《光学学报》:静电聚焦同心球系统的成像电子光学

2019年,中国工程院院士周立伟曾在《光学学报》发表系列文章《复合电磁同心球系统的成像电子光学》。2021年秋,周立伟重新梳理他在这一方向的研究,形成4篇系列文章,作为2019年文章的姊妹篇,再次选择发表在《光学学报》上。周立伟介绍,自己在钻研电子光学的过程中,主要思考了两个问题:一是近轴电子光学理论只能解决理想成像,仅适合解决邻近对称轴区域的电子光学问题,成像电子光学要研究由光阴极逸出的大物面宽电子束在系统中的行进轨迹及其成像的规律和所形成的像差。

静电聚焦同心球系统的成像电子光学C章:多电极同心球系统的电子光学

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。

静电聚焦同心球系统验证电子光学成像系统的时间像差理论

关于动态电子光学成像系统的时间像差理论,计算时间像差系数有两种方法———τ变分法和直接积分法.它们的差别在于:τ变分法计算二级几何时间像差系数必须求解微分方程,而直接积分法仅需进行积分运算.采用静电同心球系统的理想模型对这两种方法的正确性进行了检验.结果表明:这两种方法求解电子光学成像系统的时间像差系数的结果完全一致,所求得的时间色差系数与理想模型的解析解完全相同,从而证明两种方法是等价并且正确的.通过验证表明,直接积分法的计算更为简便,适于实际系统的计算与设计.

静电聚焦同心球系统的成像电子光学B章:近轴横向色差与几何横向球差

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。

静电聚焦同心球系统的成像电子光学A章:电子轨迹方程

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。

两电极静电同心球系统的近轴电子光学及其空间-时间像差

将从近轴解出发研究两电极静电同心球系统的空-时轨迹及其像差.由近轴轨迹方程和近轴运动方程出发,先求解两电极静电同心球系统中自光阴极逸出的运动电子的近轴空间-时间轨迹,然后讨论此系统的静动态电子光学及其空间-时间像差,揭示近轴光学系统成像的一般规律.文中定义和推导了各级近轴空间像差和近轴时间像差,得到了与关于近轴空间-时间像差同样的结论,表明完全可以直接由近轴轨迹方程和近轴运动方程出发来研究理想成像及其空间-时间像差.

两电极静电同心球系统的成像电子光学及其空间-时间像差

基于实际轨迹方程和电子运动方程对两电极静电同心球系统求解由光阴极逸出的运动电子的空间和时间轨迹,推导成像位置和电子飞行时间的精确和近似表达式,并由空间和时间轨迹的解析解出发讨论系统的空间-时间特性.对空间像差和时间像差给出统一的定义,即横向像差可视为近轴横向像差和几何横向像差的合成,时间像差可视为近轴时间像差和几何时间像差的合成,并导出了所有相应的像差表示式.

类同心球大物面X射线条纹管设计

等离子体诊断由于其持续时间为皮秒量级,故要求在X射线条纹相机单次测量过程中尽可能多地获取信息,其中一个有效的途径是增大其成像面积。为了解决大物面成像质量问题,基于二电极同心球静电聚焦系统,设计了一种大物面X射线条纹管。通过蒙特卡罗法仿真电子发射和龙格-库塔法追踪电子轨迹,计算得到该管型阴极有效工作面积直径为50mm,中心静态极限空间分辨率可达50lp/mm,边沿静态极限空间分辨率31lp/mm,放大倍率为1.1,整管长度600mm,管径100mm。结果显示,该条纹管满足大物面成像的要求,可用于超快事件过程中大量信息的获取。