管時(shí)空分辨率能力的影響。在合理控制計算精度的基礎上，得出了理論上可信的結果：當磁透鏡內徑比r1/r2 = 0.83 時(shí)，磁場(chǎng)對電子束進(jìn)行有效聚焦，物理時(shí)間分辨率優(yōu)于190 fs，且狹縫邊緣空間分辨率達到100 lp /mm。
