CN104142225A - 强流电子注微小截面光纤yag探头探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，包括高真空腔体、光纤YAG探针、柔性光缆、图像输出检测装置和探头水平运动定位装置；腔体横向安置，前端用于连接被测电子注漂移管，后端用于安置探头水平运动定位装置；探头水平运动定位装置从高真空腔体的后端插入高真空腔体内，固定连接探针，使探针的前端能够正对被测电子注漂移管并沿着高真空腔体的轴向定位和运动；探针通过柔性光缆连接至位于高真空腔体外部的图像输出检测装置；图像输出检测装置用于采集光纤YAG探针的前端端面上的在被测电子注漂移管中行进的电子注电流强度分布，并转化为光学图像。本发明能测量电子传输通道直径为10mm以下至1mm左右的电子注。

Description

强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置

技术领域

本发明涉及微波器件或强流电子注分析器探测电子枪及电子注传输过程电子光学性能的技术领域，尤其涉及超高频微波真空器件电子注漂移管的直径在几毫米以下的细小通道电子注的探测技术。

背景技术

图1是微波电真空器件强流电子注分析器所用的传统的小型电子注截面测量系统的结构示意图。该系统利用强流电子注直接轰击荧光屏或YAG屏进行检测。图2是该测量系统的荧光屏探测头机械的示意图。

如图1和图2所示，该测量系统垂直放置，强流电子注竖直向上发射直接轰击荧光屏上，荧光屏机构包括荧光屏和与荧光屏固定连接的拉杆。操作者操作该拉杆，从而荧光屏进行上下移动。

当今，随着微波频率要求越来越高，电子注的直径和器件中电子注漂移管的通道也越来越细，，对这类电子注截面进行探测的装置及其各种改进型都难以对数毫米直径的漂移管进行探测。

其次，由于器件中电子注漂移管与电子注直径很接近，都是毫米量级，在探头处荧光屏上散发的亮光在漂移管壁上的反射也影响了荧光屏电子注截面光图像的光强度测量。更麻烦的是荧光屏探头的光图像从真空腔体传递出来，所需的光通道在真空中是直线，因此所需真空腔体及检测设备的同步移动机构就长而复杂，同时测量过程中过长焦距的光学仪器带来的图像畸变就大大影响了测量荧光屏上的电子注空间分辨率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在提供一种用于探测小孔径漂移管中强流电子注电子光学性能并提高测量电子注的空间分辨率的探测装置。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，用于探测被测电子注漂移管发射的电子注的电子光学性能，包括高真空腔体、光纤YAG探针、柔性光缆、图像输出检测装置和探头水平运动定位装置；其中，所述高真空腔体横向安置，包括相对的前后两端，前端用于连接所述被测电子注漂移管，后端用于安置探头水平运动定位装置；所述探头水平运动定位装置从所述高真空腔体的后端插入所述高真空腔体内，固定连接所述光纤YAG探针，使所述光纤YAG探针的前端能够正对所述被测电子注漂移管并沿着所述高真空腔体的轴向定位和运动；所述光纤YAG探针通过所述柔性光缆连接至位于所述高真空腔体外部的图像输出检测装置；所述图像输出检测装置用于采集光纤YAG探针的前端端面上的由所述被测电子注漂移管中行进的电子注电流强度分布，并转化为光学图像。

根据本发明的具体实施方式，所述高真空腔体包括前接口、观察窗、拉杆密封装置和腔体主体，其中，所述腔体主体横向水平放置，包括相对的前后两端；所述前接口位于所述腔体主体的前端，用于连接所述被测器件漂移管；所述观察窗位于所述腔体主体的后部侧面中间，作为输出电子注光学图像的窗口；所述拉杆密封装置位于所述腔体主体的后端的正上方，用于真空密封所述探头水平运动定位装置。

