本實用新型屬于超快診斷技術領域，涉及一種用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦裝置。

背景技術：

人類對自然界的認識日益深入到微觀世界。反映物質世界表象最本質的過程皆發(fā)生在分子或原子內部，其相應的時間尺度均在皮秒、飛秒甚至阿秒量級(稱為超快過程)，可謂“瞬息萬變”。這些超快過程的深入了解，無不需要借助具有超高時空分辨的診斷工具來彌補人眼分辨能力(1/24秒&0.1毫米)的不足。超快電子衍射(UED)、超快電子晶體學(UEC)、超快電子顯微鏡(UEM)和條紋相機(Streak Camera)等超快診斷技術以其皮秒乃至亞飛秒量級的超高時間分辨廣泛應用于材料科學、物理學、化學以及生物學中結構相變等超快過程的探測研究，以此幫助人們了解這些快速現象變化的過程，極大地增加人類對于客觀世界認識的深度，提高人類改造自然的能力。這些超快診斷技術的關鍵在于如何獲得高電荷密度(高亮度)、高時空分辨的高質量的電子源，它決定了我們對微觀世界的探測精度。

超快電子脈沖，作為一個帶電粒子的集合，傳播過程嚴重受限于空間電荷效應(電子-電子間庫倫排斥)，其束斑形狀、大小以及各個電子的軌跡都可能被改變，往往造成電子脈沖的橫向(空間分辨)和縱向(時間分辨)展寬。然而，對于高時空分辨率探測、超快診斷設備來說，電子脈沖束斑的尺寸一定程度上直接決定了該系統(tǒng)的空間分辨能力，其必須要小于500μm左右才能提供足夠的空間分辨率進行超快過程的探測研究。參考Siwick等人的文獻，能量30keV、單脈沖電子數目10⁴、初始脈寬50fs(1fs＝10^-15s)的電子脈沖僅傳播4ns(即能量30keV的電子脈沖傳播40cm)就已經展寬至6.5ps(1ps＝10^-12s)。同時，參考Robinson等人的文獻，在陰陽極間距15mm、加速電壓45kV的前提下，初始束斑半徑200μm的電子脈沖未經聚焦壓縮傳播40cm后，自然展寬至～1.1mm，而引入強度為37.8mT的磁場聚焦后，電子束斑縮小至～100μm，空間分辨能力顯著提升。

由此可見，在超快診斷技術中，引入高穩(wěn)定性的聚焦裝置進行電子脈沖的橫向壓縮，抑制電子束空間電荷效應，減小因為空間電荷效應的存在而對電子束發(fā)散度的影響，避免其在飛行過程中沿三維空間擴散開來，在滿足時間分辨的前提下，最大程度地壓縮束斑尺寸至關重要。目前常用的電子束聚焦手段可分為：靜電聚焦和磁聚焦。

文獻Shakya M M,Chang Z.An accumulative x-ray streak camera with 280-fs resolution[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2004,5534:125-131.涉及一種電四極透鏡作聚焦裝置，其由四根柱形電極所組成，且具有兩個對稱面，利用電極間的電勢差使電子束連續(xù)通過一系列等勢面后在一個對稱面被聚焦，另一個對稱面被散焦，透鏡總的會聚特性是兩種相反特性互相抵消后的剩余，即一種“差分”結果。該靜電聚焦裝置雖具有球差較小的優(yōu)點，但是仍存在較大的畸變場，導致獲得的圖像加寬，且由于不同的電子在靜電聚焦透鏡中的加速與減速不均勻，使得脈沖出射后發(fā)生一定程度的展寬，能量彌散大，空間電荷效應顯著，對高能光電子聚焦能力較弱，而且會造成光電子減速，電子光學系統(tǒng)較長。所有這些不利因素均導致電子渡越時間彌散增大，不利于系統(tǒng)時空分辨率的提高。

