倾斜型电磁聚焦系统的研究

这一课题是美国普林斯顿大学J.Lowrance博士于1978年向我提出来的。1979年他访华,1980年我访美时,我们曾就这一课题进行了讨论。实际上我们俩的工作是平行着做的,因为他接受了美国探空火箭上安装一倾斜型成像系统的任务,而我主要对理论问题感兴趣。我觉得从电子光学理论角度来看,当时的研究远远不是很深入的。于是,在国内我与方二伦一起合作研究这一课题。

倾斜型电磁聚焦系统是为了有效地使用不透明光阴极,特别是紫外灵敏光阴极和Ⅲ—Ⅴ族不透明光阴极而发展的一种新型成像系统。实质上,这种系统的电子光学场乃是一种均匀交叉场,即均匀磁场B相对于与光轴平行的均匀电场E错开或倾斜一个角度。与一般的像增强器不同的是,不透明光阴极位于倾斜型像管的后面而屏靶在前面。两者恰好颠倒了一下,并且还错开一个位置。当入射光子通过光学系统在不透明光阴极上聚焦成像时,逸出的光电子受电场加速,围着与磁场方向偏离的抛物线旋转,从而聚焦到输出端的屏靶上。不过,此时屏靶输出窗的位置并不位于与管轴相对称的两侧,而是错开一个角度。

通常对倾斜型系统的坐标系取法,一般有J.Picat、C.B.Johnson和J.Lowrance二种。因B和E以某一角度θ相交,取直角坐标系,以经过E,B平面为xz平面,而选取沿着磁场B的方向为z轴或沿着电场E的方向为z轴。这两种坐标系的取法并没有本质上的差别。

在我们研究时,一是感到无论上述哪一种坐标系的取法,其电子运动的物理概念都不够清晰;二是觉得不应走人家的老路。我们的研究一定要有所发展,有所前进。考虑再三,为了清晰地表达系统中电子运动的轨迹,我们引入随动坐标系(x-,y-,z-),给出了它与沿着磁场B的z轴的坐标系(x,y,z)的关系。最后证明了逸出电子在以基线位于yz平面的一条抛物线上做圆柱螺旋运动,并求得了以随动坐标系表示的电子轨迹解析表达式。

在研究中,有时会有意外的发现。例如,在研究在像屏上落点的均方根半径以及点列图与传递函数时,便发现其间有紧密的联系。对于所研究的系统,从理论上讲,均方根半径Δr-等于:

这里

这里,α0为初电子的逸出角(α0=0°~90°);β0为初电子的方位角(β0=0° ~360°);ξ=ε0/ε0m,ε0,ε0m分别为逸出电子的初能与最大初能量;N(ξ)为光电子发射的初能量分布;Δx,Δy分别为横向像差。

对于倾斜型系统,我们可以求得Δx-,Δy-的解析表达式。若选择某一分布(如贝塔分布)作为电子的初能分布,则由式(22)可以求得此系统中均方根半径解析表达式。

同时,在计算某一像面上的点列图与传递函数时,亦可求得均方根半径Δr-的计算值:-

式中,Δr i为以初角度(,),初能量ξi自原点逸出且携带权数为W i的电子在像面上的落点离理想像点的距离,n是总落点数,W i为逸出电子对应的权,而W sum为W i之和。

通过计算,我们发现:

(1)以二级近似横向像差公式落点计算Δr-与通过理论公式求Δr-之间存在惊人的一致性,所得到的传递函数的误差在f=200lp/mm以内仅2%,但计算时间节省了5/6。由此可见所导出的像差方程的优越性。

(2)均方根半径Δr-的大小与传递函数的优劣在各像图上是一一对应的。故可用Δr-来表征系统在该像面处的鉴别率特性。从物理意义上来说,均方根半径Δr-的大小反映了电子在该像面上落点密集的程度,而密集的电子落点必将使传递函数改善。这两者的一致性在此系统中得到证实。用Δr-这样一个单一参数进行像质评定作为辅助传递函数的一个评定指标将比较直观,便于比较。现在,在我们的像管电子光学设计软件包中,就有一项内容是采用Δr-作为评定指标(评价函数),对像管电子光学系统进行优化设计。