超快脈沖x射線源系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種超短脈沖X射線源系統，包括電子槍、電子光學系統、金屬陽極、窗口以及真空管壁；電子槍是發射源，電子光學系統設在電子槍的出射光路上，電子光學系統包括依次設置的電子加速系統、聚焦系統，高速掃描系統；金屬陽極與聚焦系統之間加電壓形成電場；電子槍、電子光學系統、金屬陽極均設在真空管壁內，窗口設在真空管壁的一側壁上。本實用新型是穩定可靠的時間分辨達到皮秒量級的X射線脈沖源系統，通過真空環境中高速掃描電子束，轟擊金屬細絲，產生超短脈沖X射線裝置；采用高速掃描的電子束轟擊金屬細絲，可以實現極快皮秒量級的X射線脈沖發射。
【專利說明】
超快脈沖X射線源系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種超短脈沖X射線源系統；該系統通過真空環境中高速掃描電子束，轟擊金屬細絲，產生超短脈沖X射線裝置。
【背景技術】
[0002]傳統的X射線源，通過調制柵極電壓，脈沖很難到微秒水平。無法滿足納秒甚至皮秒的超快探測需要。
[0003]發達國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現皮秒量級的超快X射線脈沖發射。該方法目前較為成熟，很多的研究機構采用此方法獲得超快X射線源進行超快現象的研究。由于必須高峰值功率飛秒激光光源作為光源，成本高昂，穩定性和可靠性不高，難以形成能夠市場應用的超短脈沖X光源。
【實用新型內容】
[0004]為了解決【背景技術】中所存在的技術問題，本實用新型提供一種穩定可靠的時間分辨達到皮秒量級的X射線脈沖源系統，通過真空環境中高速掃描電子束，轟擊金屬細絲，產生超短脈沖X射線裝置;采用高速掃描的電子束轟擊金屬細絲，可以實現極快皮秒量級的X射線脈沖發射。
[0005]本實用新型的技術解決方案是:超短脈沖X射線源系統，其特征在于:包括電子槍、電子光學系統、金屬陽極、窗口以及真空管壁;所述電子槍是發射源，電子光學系統設在電子槍的出射光路上，電子光學系統包括依次設置的電子加速系統、聚焦系統，高速掃描系統;所述金屬陽極與聚焦系統之間加電壓形成電場;所述電子槍、電子光學系統、金屬陽極均設在真空管壁內，窗口設在真空管壁的一側壁上。
[0006]上述電子光學系統包括依次設置的聚焦加速電極板以及偏轉電極板。
[0007 ]在偏轉電極加高速掃描電場實現對電子束的高速掃描，壓縮電子轟擊金屬陽極的時間，實現超短脈沖X射線發射。
[0008]上述金屬陽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金屬細絲，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]本實用新型的有益效果體現在以下幾個方面:
[0014]I)本實用新型真空環境中高速掃描電子束，掃過金屬細絲時，產生超短脈沖X射線；
[0015]2)本實用新型采用高速掃描電場實現對電子束的高速掃描，壓縮電子轟擊金屬陽極的時間，可以達到皮秒量級的超短脈沖X射線發射；
[0016]3)本實用新型采用極細的金屬陽極，例如金陽極，大大減少了電子轟擊陽極的時間；
[0017]4)本實用新型金屬陽極可以采用在透過X射線的襯底上鍍金膜，并光刻的方法得到；
[0018]5)本實用新型可以產生連續X射線脈沖，并且占空比可控;在連續脈沖工作時，可以采用金屬網或者光刻金屬圖形，經掃描電子轟擊產生高速超短X脈沖序列；
[0019]6)系統可以通過調節掃描速度，可以調節發射X射線的脈沖寬度；
[0020]7)系統中可以具有電子聚焦系統，采用電場或磁場形式聚焦電子束，有利于縮短X射線脈沖時間寬度；
[0021]8)通過調節掃描電壓的掃描周期調節發射X射線的重復頻率；
[0022]9)可以通過調節電子槍和加速電極的電場強度，調節發射X射線的能量和強度。
[0023]10)本實用新型具有可靠性高、成本低等優點。
【附圖說明】
[0024]圖1是本實用新型系統的結構不意圖；
[0025]圖2是本實用新型系統的電子光學系統示意圖；
[0026]其中:I一電子槍;2—聚焦加速電極板;3—偏轉電極板;4一金絲;5—窗口；6—真空管壁；
【具體實施方式】
[0027]參見圖1、圖2，本實用新型提供的測試裝置包括:高速掃描電子光學系統，超短脈沖X射線發射系統；
[0028]其原理主要是:真空環境中，電子槍I發射電子束，經電子光學系統進行加速和聚焦，并進入雙板電極間在高速掃描電壓下進行高速掃描，陽極為微米量級寬度的金屬細絲，材料可選金等具有良好X射線發射能力的材料，電子束轟擊到金陽極產生X射線脈沖，電子轟擊到金陽極的時間由掃描速度控制，通常與陽極的寬度成正比與掃描的速度成反比。所以通過減小陽極寬度和提高掃描速度使電子轟擊金陽極的時間在皮秒量級，產生的X射線可以達到皮秒的高速脈沖，經過光窗輸出。可以將X射線源應用于各種環境。
[0029]下面結合附圖及優選實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0030]當電子槍I作為陽極發射電子，通過控制陽極電壓控制電子發射的速度，通過優選電子槍，調整電子發射的電子密度。
