[發明專利]帶電粒子束或團可移動時間切片三維成像探測方法及裝置

無效

• 申請號: 201210224944.8
• 申請日: 2012-06-29
• 公開（公告）號: CN103513265A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 劉金波;郭敬為;孟慶琨;金玉奇
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及分子束、離子束及電子束實驗中的帶電粒子檢測及空間分布檢測及評價技術，特別是在分子束裝置上利用光電離或光解實驗產生的超低溫等離子體的正負離子及電子空間結構探測方面，本發明還可以用于分子束外延鍍膜、磁控濺射鍍膜、表面處理、表面研究等涉及離子束或電子束的實驗研究或生產領域。

背景技術

帶電粒子束（電子或正負離子束）的空間探測及分析評價對于分子束裝置中進行的光解或者光電離實驗十分重要，在分子束外延鍍膜、磁控濺射鍍膜、材料表面改性及相關研究中也起著關鍵作用，對于其他使用離子束（電子束）的實驗也十分必要。目前針對這類實驗的帶電粒子探測技術方法主要有以下幾種：1）采用MCP或光電倍增管等電子探測器，結合示波器探測帶電粒子的電信號強度及時間分布，但這些技術或者不能實現二維探測，只能在某一特定位置觀測帶電粒子的速度分布；2）采用成像型MCP對粒子的速度及強度信息進行探測，但這一技術只能在某一特定位置觀測帶電粒子的二維分布情況；3）離子的吸收成像技術，適用于中心靜止的帶電粒子團的探測，不適用于飛行的粒子，且受限于目前可用的激光器波長，只對于部分離子適用，另外后續數據處理技術復雜；4）離子的熒光成像技術，該技術同樣適用于中心靜止的帶電粒子團的探測，不適用于飛行的粒子，技術特點與離子吸收成像技術類似；這些技術的缺陷或適用范圍的局限性對于帶電粒子束的探測非常不利。本發明針對上述問題，提出一種普遍適用于處于一維運動狀態的各種帶電離子束（團）的切片成像方法，解決沿一維飛行的帶電粒子束（或團）的三維空間結構探測問題。發明內容：

本發明針對一維方向飛行的帶電粒子束（或團）的三維空間結構探測問題，提出一種可移動時間切片式三維成像方法，并基于此方法設計了探測設備。本發明可以用于離子（電子）束源的質量評價，離子噴射鍍膜的質量控制，分子束中帶電粒子數量、密度及空間分布和演化情況的三維成像檢測。

本發明解決其技術問題所采用的方法是：在沿一維方向高速運動的帶電粒子束或帶電粒子團的飛行路線上，放置一個可一維移動的時間切片成像型探測器。當成像器處于某一位置時，通過調整切片電壓起始點，可以對帶電粒子束（團）中不同部位進行切片成像，通過CCD等采集各個切片圖像并對切片圖像進行還原重構，可以獲得該位置處帶電粒子束（團）的內部空間結構隨時間變化情況。在帶電粒子束（團）的飛行路線上移動成像探測器，在不同位置進行切片成像，可以得到不同位置處帶電粒子束（團）的三維空間結構。

本發明通過調節切片脈沖電壓的寬度控制切片厚度，切片脈寬可低至10-2000ns量級，能實現微米級精度的帶電粒子分布探測，飛行方向上的一維空間分辨率極高。另外，本發明可以通過改變MCP所加電壓的極性，實現對各類正負離子或電子的三維切片成像探測；通過外部信號源控制脈沖電壓的起止時間，結合探測器在帶電粒子束或團飛行方向上的移動，可以探測任意位置處帶電粒子束或團隨時間的變化情況。

本發明還包含相應的帶電粒子束或團三維成像探測裝置，包括密閉的真空腔體、步進電機和移動平臺；步進電機和移動平臺置于真空腔體內，步進電機與移動平臺間傳動連接，成像型探測器放置在移動平臺上，成像型探測器由平行放置的平板狀MCP和熒光屏組成，MCP與移動平臺相垂直，帶電粒子束源置于真空腔體內一側，帶電粒子束源的出口面向MCP，MCP通過導線與真空腔體外部的脈沖直流電源相連，熒光屏通過導線與真空腔體外部的直流電源相連，熒光屏遠離MCP側與光纖傳像束輸入端面緊貼，光纖傳像束的輸出端面緊貼觀察屏的一端端面，觀察屏設置于真空腔體的側壁上，觀察屏的另一端端面外側設有CCD，CCD的鏡頭與觀察屏的端面相平行，CCD通過數據傳輸線與計算機相連；放置在移動平臺上的成像型探測器，可以通過步進電機驅動在帶電粒子束或團的飛行路線上往復移動，能夠對帶電粒子束或團飛行過程中密度分布及演變情況進行成像觀測。

本發明包含的三維成像探測裝置的平板狀MCP與熒光屏之間還設有一平行放置的輔助平板狀MCP，可以提高該成像探測裝置的靈敏度，其中輔助平板狀MCP通過導線與真空腔體外部的直流電源相連。

在該成像探測裝置中采用了柔性光纖傳像束實現熒光屏和觀察窗的耦合連接，將圖像由真空腔內傳輸到真空腔外，可以提高傳輸效率，同時減小圖像傳輸過程中的失真。