相比靜電聚焦，磁聚焦具有如下優(yōu)點：①結構簡單，通過改變線圈的激勵電流可以實現焦距和放大倍數的連續(xù)調節(jié)，利用短磁聚焦可以獲得放大或縮小的電子像；而在靜電聚焦中，需要施加很高的電壓才能達到此效果。②磁聚焦激勵電流通常在0～2A之間，對應的電壓<100V，無擊穿打火問題；而在靜電透鏡的電極上通常要加上萬伏的高壓，易造成電極之間的頻繁打火。③磁透鏡的像差較小。④在磁場作用下，電子脈沖的運行軌跡發(fā)生改變而能量不變，即磁透鏡不會直接引起脈沖縱向展寬。故在超快診斷設備中，一般采用短磁聚焦裝置。

對于目前常用的磁聚焦裝置來說，線圈的熱效應是一大問題，其嚴重制約著系統(tǒng)的工作時間和工作穩(wěn)定性。發(fā)熱導致0.01A的電流波動便會使電子束發(fā)生偏轉。在長時間工作時，電流的波動引起磁線圈發(fā)熱，造成銅導線電阻增加，而電阻增加反過來加劇發(fā)熱現象惡化聚焦電流，周而復始，最終造成電子束斑的位置偏移。磁聚焦系統(tǒng)一般位于真空腔體外側，其與腔體的同軸性的好壞也嚴重影響著電子束斑的穩(wěn)定性。如若冷卻和同軸性不好，必將引起的電子束斑抖動，從而致使分辨特性下降，極大地影響電子脈沖的時空分辨能力，很大程度上導致無法進行超快現象的探測，所以必須采用有效的手段進行聚焦裝置的降溫操作和同軸性精調。同時，文獻報道的大量的超快診斷設備均將聚焦裝置放在一個固定位置上，或者非?？拷枠O，只是用來在探測器處獲得最好的聚焦電子束。從整個的實驗過程來考量，這往往可能不是最優(yōu)的聚焦位置。精密地調節(jié)磁隙相當于是調節(jié)磁場作用范圍，微調聚焦特性，使整個系統(tǒng)處于最優(yōu)的狀態(tài)。

CN1851843A和CN1851450A公開了一種飛秒電子脈沖產生和控制的裝置，其中的磁線圈作為重要的壓縮部件無法有效冷卻和同軸微調，制約著系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定工作。

文獻Robinson M S,Lane P D,Wann D A.A compact electron gun for time-resolved electron diffraction[J].Review of Scientific Instruments,2015,86(1):013109.中設計了一款磁聚焦裝置，主要由線包，磁屏蔽殼組成，通過xyz位移臺來精密調節(jié)由于繞線不均勻引起的系統(tǒng)的同軸偏差，保證電子脈沖從透鏡中心穿過。采用銅編織帶連接液氮容器進行磁透鏡的冷卻。雖然該裝置可以精確地調節(jié)同軸性和穩(wěn)定溫度，但是此方案的成本太過昂貴，造價不菲，性價比太差。

可以看出，現有超快電子脈沖橫向壓縮的裝置及方法存在無法有效冷卻，其嚴重影響工作穩(wěn)定性及時間、同軸微調以及極靴間隙精調或者成本高昂等缺點，急需一種新的高穩(wěn)定性的脈沖橫向壓縮的裝置及方法。

技術實現要素：

為了解決現有的脈沖橫向壓縮裝置冷卻效果差、同軸性調節(jié)困難、制造成本高的技術問題，本實用新型提供一種用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦裝置。

本實用新型的技術解決方案是：一種用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦裝置，其特殊之處在于：

包括同軸設置的管狀的線軸和管狀的內磁屏蔽殼；所述線軸的兩個端面上各設置有一個圓環(huán)狀擋板，擋板的內圓直徑等于線軸的直徑，擋板的外圓直徑等于內磁屏蔽殼的直徑；內磁屏蔽殼、線軸和兩個擋板共同圍成環(huán)形空腔，空腔內設置有繞在線軸上的線圈；

還包括兩個外磁屏蔽殼，第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼沿線軸的軸向扣合于內磁屏蔽殼的外側；第一外磁屏蔽殼的中心同軸設置有伸入線軸內的第一極靴，第二外磁屏蔽殼的中心同軸設置有伸入線軸內的第二極靴，第一極靴和第二極靴之間形成磁隙；