根据本发明的具体实施方式，所述光纤YAG探针和柔性光缆包括光纤束，所述光纤束由每根误差不超5％的φ0.01mm或更细的均匀截面的光纤丝排列紧箍成φ5mm或更细的束，每根光纤丝从光纤YAG探针到柔性光缆、再到信号输出端，都是没有接头且按同样排列序号在整个光纤束的各个截面中排列。

根据本发明的具体实施方式，所述光纤YAG探针包括光纤YAG探头、探针尾座和探针杆体，其中，所述光纤YAG探头位于所述探针杆体的前端；所述探针尾座将所述探针杆体在水平方向上紧固在所述探头水平运动定位装置的前端部并使YAG探针无任何转动。

根据本发明的具体实施方式，所述探针尾座包括探针尾端光纤束固定环和固定连接杆，所述探针尾端光纤束固定环固接在探针杆体的后端，固定连接杆固定连接在探针尾端光纤固定环的外围。

根据本发明的具体实施方式，所述探针杆体包括光纤束、涂覆在光纤束外侧的真空绝缘密封材料涂层以及在涂层外侧的弹性皮层，所述弹性皮层由弹性真空材料缠绕。

根据本发明的具体实施方式，所述光纤YAG探头包括镀在光纤束的前端面的YAG薄层，在薄层的外表面设置有一个钼薄层。

根据本发明的具体实施方式，在光纤YAG探头的前端的外围设置有探针前端光纤束固定环和探头保护环，所述探头保护环部分叠置于探针前端光纤束固定环的外端部。

根据本发明的具体实施方式，所述图像输出检测装置包括在所述观察窗的位置密封的透明光学元件、位于腔体主体外侧且正对着观察窗的CCD相机，以及固定在腔体主体下支撑CCD相机的检测仪器支持平台。

根据本发明的具体实施方式，所述柔性光缆包括由所述光纤YAG探针延伸出来的光纤束、光纤束外侧涂覆的真空材料外涂层以及光纤束末端紧固的光纤束末端卡环，所述光纤束末端卡环用真空胶粘接固定在腔体主体的内侧的观察窗的透明光学元件内侧面的中央位置。

根据本发明的具体实施方式，所述探头水平运动定位装置位于所述腔体主体的后端的中央上部，包括探头水平运动线性轴承、带有长波纹管的运动拉杆密封装置、伺服电机系统、探头运动定位拉杆及光学平台，其中，所述探头运动拉杆通过所述运动拉杆密封装置和所述拉杆密封装置的配合伸入腔体主体的内部；所述伺服电机系统在所述光学平台上带动所述探头运动定位拉杆水平运动。

(三)有益效果

其一，本发明能测量电子传输通道直径为10mm以下至1mm左右的的超高频微波电真空器件的电子枪以及传输过程中电子注的电子光学性能的设备，对研究设计新型超高频微波电真空器件的发展能起到很重要作用。

其二，本发明可以作为一个部件提供大型多功能横向的强流电子注分析器作为关键的细束电子注探测器使用，大大提高了强流电子注分析器的应用领域。

其三，本发明具有很高的空间分辨率，能达到0.03mm。

附图说明

图1是传统的小型强流电子注截面测量系统的结构示意图；

图2是图1所示的强流电子注截面测量系统的荧光屏机构的示意图；

图3是本发明用于强流电子注微小截面光纤YAG探头的探测装置的一个实施例的示意图，该图为主视图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明的光纤YAG探针、柔性光缆的结构示意图；

图6是本发明的光纤YAG探头的结构示意图。

附图标记说明：

400.高真空腔体，401.前接口，402.观察窗，403.拉杆密封装置，404.腔体主体，405.排气管道，406.高真空排气系统，407.座架。

100.光纤YAG探针，110.光纤YAG探头，111.YAG薄层，112.钼薄层，113.探针前端光纤束固定环，114.探头保护环，120.探针尾座，121.探针尾端光纤束固定环，122.固定连接杆，130.探头杆体，101.光纤束，102.涂层，131.弹性皮层。

200.柔性光缆，201.光纤束，202.涂层，203.光纤束末端卡环，300.图像输出检测装置，301.透明光学元件，302.CCD相机，303检测仪器支持平台。

