本发明涉及半导体制备技术，具体涉及一种用于加速器的多功能阴极基底适配组件及其实现方法。
背景技术：
1、随着加速器领域的不断发展，国内外各大研究机构陆续实现了电子加速器的搭建调试和稳定运行，电子枪能够产生的电子束在束团电荷量、平均流强、纵向分布和切片发射度等方面取得了长足的进步，然而横向发射度仍然较大，距离x射线自由电子激光等加速器应用的需求仍然有较大的差距。对于经过了良好的束流动力学优化的电子枪而言，阴极产生的电子束的横向平均动能(mte)过大是目前限制束流横向发射度进一步降低的主要因素，采用mte更低的阴极将有助于电子枪性能的提升。同时，为了保证加速器系统的长期稳定运行，减少维护时间和成本，阴极的使用寿命也需要可能的长。
2、目前加速器领域常用的电子源包括光阴极、热阴极和场致发射阴极三大类，尽管使用寿命存在差异，但通常都需要定期更换以避免产生的电子束性能劣化。同时，由于电子枪的工作性能与所使用的阴极材料有着密切的关系，为了获得品质更好的电子束，研究人员需要频繁地更换电子枪中的阴极材料以进行对比研究测试。因此阴极通常安装于与电子枪系统相互独立的基底底座中。
3、根据阴极产生电子的方式和电子枪工作原理的不同，阴极基底通常需要满足特定的功能，如耐受高温、耐受高压、反射微波、透光、具备水冷回路等，因此各大加速器研究机构通常根据自身的实际需求定制阴极基底。目前加速器领域常用的阴极基底结构包括圆柱形头加螺纹底座、圆柱形头加方形底座、方形头加同轴连接底座、酒瓶形头加弹簧底座等，这些定制化的基底导致了多个问题：首先，定制化的基底使得实验室内阴极研究的成本显著增加。每种电子枪都需要进行配套的基底设计，这不仅消耗了大量的时间和资源，还增加了研究的经济成本。其次，定制化的做法大大降低了阴极研究的灵活性和效率。每次更换或测试新的阴极材料都需要定制新的基底，这限制了快速迭代和优化的能力。再者，定制化的基底通常具有较大的体积和较高的复杂度，需要占用了制备室以及转运腔内大量的空间，使得制备室与转运腔变得笨重和不便携，限制了加速器装置向紧凑化和小型化发展。最后，定制化基底无法与主流的材料分析仪器，如原子力显微镜（afm）、x射线光电子能谱仪（xps）和反射式高能电子衍射仪（rheed）等兼容，为了开展相应测试需要购买新的设备并改造样品台，增加了阴极材料物性测试的难度和成本，同时限制了跨实验室的研究测试与合作交流。
4、为了降低阴极研究的时间和经济成本，简化阴极分析测试流程，推进跨实验室的阴极研究合作，加速高性能电子源的研究和发展，有必要发展一种通用的、兼容各种类型的阴极材料和电子枪的阴极基底。
技术实现思路
1、针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于加速器的多功能阴极基底适配组件及其实现方法，用于解决加速器领域阴极基底不通用的问题，实现不同阴极材料的快速更换，并配备了激光加热、透镜聚焦、在线调焦和磁场控制的功能模块，能够精确调节电子枪工作环境参数；本发明将大大简化电子枪更换阴极的操作，提高研究效率，促进加速器电子源的性能提升和进一步发展。
2、本发明的一个目的在于提出一种用于加速器的多功能阴极基底适配组件。
3、本发明的用于加速器的多功能阴极基底适配组件包括：基底座、旗型基底、磁体、磁体固定件、激光入射通道、透镜组件、基底固定结构和适配结构；其中，基底座为金属材质，基底座的中心轴沿竖直方向，沿基底座的中心轴开设有贯穿基底座上下表面的中心通孔，中心通孔的下半部分具有内螺纹；在基底座的下半部分开设有与中心通孔共轴的环形的磁体安装槽，磁体安装槽的内径大于中心通孔的直径，并且连通基底座的下表面；在磁体安装槽内设置环形的磁体，在磁体安装槽的底部设置环形的磁体固定件将磁体固定在磁体安装槽内；在基底座的下半部分且位于磁体安装槽的外侧开设有与中心通孔共轴的部分环形通道，部分环形通道的形状为圆环形的一部分，部分环形通道的内径不小于磁体安装槽的外径；在基底座内且位于环形通道上方继续开设部分旋转抛物面形通道，部分旋转抛物面形通道的底端与部分环形通道的顶端连通，部分旋转抛物面形通道的底部外径与部分环形通道的外径一致，部分旋转抛物面形通道的外侧壁为旋转抛物面的一部分，部分旋转抛物面形通道的末端开设与其连接为一体的部分圆盘通道，部分圆盘通道的形状为圆盘的一部分，所在的平面垂直于中心轴，圆盘的中心与中心通孔共轴，连接为一体的部分环形通道、部分旋转抛物面形通道和部分圆盘通道构成激光入射通道；在基底座的上半部分且位于部分圆盘通道之上开设有基底安装槽，基底安装槽所在的平面垂直于中心轴，基底安装槽的一端连通基底座的外侧壁，另一端贯穿中心通孔；平板形的旗型基底包括连接为一体的镀膜部分、连接部分和抓取部分；旗型基底安装在基底安装槽内，镀膜部分正对中心通孔，抓取部分的末端露出基底座的外侧壁，部分旋转抛物面形通道的旋转抛物面的焦点位于的旗型基底的镀膜部分的下表面；在基底座内且位于基底安装槽之下设置有与其连接的基底固定结构；通过基底固定结构固定旗型基底并与基底座形成电接触；在基底座的外侧壁设置有适配结构，并与基底座形成电接触，旗型基底通过基底座与适配结构形成电接触，并与基底座形成电接触，适配结构连接至外部的电压源；透镜组件具有外螺纹，两个透镜组件分别通过与中心通孔的螺纹连接安装在中心通孔内，通过螺纹调节透镜组件在中心通孔内的高度，调节两个透镜组件的等效焦距，从而调节旗型基底的镀膜部分的入射光斑尺寸；
