1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
环境扫描电子显微镜（ESEM）能够在低真空环境模式下对含水、含油以及生物等样品进行高分辨率观测。由于电子束通道与样品室间存在着极大的真空压差，采用真空差分结构会导致出现物镜的工作距离增加、偏转范围缩小、电子束和气体碰撞概率增加等问题，最终影响成像分辨率和效率。针对这些问题，本文从电子光学理论出发，综合考虑了ESEM中物镜结构和真空差分结构，将两者结合在一起进行优化设计，提出了一种具有可变真空结构的物镜设计方法，并搭建了实验平台，开展了物镜磁场测试、真空压差测试和分辨率测试。测试结果表明，在目前实验条件和133 Pa的低真空环境模式下，工作距离为15 mm时，20 μm×20 μm的扫描场对应的成像分辨率优于50 nm。
电子光学 物镜 可变真空结构 压差光阑 节流管
1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
棒阳极X射线源能够深入到被检物内部进行无损检测，是具有小孔腔特征的金属管壁零部件的可靠性检测的首选方法。具有良好电子光学设计的聚焦系统是棒阳极X射线源获得高分辨率检测的关键之一。首先，从电子光学理论出发，结合棒阳极X射线源的结构特点建立了聚焦系统模型。然后，优化了聚焦系统模型的电子光学参数。最后，搭建了样机，并进行了分辨率测试实验。仿真与实验结果均表明，在50~130 kV加速电压下，样机的分辨率优于50 μm。
X射线光学 棒阳极 长工作距离 电子光学 光学学报
2022, 42(22): 2234001
由所导出的阴极透镜中普遍成立的二级近轴横向色差即著名的Recknagel-Apцимович表示式出发,研究电子束形成的最小弥散圆以及最佳成像面的位置的确定,考察由物面原点发射的电子束在栅状阳极上形成的散射圆以及整个阴极面发射所形成的交叉颈,描绘由物面原点逸出的电子射束在成像段所形成的电子射线的包络。该研究有助于读者理解电子光学像管中电子行进的轨迹以及成像段的电子轨迹的发散与会聚。
成像系统 像管 成像电子光学 静电聚焦阴极透镜 电子束斑的焦散面 最小弥散圆与最佳成像面位置的确定
鉴于两电极静电聚焦同心球系统成像的定焦性质,当该系统的几何尺寸相对关系给定后,像面位置与放大率也就随之确定,改变系统的电参量引起的像面位置和放大率的变动是极其微小的。研究在由光阴极与栅状阳极组成的两电极同心球系统中插入任意多个栅极后,该系统的电子光学成像特性及其横向像差的变化规律。再次证实了在多电极静电聚焦同心球系统中,成像电子光学系统的二级近轴横向色差即 Recknagel-Apцимович公式依然成立。着重讨论了三电极静电聚焦同心球系统的电子光学成像特性。
成像系统 像管 成像电子光学 静电聚焦阴极透镜 多电极静电聚焦同心球系统 三电极静电聚焦同心球系统
在A章基础上,进一步研究两电极静电聚焦同心球系统的轴上点电子光学横向像差。研究表明,对于成像电子光学系统,由光阴极发射的电子所形成的图像弥散,其轴上点的图像弥散由近轴横向色差与几何横向球差两部分组成,这证明了在静电聚焦同心球系统中,阴极透镜的二级近轴横向色差即Recknagel-Apцимович公式普遍成立。研究了宽电子束与细电子束之间轴上点横向像差之差异,最后讨论了两电极同心球系统向近贴聚焦系统过渡的特例。
成像系统 电子光学成像系统 静电聚焦阴极透镜 静电聚焦同心球系统 近轴横向色差 几何横向球差
在成像电子光学中,静电聚焦同心球系统具有一系列宝贵的性质,其电位分布与电子轨迹能以解析形式表示,可以定量地研究系统的电子光学成像特性与横向像差。尽管前人已有不少研究,但都限于零级近似成像的认识,且其中存在着不少谬误。本系列文章将全面研究静电聚焦两电极与多电极同心球系统中电子的运动轨迹、电子光学成像特性与横向像差,探讨电子束在成像段形成的图像弥散,得出一些新的结论和认识,纠正文献中存在的一些谬误,建立自己的理论体系。本系列文章的第一篇主要探讨电子在两电极同心球系统中在静电场作用下的运动轨迹,导出了两电极静电聚焦同心球系统中自阴极面逸出的电子轨迹在极坐标系下的表示式ρ=f(φ)与圆柱坐标系下新的轨迹方程的表示式r=r(z),给出了自光阴极逸出的电子在成像段的行进轨迹的交轴位置及其斜率的近似和精确表示式。本文为全面研究静电聚焦同心球系统的电子光学性质及其像差奠定基础。
成像系统 像管 成像电子光学 静电聚焦阴极透镜 两电极静电聚焦同心球系统 电子轨迹方程
1 中国科学院 空天信息创新研究院, 北京 100407
2 中国科学院 高功率微波源与技术国防科技创新重点实验室, 北京 101407
为了实现球面栅网零件几何要素的精密测量, 快速筛选出满足电子光学设计要求的合格零件。对测量设备与附件的特点、零件的设计要求、加工工艺带来的常见超差问题进行研究。根据零件的测量要素, 从测量效率和精度的角度考虑, 选择了加装激光辅助对焦系统的影像测量仪。编写了自动测量程序, 自动将粗定位定向转为精准定位定向, 完成了零件全部几何要素的自动测量。针对“大半径、小圆弧”的测量难点, 进行了量化分析和计算, 得出了曲率半径测量结果不确定度的计算公式。最后, 讨论了测量不确定度的来源, 提出了抑制各误差源的方法。实际应用时, 利用上述影像仪完成了栅网零件的曲率半径SR、栅网球面的面轮廓度、环向栅丝同心度、径向栅丝圆分度α、全部栅丝宽度WR和WC、端面外径及其圆度、端面平面度的自动精密测量。测量时间约为传统方式的2/3, 测点数量达2 094个, 远高于手动测量方式。
球面栅网 几何要素 精密测量 电子光学 spherical grid geometrical features precision measurement electron optics
强激光与粒子束
2020, 32(8): 083002
电子光学系统是毫米波速调管长寿命和整管性能实现的关键，毫米波速调管零件尺寸较小，为了在Ka波段和W波段实现千瓦量级的输出功率，要求具有高的电子注通过率及低的阴极负荷。对Ka波段和W波段电子光学系统特性进行了分析，确定了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的设计方案，利用软件对电子枪和聚焦系统的结构进行计算，并采用CST仿真软件对设计的电子枪发射的电子注在聚焦磁场中的状态进行优化。设计出的Ka波段速调管电子光学系统，电子枪工作电压26 kV，发射电流2 A，互作用区长度30 mm，磁场强度大于0.6 T，流通达到100%。设计的W波段速调管电子光学系统，电子枪工作电压17 kV，电流0.65 A，互作用区长度20 mm，磁场大于0.9 T，流通达到100%。已制成Ka波段速调管和W波段速调管，设计的电子光学系统能够满足速调管工程化需求。
Ka波段 W波段 电子光学系统 电子枪 聚焦系统 Ka-band W-band electron optics system electron gun focusing system 强激光与粒子束
2020, 32(10): 103013