500.探头水平运动定位装置，501.探头水平运动线性轴承，502.运动拉杆密封装置，503.伺服电机系统，504.探头运动定位拉杆，505.光学平台。

具体实施方式

为了解决上述技术问题，本发明提供了强流电子注微小截面光纤探头的探测装置，该装置包括高真空腔体400，光纤YAG探针100，柔性光缆200，图像输出检测装置300，探头水平运动和定位装置500。

所述高真空腔体400横向安置，包括相对的前后两端，前端用于连接所述被测电子注漂移管，后端用于安置探头水平运动和定位装置500；所述探头水平运动定位装置500从所述高真空腔体400的后端插入所述高真空腔体400内，固定连接所述光纤YAG探针100，使所述光纤YAG探针100的前端能够正对所述被测电子注漂移管并沿着所述高真空腔体400的轴向定位和运动；所述光纤YAG探针100通过所述柔性光缆200连接至位于所述高真空腔体400外部的图像输出检测装置300；所述图像输出检测装置300用于采集光纤YAG探针100的前端端面上的由所述被测电子注漂移管中行进的电子注电流强度分布转化的光学图像。

图3是本发明的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置的一个实施例的示意图，该图为主视图，图4是图3的俯视图。如图3、4所示，该探测装置包括一个高真空腔体400、光纤YAG探针100、柔性光缆200、图像输出检测装置300、探头水平运动和定位装置500。

其中，所述高真空腔体400包括前接口401、观察窗402、拉杆密封装置403、腔体主体404，还可进一步包括座架405、排气管道406和高真空排气系统407。腔体主体404横向水平放置，包括相对的前后两端，其前端具有接口401，用于连接被测器件的电子注漂移管，便于使光纤YAG探针100从腔体主体404中伸进该漂移管检测不同截面的电子注截面电流密度分布。腔体主体404的后部侧面中间有一个观察窗402，作为输出及检测电子注光学图像的窗口。在腔体主体404的后端的正上方设置有一个拉杆密封装置403，例如是真空密封法兰盘。高真空腔体400还包括高真空排气系统407，高真空排气系统407通过排气管道406从腔体主体404的前端的侧面接入高真空腔体400，该排气系统407由机械泵、分子泵、离子泵、高真空阀门和高真空管道等组成，能在整体装置的工作状态时使所述腔体主体404的真空度达到优于1×10^-6Pa，此外高真空腔体400还配有用于固定腔体主体404的座架405，座架405能保证本发明在排气和工作时腔体400没有振动和位移。

所述光纤YAG探针100、柔性光缆200、图像输出检测装置300是本发明的核心部分。所述光纤YAG探针100和柔性光缆200主要包括高质量光学性能的光纤束101、201，在具体实施方式中，光纤束由每根误差不超5％的φ0.01mm或更细的均匀截面的光纤丝按一定截面排列紧箍成φ5mm或更细的束，束截面根据被测器件电子漂移管的孔径决定。每根光纤丝从光纤YAG探针100到柔性光缆200、再到信号输出端，都是没有接头且按同样排列序号在整个光纤束的各个截面中排列。光纤丝之间严格没有光信号相互干扰，且光纤束外层涂有真空绝缘材料薄层保护。

图5是光纤YAG探针100的示意图。如图所示，光纤YAG探针100包括光纤YAG探头110、探针尾座120和探针杆体130。光纤YAG探针100被安置于腔体主体404的中央，YAG探头110将电子注截面电流强度分布图像转变为光的强度分布图像。所述光纤YAG探头110位于所述探针杆体130的前端；探针尾座120包括探针尾端光纤束固定环121、固定连接杆122，探针尾端光纤束固定环121固接在探针杆体130的后端，固定连接杆122固定连接在探针尾端光纤固定环121的外围。探针尾座120将探针杆体130在水平方向上紧固在探头水平运动定位装置500的前端部并使YAG探针100无任何转动。随着探头水平运动定位装置500的精确定位、移动，YAG探针100可伸入被测器件的电子注漂移管中往返精确定位、运动。