所述第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼的扣合處安裝有磁隙調節(jié)裝置；

所述第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼的外端面上設置有同軸調節(jié)裝置；

所述第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼的內端面與對應的擋板之間設置有冷卻系統(tǒng)。

上述第一外磁屏蔽殼的外端面上設置有第一同軸調節(jié)裝置，第二外磁屏蔽殼的外端面上設置有第二同軸調節(jié)裝置；所述同軸調節(jié)裝置包括多個沿徑向設置的旋轉螺釘。

上述第一外磁屏蔽殼的內端面與對應的擋板之間形成環(huán)形空腔，空腔內設置有第一冷卻室和第二冷卻室；第一冷卻室上設置有冷卻入口，第二冷卻室上設置有冷卻出口；

所述第二外磁屏蔽殼的內端面與對應的擋板之間形成環(huán)形空腔，空腔內設置有第三冷卻室；第三冷卻室通過冷卻通道分別與第一冷卻室和第二冷卻室連通。

上述冷卻通道設置在線軸內部。

上述冷卻入口位于第一冷卻室底部，所述冷卻出口位于第二冷卻室底部，所述冷卻通道位于第一冷卻室和第二冷卻室頂部。

上述第一極靴的軸向長度大于第二極靴的軸向長度。

第一外磁屏蔽殼與第二外磁屏蔽殼之間的距離等于第一極靴與第二極靴之間的距離。

上述第一極靴和第二極靴之間的距離在0-39mm內調節(jié)。

上述線軸由非磁材料制成；所述內磁屏蔽殼、第一外磁屏蔽殼和第二外磁屏蔽殼均由高磁導率材料制成。

本實用新型還提供一種用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

將用于超快電子脈沖橫向壓縮的短磁聚焦裝置套裝于超快電子運動的真空腔體外側，然后進行同軸性調節(jié)、磁隙調節(jié)和溫度控制；

同軸性調節(jié)：分別擰動第一同軸調節(jié)裝置和第二同軸調節(jié)裝置上的旋轉螺釘，調整所述短磁聚焦裝置與真空腔體之間的相對位置，保持同軸；

磁隙調節(jié)：保持第二外磁屏蔽殼位置固定，軸向移動第一外磁屏蔽殼，改變第二極靴與第一極靴之間的距離，根據磁隙調節(jié)裝置上的刻度尺判斷磁隙大??；

溫度控制：由冷卻入口通入冷卻液或者冷卻氣體，冷卻液或者冷卻氣體填充第一冷卻室后，由第一冷卻室頂部的冷卻通道流入并填充第三冷卻室，再經過另一個冷卻通道流入第二冷卻室，然后從冷卻出口導出；通過調整冷卻液或者冷卻氣體的流速來進行溫度控制。

本實用新型的有益效果在于：

(1)本實用新型具有有效冷卻線圈和同軸性可微調以及極靴間隙可精調的優(yōu)點，尤其可實現長時間穩(wěn)定工作。

(2)本實用新型通過設計冷卻系統(tǒng)，可采用風冷或者水冷進行有效降溫，解決現有聚焦系統(tǒng)長時間工作的冷卻散熱問題，提高系統(tǒng)由于線圈焦耳熱致使溫度升高造成的電流波動的工作穩(wěn)定性。

(3)本實用新型設置了同軸微調結構，可采用旋轉螺釘進行同軸調節(jié)，解決現有聚焦裝置由于器件加工和繞線均勻性引起的同軸性問題。

(4)本實用新型通過設置帶刻度的可伸縮型極靴，可連續(xù)地調節(jié)磁場作用區(qū)域，改變磁場作用中心，解決現有系統(tǒng)極靴間隙無法精確調節(jié)問題，更好地將實際壓縮效果調整到模擬設計時的性能指標，提高系統(tǒng)的時空分辨。