[0031]電子在加速電壓下加速飛向陽極，期間經過電子光學聚焦，將電子束斑壓縮，控制在微米量級，可以提高電子轟擊陽極的能量密度，減小轟擊陽極的時間。中間設置雙板電極，對經過的電子束進行高速掃描。可以調制掃描電子轟擊陽極細絲的時間寬度，電子轟擊金屬時，使金屬材料內層電子脫離原子形成空位，外層電子發生躍迀至內層空位，放出X射線，形成超短脈沖X發射。目前掃描電路可實現周期為納秒以下的高速掃描，掃描的行程在厘米范圍量級，金絲的加工直徑可以達到20微米以下。例如采用掃描行程20毫米，金絲直徑20微米，掃描單程時間I納秒，這樣聚焦電子與金絲的作用時間:
[0032]20um/20mm X Ins = lns/1000 = Ips
[0033]這樣電子短時間轟擊金絲產生的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間很短，脈沖展寬效應很短，可以忽略。進一步提高掃描速度可以大大提高脈沖速度。
[0034]參見圖1，本實用新型優選實施的裝置包括電子槍I，聚焦加速電極板2，偏轉電極板3，金絲4，窗口 5，真空管壁6。
[0035]電子槍I作為電子發射源。可以采用熱電子發射的電子槍，或者光電陰極。用以產生穩定的電子源。
[0036]電子光學系統包括電子加速系統、聚焦系統，高速掃描系統。掃描速度可達納秒以下水平，聚焦電子束斑到微米水平;用以加速和聚焦電子，同時對電子束進行高速的掃描；
[0037]加速系統即是加速電極形成電場對電子進行加速，提高電子能量提高X射線的產生幾率；
[0038]聚焦系統采用加壓電極或稱磁場形成電場或磁場透鏡，對電子進行聚焦，壓縮電子與金絲的作用時間。
[0039]高速掃描系統，是側向電場電極高速變化電場強度，實現對電子束的偏轉角度的高速調制，實現電子束與金絲的短時間相互作用。
[0040]加速系統、聚焦系統，高速掃描系統采用聚焦加速電極板2以及偏轉電極板3;
[0041]金屬陽極采用金絲4，金屬陽極與聚焦電極之間加電壓形成電場，確保電子向陽極的運動。
[0042]金屬陽極細絲，例如采用金、鉬、鎢、銅等X射線發射率較高的材料，具有良好的延展性，可拉制成微米級的細絲，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X射線發射能力較好;在連續脈沖工作時，可以采用金屬網或者光刻金屬圖形，經掃描電子轟擊產生高速超短X脈沖序列；
[0043]整個裝置為真空系統，各個部件均設在真空管壁6內，電子的產生、掃描、轟擊產生X射線，過程在真空中進行，產生的X射線經過光窗從真空系統中發射出來，進入應用環境。
[0044]實際使用時，電子槍I采用獨立供電的模塊，孔狀電極板可以形成透鏡狀的電場對電子進行聚焦，也可以采用桶裝等電極形成磁場對電子進行磁聚焦，壓縮焦斑尺寸;在電子槍I和孔狀電極之間加電場，對電子進行加速，提高電子的能量，可以提高X射線的產生效率。
[0045]掃描的雙板電極根據需要優化設計，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。金屬細絲需要接地，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]系統可以通過調節掃描速度，可以調節發射X射線的脈沖寬度；
[0049]可以通過調節電子槍和加速電極的電場強度，調節發射X射線的能量和強度。
【主權項】
1.超短脈沖X射線源系統，其特征在于:包括電子槍、電子光學系統、金屬陽極、窗口以及真空管壁;所述電子槍是發射源，電子光學系統設在電子槍的出射光路上，電子光學系統包括依次設置的電子加速系統、聚焦系統，高速掃描系統;所述金屬陽極與聚焦系統之間加電壓形成電場;所述電子槍、電子光學系統、金屬陽極均設在真空管壁內，窗口設在真空管壁的一側壁上。2.根據權利要求1所述的超短脈沖X射線源系統，其特征在于:所述電子光學系統包括依次設置的聚焦加速電極板以及偏轉電極板。3.根據權利要求2所述的超短脈沖X射線源系統，其特征在于:在偏轉電極加高速掃描電場實現對電子束的高速掃描，壓縮電子轟擊金屬陽極的時間，實現超短脈沖X射線發射。4.根據權利要求3所述的超短脈沖X射線源系統，其特征在于:所述金屬陽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金屬細絲，材料為金或鉬或鎢或銅。5.根據權利要求4所述的超短脈沖X射線源系統，其特征在于:所述金絲接地，防止工作中電荷堆積。6.根據權利要求5所述的超短脈沖X射線源系統，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.根據權利要求6所述的超短脈沖X射線源系統，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.根據權利要求7所述的超短脈沖X射線源系統，其特征在于:所述窗口材料為透X射線的材料。
【文檔編號】H01J35/08GK205542693SQ201521052251
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年12月16日
【發明人】汪韜, 田進壽, 尹飛, 辛麗偉, 閆欣, 高貴龍, 梁玲亮
【申請人】中國科學院西安光學精密機械研究所