所述探针杆体130包括光纤束101、涂覆在光纤束101外侧的真空绝缘密封材料涂层102以及在涂层102外侧的弹性皮层131。弹性皮层131可由具有弹性的弹簧钢带薄带或其它弹性真空材料缠绕，用于支持探针杆体130的准直状态并能轻微弹性弯曲，便于光纤YAG探针100在与探头100直径接近的被测器件电子注漂移管内伸缩。弹性皮层的一个重要功能是导走光纤YAG探头110上轰击的电子注电流，防止YAG薄层上电子堆集，拒斥电子对荧光屏的轰击。

图6是光纤YAG探头110的结构示意图。如图6所示，光纤YAG探头110包括镀在光纤束101平整光滑的前端面的YAG薄层111，在薄层111的外表面设置有一个钼薄层112，在探头110的前端的外围设置有探针前端光纤束固定环113和探头保护环114，探头保护环114部分叠置于探针前端光纤束固定环113的外端部。探头110的作用是用于探测被测器件电子注的截面电流分布，并将其转化为光学图像。

如图4所示，图像输出检测装置300，包括在观察窗402的位置密封的透明光学元件301、位于腔体主体404外侧且正对着观察窗402的CCD相机302，以及固定在腔体主体404下支撑CCD相机302的检测仪器支持平台303。CCD相机302用于检测并记录下光纤束201末端的光学图像。透明光学元件301例如是平面光学玻璃。

如图3、图4所示，柔性光缆200包括光纤YAG探针100延伸出来，由同束光缆的光纤丝束101延伸的光纤束201、光纤束外侧涂覆的真空材料外涂层202以及光纤束末端紧固的光纤束末端卡环203。如前所述其中201就是光纤束101的同一个延长束，外涂层202就是102同样外涂层，但是这条延长的光缆较柔软，可盘叠在腔体主体404底部，可将光纤YAG探头转换的光学图像无失真地传递到光纤束末端平整的端面上。光纤束末端卡环203用真空胶粘接固定在腔体主体404侧面观察窗402的透明光学元件301内侧面的中央位置。整条光缆从探针100开始，其每根光纤丝在光纤束中截面排列形状、位置顺序都严格一致，每根丝都粗细均匀且无接头。使探头110转换的光学图像精确地传递到光纤束末端端面上。

所述图像输出检测装置300是由透明光学元件301、光学图像检测仪器CCD3 02、支持CCD 302的检测仪器平台303组成的。透明光学元件301直接真空密封在观察窗402的法兰盘上，CCD 302透过该玻璃301直接采集光纤束末端端面上的电子注电流强度分布所转化的光学图像。

如图3、图4所示，探头水平运动定位装置500位于腔体主体404的后端的中央上部，包括探头水平运动线性轴承501、带有长波纹管的运动拉杆密封装置502、伺服电机系统503、探头运动定位拉杆504及光学平台505。探头运动拉杆504通过运动拉杆密封装置502和拉杆密封装置403的配合伸入腔体主体404的内部。伺服电机系统503在光学平台505上带动探头运动定位拉杆504水平运动，从而带动光纤YAG探针100在所测器件的电子漂移管中精确运动定位。其中光学平台505、线性轴承501保证了运动拉杆504在运动中的横向水平平行度。伺服电机系统503保证了运动拉杆在运动中的精确位移及定位，精度在0.05mm以内。在运动拉杆504的端部通过固定连接杆122，可牢靠固定探针尾座的探针尾端光纤固定环121并保证带动探针100没有转动，同步与拉杆504精确运动定位。

本发明工作原理

本发明利用YAG晶体受激时发出550nm波长黄绿色光的特性，以及现代光纤通讯可做出直径0.01mm以下高质量光学性能光纤丝并做成极紧密排列的大容量传输光信息的光纤光缆的技术成果和工作原理。