附圖說明

圖1為本實用新型較佳實施例的短磁聚焦裝置剖面示意圖。

圖2為本實用新型較佳實施例的短磁聚焦裝置拆分狀態(tài)示意圖。

圖3為本實用新型較佳實施例的冷卻系統(tǒng)剖面視圖。

圖4為圖3中冷卻系統(tǒng)的左視圖(透視圖)。

圖5為圖3中冷卻系統(tǒng)的右視圖。

圖6為本實用新型短磁聚焦裝置在不同磁隙寬度條件下對應的磁感應強度分布圖。

圖7為本實用新型短磁聚焦裝置的磁感應強度隨磁隙寬度的變化趨勢圖。

圖8為本實用新型短磁聚焦裝置的俯仰角指示圖。

圖9為本實用新型短磁聚焦裝置在不同俯仰角下對應的縱軸上的磁感應強度分布圖。

具體實施方式

本實用新型提供一種可進行冷卻，同時可對磁隙寬度和同軸性進行調節(jié)的短磁聚焦裝置，通過調節(jié)磁隙寬度、激勵電流以及同軸性，實現超快電子脈沖的橫向聚焦。

參見圖1和圖2，本實用新型較佳實施例的結構包括同軸設置的管狀線軸1和管狀內磁屏蔽殼2；線軸1的兩個端面上各設置有一個圓環(huán)狀擋板3，擋板的內圓直徑等于線軸的直徑，擋板的外圓直徑等于內磁屏蔽殼的直徑；內磁屏蔽殼2、線軸1和兩個擋板3共同圍成環(huán)形空腔，空腔內設置有繞在線軸上的線圈4；

該短磁聚焦裝置還包括兩個外磁屏蔽殼，第一外磁屏蔽殼5和第二外磁屏蔽殼6沿線軸1的軸向扣合于內磁屏蔽殼2的外側。內磁屏蔽殼2將線軸1包圍在內，抑制磁場的泄露。第一外磁屏蔽殼5和第二外磁屏蔽殼6進一步將磁場約束其內。兩個外磁屏蔽殼為非對稱的結構，第一外磁屏蔽殼5的軸向長度大于第二外磁屏蔽殼6的長度。

第一外磁屏蔽殼5的中心同軸設置有伸入線軸內的第一極靴7，第二外磁屏蔽殼6的中心同軸設置有伸入線軸內的第二極靴8，第一極靴7和第二極靴8之間形成磁隙；第一外磁屏蔽殼5與第二外磁屏蔽殼6之間的距離等于第一極靴7與第二極靴8之間的距離，因此通過讀取兩個外磁屏蔽殼間的距離便可以直接獲得磁隙大小。磁隙在0～39mm內精密可調，這樣可以使得磁場能夠集中在這0～39mm的間隙中，減小了磁場的橫向分布寬度同時增大了場強。使用過程中通過對短磁聚焦裝置施加不同的激勵電流便可在0～39mm磁隙處產生非均勻磁場，使得超快電子脈沖以不同的束斑大小聚焦在不同的位置上。與外磁屏蔽殼相對應的，兩個極靴也是非對稱的結構，即第一極靴7的長度大于第二極靴8的長度。初始磁隙所在位置靠近短磁聚焦裝置的一端而非位于中心，這樣設置的優(yōu)點是在某些需要電子漂移距離較小時就完成聚焦的情況下，初始磁隙位置越靠近邊緣便可以越早完成聚焦，因為短磁聚焦裝置本身也占有一定的軸向長度。

第一外磁屏蔽殼5和第二外磁屏蔽殼6的扣合處安裝有磁隙調節(jié)裝置；磁隙調節(jié)裝置9包括用于衡量第一極靴和第二極靴之間距離的精密刻度尺；通過該刻度尺可以沿軸向精確地移動定位，進而準確調節(jié)磁隙大小。

第一外磁屏蔽殼5的外端面上設置有第一同軸調節(jié)裝置10，第二外磁屏蔽殼6的外端面上設置有第二同軸調節(jié)裝置11；同軸調節(jié)裝置由多個沿徑向設置的旋轉螺釘構成；通過緩慢擰動螺釘來微調短磁聚焦裝置與真空腔體外側的同軸性，同時螺釘還可以固定調好后的狀態(tài)。

