[发明专利]大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于三维无损显微观测技术领域，具体涉及大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置及其使用方法。

背景技术

X射线不仅波长短、分辨率高，而且穿透深度大，其无损成像能力为科研观察和工业检测提供了技术手段。使用X射线作为探测手段的X射线三维成像显微镜，利用不同角度的透视投影成像，结合计算机三维数字成像构造技术，以图像的形式清晰、准确、直观的展现被检测物体内部结构特征、材料的密度、有无缺陷及缺陷的位置、大小等信息，可在被检测对象无损状态下观测样品的内部结构，提供详尽的图像信息。目前动态X射线显微观测广泛应用于生物学、生命科学和工业等领域。

微束斑X射线源是产生高清晰度X射线透视显微图象的必备部件之一。通常有两种方案产生微束斑X射线源：一是普通X射线管与X射线光学元件相结合；但是，X射线光学元件在材料性能和稳定性方面要求很高，设计时需要考虑如何降低从各种X射线光学元件传输到样品上的有用X射线光子数的损失和其热负载问题；安装时要考虑有无应变、定位精确以及光学元件整体稳定性等问题；二是将高速运动的电子束会聚成微焦点，使其轰击金属靶面，产生微小束斑的X射线，即“细聚焦X射线源”；由于造价较低，控制方便，目前广泛应用于X射线显微成像和X射线显微CT等领域。

“细聚焦X射线源”通常采用两级透镜聚焦系统，距离靶平面较近的磁透镜称为物镜，距离靶面较远的磁透镜为聚光镜。靶面处入射电子束的能量，束流和束斑经过与靶材作用后，决定了X射线束的强度和分布，因此，设计优化两级透镜聚焦系统保证靶面电子束束流的同时获得小束斑一直是“细聚焦X射线源”工作者的目标。

“细聚焦X射线源”聚焦系统大多改装或参照电子显微镜用的磁透镜，当靶面处的电子束斑小时，束流较小，产生的X射线强度弱，很难获得高分辨本领的清晰像。另外，聚光镜和物镜的参数相互影响，束流切换过程比较缓慢，很难再现样品的生长、变化等的动态过程。

比如：1990年，E.J.Morton,S.Webb,J.E.Bateman.et.al.,Three-dimensionalx-raymicro-tomographyformedicalandbiologicalapplications,Phys.Med.Biol.,35(1990):805-820.文章中Morton和Webb等人通过改装实验室的电子显微镜，利用聚焦细电子束轰击钥靶产生的X射线源，当靶面处入射电子束能量为30keV、靶面电子束的束流为100μA时，电子束束斑为10μm。

1994年，K.Machin,S.Webb,Cone-beamX-raymicro-tomographyofsmallspecimens,Phys.Med.Biol，39(1994):1639-1657.文章中Machin和Webb报道：将电子显微镜电子枪发射的电子束采用磁聚焦系统会聚后轰击铜靶，在靶面入射处电子束能量小于30keV时，会聚于靶面的电子束束斑小于5μm，靶面电子束的束流近似等于200μA。

发明内容

本发明针对传统的两级透镜细聚焦X射线源中，靶面处电子束的性能由于受到物镜指标、聚光镜指标和电子间库仑力效应的因素影响，导致电子束束流的切换过程非常复杂，不利于实现动态过程的实时观测；而且物镜和聚光镜之间相互影响，很难实现独立调整。基于上述原因，本发明提出平行模式工作的两级透镜聚焦系统装置，具体是指一种大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置及其使用方法；

大束流电子束打靶微束斑X射线源的聚焦装置，包括聚光镜模块、过渡段模块、可动光阑、物镜模块和电子束通道。

该聚焦装置整体为圆柱形结构，电子枪下端固连聚光镜模块，聚光镜模块下端固连过渡段模块，过渡段模块下端固连物镜模块，过渡段模块侧面开有通孔，作为可动光阑的入口。电子束通道从上到下依次穿过聚光镜模块，过渡段模块和物镜模块，通过移动可动光阑，选择可动光阑上不同的通光孔调节靶面电子束的入射角，改变靶平面处的束流大小和束斑尺寸。

聚光镜模块包括聚光镜上下磁轭，聚光镜上下极靴以及聚光镜线圈组件。

聚光镜上磁轭与聚光镜下磁轭对扣固定放置，均采用内部中空的圆柱体，中空部分安装聚光镜线圈组件；聚光镜线圈组件为圆环形，通过线圈架安装在聚光镜上下极靴的外围，聚光镜上下极靴内部为电子束通道。

过渡段模块采用内部中空的圆柱体，垂直于可动光阑的移动通道。可动光阑上开有不同直径的通光孔，延伸到过渡段模块的电子束通道上也开有通孔，电子束通过电子束通道的通孔进入可动光阑不同的通光孔，便于控制电子束的束流。