1、利用YAG晶体受激发出550nm波长黄绿光的特性：在本发明具体实施例中用到两种形式。

其一是在电子注调制电压在40kV以下时，我们采用电子注直接轰击YAG晶体发光的形式。YAG晶体薄层厚度0.1～0.5mm，在YAG薄层前镀钼薄层大约0.1～1μm左右使入射电子注能量减低至10keV以下，再轰击YAG晶体激发出黄绿光。在这种状态下电子注电流密度分布与受激YAG晶体发光的强度分布是成正比的，借用光强度分布图像来检测电子注电流密度分布图像。本实施例中钼薄层还可以阻挡电子枪加热阴极发出的红光透过阳极孔形成的干扰。在本实施例中也要根据不同电子注调制电压选择不同厚度钼薄层，防止电子注透不过钼层或光图像太暗不便于测量。

其二是如果电子注调制电压高于40kV时，就要采用X光轫致辐射方式。选择较厚的钼层，使电子注轰击钼片产生X光再由X光激发YAG晶体发出550nm波长的黄绿光图像，同样的，可借用光强度分布图像来检测电子注电流密度分布图像。要指出的是X光轫致辐射产生的YAG光图像空间分辨率要低于电子注直接轰击YAG晶体发光产生的空间分辨率，且与钼层厚度有关。这一方式中，电子无法穿过钼层，钼层厚度一般为数微米到数百微米。值得注意的是，钼层太厚会导致X光被钼层吸收无法在YAG晶体上形成黄绿光图像。要强调指出的是，为了防止过高能量的电子注损坏YAG晶体及钼层，在本实施例中我们使用的电子注调制电压是单脉冲窄脉宽方式，脉宽从数百纳秒到数微秒。

2、利用现代通讯中的光纤技术。目前光纤丝可做到直径小于0.01mm，光纤丝之间信息互不干扰，更方便的是光线可以在光纤中曲线传输。在本实施例中可使光纤YAG探头直径在数毫米以下，并获得高的空间分辨率，还可以将高真空腔体做的短小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

其一，可制作使用接近高频微波电真空器件强流电子注细束的漂移管口径的尺寸并深入电子注通道中的光纤YAG探头，实现对直径小于10mm以致1mm左右的器件电子注漂移管中电子枪以及电子注聚焦传输过程中的电子光学性能进行探测，这是现有设备无法实现的。

其二，可以得到电子注截面空间分辨率达到0.03mm以内的高分辨率水平，满足精确分析研究的目的。

其三，实现光路曲线传播，可减少腔体主体的尺寸，节省检测辅助的成本及空间，同时也减少了以往在检测记录图像传输过程中过长光路、光学仪器的折射聚焦过程以及产生的象差和畸变。

其四，本发明可作为一个部件将光纤探针100、柔性光缆200、图像输出检测装置300接入横向强流电子注分析仪中使用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，例如光纤YAG探头的YAG晶体可用其它高分辨率荧光物质替代；又如为减少电子轰击能量所加的金属钼薄层可用其它金属不锈钢、无氧铜等替代；再如电子注通道不是圆形而制作的变形截面光纤YAG探头等。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，用于探测被测电子注漂移管中行进的电子注的电子光学性能，其特征在于，包括高真空腔体(400)、光纤YAG探针(100)、柔性光缆(200)、图像输出检测装置(300)和探头水平运动定位装置(500)；其中，

所述高真空腔体(400)横向安置，包括相对的前后两端，前端用于连接所述被测电子注漂移管，后端用于安置所述探头水平运动定位装置(500)：

所述探头水平运动定位装置(500)从所述高真空腔体(400)的后端插入所述高真空腔体(400)内，固定连接所述光纤YAG探针(100)，使所述光纤YAG探针(100)的前端能够正对所述被测电子注漂移管并沿着所述高真空腔体(400)的轴向定位和运动；