線軸可以采用不銹鋼(316L或者304L)、黃銅或者其它非磁材料；聚焦線圈采用的材料可以是0.5-1mm的銅導線；內、外磁屏蔽殼(以及極靴)采用的是具有高磁導率的軟鐵材料(μ>200)，例如純鐵、鐵鈷合金或者鐵鈷釩合金，其主要作用就是將磁場約束在狹窄的磁隙處，增加最大軸向磁場，并防止磁場泄漏，極靴處即為真正聚焦的部位；在整個內磁屏蔽殼外部還有一層厚度為1-2mm的坡莫合金，用于進一步防止磁場泄漏。

參見圖3至圖5，第一外磁屏蔽殼5的內端面與對應的擋板3之間形成環(huán)形空腔，空腔內設置有第一冷卻室12和第二冷卻室13；第一冷卻室12上設置有冷卻入口15，第二冷卻室上設置有冷卻出口16；

第二外磁屏蔽殼6的內端面與對應的擋板3之間形成環(huán)形空腔，空腔內設置有第三冷卻室14；第三冷卻室14通過冷卻通道17分別與第一冷卻室12和第二冷卻室13連通。

冷卻通道17可以設置在線軸1內部。冷卻通道的個數以兩個為佳，其中一個與第一冷卻室12連通，另外一個與第二冷卻室13連通。冷卻入口15位于第一冷卻室12底部，冷卻出口16位于第二冷卻室13底部，冷卻通道17位于第一冷卻室12和第二冷卻室13的頂部。通過接通冷卻液或者冷卻氣體可以對短磁聚焦裝置進行冷卻。

為了準確的安裝外磁屏蔽殼和準確定位冷卻入口、冷卻出口的位置，可以在線軸頂部的兩個冷卻通道之間設置前后貫通的定位孔9。

使用本實用新型提供的短磁聚焦裝置進行短磁聚焦的方法具體如下：

首先將本實用新型中的短磁聚焦裝置套裝于超快電子運動的真空腔體外側，然后進行同軸性調節(jié)、磁隙調節(jié)和溫度控制；

同軸性調節(jié)：分別擰動第一同軸調節(jié)裝置10和第二同軸調節(jié)裝置11上的旋轉螺釘，調整短磁聚焦裝置與真空腔體之間的相對位置，保持同軸；

磁隙調節(jié)：保持第二外磁屏蔽殼6位置固定，軸向移動第一外磁屏蔽殼5，改變第二極靴8與第一極靴7之間的距離，根據磁隙調節(jié)裝置上的刻度尺判斷磁隙大?。?/p>

溫度控制：由冷卻入口15通入冷卻液或者冷卻氣體，冷卻液或者冷卻氣體填充第一冷卻室12后，由第一冷卻室頂部的冷卻通道17流入并填充第三冷卻室14，再經過其他的冷卻通道17流入第二冷卻室13，然后從冷卻出口16導出；通過調整冷卻液或者冷卻氣體的流速來進行溫度控制。經過該冷卻循環(huán)后，線軸的兩個側面以及上表面均可以形成冷卻面，從而及時導走線圈產生的熱量，起到穩(wěn)定聚焦裝置溫度的效果。此循環(huán)為最合理的循環(huán)路徑，無論聚焦裝置如何調整總可以保持最大冷卻面積地進行有效冷卻。

圖6和圖7為不同磁隙寬度下對應的磁感應強度與其隨磁隙寬度的變化趨勢。加上磁屏蔽殼與極靴時磁場更加集中，峰值更強，且磁隙寬度越小，磁場越集中，峰值越大。對于同樣大小的磁場，具有極靴的短磁聚焦裝置只需較小的電流即可，有助于減少線圈發(fā)熱。

圖9為不同俯仰角下對應的縱軸(垂直于軸向方向，即y軸)上的磁感應強度分布(該俯仰角如圖8所示)。磁場隨著旋轉角度的增大向y軸負方向移動，即磁透鏡俯仰對于超快電子脈沖的聚焦有很大的影響，因而短磁聚焦裝置與其耦合的真空管道的同軸性是保證電子脈沖具有較好聚焦特性的關鍵因素。