所述光纤YAG探针(100)通过所述柔性光缆(200)连接至位于所述高真空腔体(400)外部的图像输出检测装置(300)；

所述图像输出检测装置(300)用于采集光纤YAG探针(100)的前端端面上的由所述被测电子注漂移管中行进的电子注电流强度分布，并转化为光学图像。

2.如权利要求1所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，所述高真空腔体(400)包括前接口(401)、观察窗(402)、拉杆密封装置(403)和腔体主体(404)，其中，

所述腔体主体(404)横向水平放置，包括相对的前后两端；

所述前接口(401)位于所述腔体主体(404)的前端，用于连接所述被测器件漂移管；

所述观察窗(402)位于所述腔体主体(404)的后部侧面中间，作为输出电子注光学图像的窗口；

所述拉杆密封装置(403)位于所述腔体主体(404)的后端的正上方，用于真空密封所述探头水平运动定位装置(500)。

3.如权利要求1所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，所述光纤YAG探针(100)和柔性光缆(200)包括光纤束，所述光纤束由每根误差不超5％的φ0.01mm或更细的均匀截面的光纤丝排列紧箍成φ5mm或更细的束，每根光纤丝从光纤YAG探针(100)到柔性光缆(200)、再到信号输出端，都是没有接头且按同样排列序号在整个光纤束的各个截面中排列。

4.如权利要求1所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，所述光纤YAG探针(100)包括光纤YAG探头(110)、探针尾座(120)和探针杆体(130)，其中，

所述光纤YAG探头(110)位于所述探针杆体(130)的前端；

所述探针尾座(120)将所述探针杆体(130)在水平方向上紧固在所述探头水平运动定位装置(500)的前端部。

5.如权利要求4所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，所述探针尾座(120)包括探针尾端光纤束固定环(121)和固定连接杆(122)，所述探针尾端光纤束固定环(121)固接在探针杆体(130)的后端，所述固定连接杆(122)固定连接在探针尾端光纤固定环(121)的外围。

6.如权利要求4或5所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，所述探针杆体(130)包括光纤束(101)、涂覆在光纤束(101)外侧的真空绝缘密封材料涂层(102)以及在涂层(102)外侧的弹性皮层(131)，所述弹性皮层(131)由弹性真空材料缠绕。

7.如权利要求4所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，所述光纤YAG探头(110)包括镀在光纤束(101)的前端面的YAG薄层(111)，在所述YAG薄层(111)的外表面设置有一个钼薄层(112)。

8.如权利要求7所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，在光纤YAG探头(110)的前端的外围设置有探针前端光纤束固定环(113)和探头保护环(114)，所述探头保护环(114)部分叠置于探针前端光纤束固定环(113)的外端部。

9.如权利要求2所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，所述图像输出检测装置(300)包括在所述观察窗(402)的位置密封的透明光学元件(301)、位于腔体主体(404)外侧且正对着观察窗(402)的CCD相机(302)，以及固定在腔体主体(404)下支撑CCD相机(302)的检测仪器支持平台(303)。

10.如权利要求9所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，所述柔性光缆(200)包括由所述光纤YAG探针(100)延伸出来的光纤束(201)、光纤束外侧涂覆的真空材料外涂层(202)以及光纤束末端紧固的光纤束末端卡环(203)，所述光纤束末端卡环(203)固定在腔体主体(404)的内侧的观察窗(402)的透明光学元件(301)的中央位置。

11.如权利要求2-5中任一项所述的强流电子注微小截面光纤YAG探头探测装置，其特征在于，

所述探头水平运动定位装置(500)位于所述腔体主体(404)的后端的中央上部，包括探头水平运动线性轴承(501)、带有长波纹管的运动拉杆密封装置(502)、伺服电机系统(503)、探头运动定位拉杆(504)及光学平台(505)，其中，

所述探头运动拉杆(504)通过所述运动拉杆密封装置(502)和所述拉杆密封装置(403)的配合伸入腔体主体(404)的内部；

所述伺服电机系统(503)在所述光学平台(505)上带动所述探头运动定位拉杆(504)水平运动。