4、用于加速器的多功能阴极基底适配组件放置在镀膜腔室中的样品台上；外部的蒸发源入射至旗型基底的镀膜部分的上表面，镀膜形成电子发射膜层，电子发射膜层为光阴极膜层或热阴极膜层；在镀膜的过程中，加热激光经激光入射通道，在旋转抛物面形通道的外侧壁反射下汇聚到旗型基底的镀膜部分的下表面，为镀膜部分加热；对于电子发射膜层为光阴极膜层的情况，当旗型基底的镀膜部分为不透光材料时，外部的激发光由上至下从中心通孔的顶端沿中心轴的方向直接照射在镀膜部分的上表面，激发光阴极膜层产生光电子；当旗型基底的镀膜部分为透光材料时，外部的激发光直接照射在镀膜部分的上表面，激发光阴极膜层产生光电子，或者从中心通孔的底部沿中心轴的方向，经两个透镜组件聚焦后，照射至旗型基底的镀膜部分的下表面，再透过镀膜部分至上表面，激发光阴极膜层产生光电子；对于电子发射膜层为热阴极膜层的情况，加热激光在加热的同时作为激发光，通过直接加热镀膜部分实现间接加热热阴极膜层，从而产生热电子；通过外部的电压源向适配结构施加偏压，在镀膜部分产生垂直于旗型基底表面的电场；通过磁体在镀膜部分产生垂直于旗型基底表面的磁场；光阴极膜层产生的光电子或热阴极膜层产生的热电子在电磁场的共同作用下，在平行于电场的方向上做加速运动，在垂直于电场的方向上做圆周运动，传输至外部的收集极；测量收集极的电流达到峰值时，电子发射膜层达到了最佳厚度，停止镀膜；
5、将形成了电子发射膜层的用于加速器的多功能阴极基底适配组件放置在电子枪中，电子枪连接至外部的功率源；对于电子发射膜层为光阴极膜层的情况，外部的激发光经由中心通孔照射至光阴极膜层，激发光阴极膜层产生光电子；对于电子发射膜层为热阴极膜层的情况，加热激光作为激发光经激光入射通道，在旋转抛物面形通道的外侧壁反射下汇聚到旗型基底的镀膜部分的下表面，通过直接加热镀膜部分实现间接加热热阴极膜层，从而产生热电子；通过与电子枪连接的外部的功率源在电子枪中形成垂直于旗型基底表面的电场；通过磁体在镀膜部分产生垂直于旗型基底表面的磁场；光阴极膜层产生的光电子或热阴极膜层产生的热电子在电磁场的共同作用下，在平行于电场的方向上做加速运动，在垂直于电场的方向上做圆周运动，传输至电子枪的出口，提供给外部应用。
6、基底固定结构包括基底固定槽、压缩弹簧和滚珠；其中，在基底座内且位于基底安装槽的下表面开设有与其连通的基底固定槽，压缩弹簧的底端固定在基底固定槽底部，压缩弹簧的顶端与滚珠相连；滚珠的直径和压缩弹簧的自由长度之和大于基底固定槽的高度，且旗型基底的厚度、滚珠的直径和压缩弹簧的自由长度之和大于基底安装槽的高度和基底固定槽的高度之和，旗型基底压缩压缩弹簧，从而滚珠抵住旗型基底的下表面，通过压缩弹簧施加的反作用力固定旗型基底并与基底座形成电接触。压缩弹簧的材质为碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢、铬钒刚、不锈钢、铜或铝。滚珠的材质为不锈钢、钛、铝、镁或铜。
7、透镜组件包括透镜、透镜支架和透镜凹槽，透镜支架为不具有上底和下底的圆筒状，透镜支架的外径等于中心通孔的内径，且透镜支架外壁设置有外螺纹，在透镜支架的内壁开设有与透镜的外边缘形状一致的透镜凹槽，透镜安装在透镜凹槽内。两个透镜组件分别通过透镜支架与中心通孔的螺纹连接安装在中心通孔内，通过螺纹调节透镜组件在中心通孔内的高度，调节两个透镜的等效焦距。
8、适配结构采用旋转弹簧。
9、部分环形通道的部分环形为圆环形的1/3~2/3。部分环形通道占圆环形的比例、部分旋转抛物面形通道占旋转抛物面的比例以及部分圆盘通道占圆盘的比例相同。
10、磁体采用永磁体或电磁铁。永磁体的材质为铝镍钴、铁氧体、稀土钴或钕铁硼；永磁体固定件的材质为不锈钢、钛、铝、镁或铜。
11、进一步，环形的磁体安装槽的内壁具有螺纹，环形的磁体固定件的内壁表面具有螺纹，磁体与磁体安装槽通过螺纹连接。
12、基底安装槽包括连接为一体的中心安装槽和侧壁安装槽，中心安装槽的位置正对镀膜部分和连接部分，侧壁安装槽的位置正对抓取部分，侧壁安装槽的高度大于中心安装槽的高度，从而便于旗型基底的插入和取出。
13、透镜采用短焦透镜，透镜的焦距为1~50mm。短焦透镜的材质为熔融石英、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、硼硅玻璃、铝硅酸盐玻璃或锂玻璃。
14、在透镜支架的底部设置有调节凹槽，通过将外部磁力杆的顶端插入至调节凹槽，调节透镜支架在中心通孔中的高度，从而调节两个透镜的等效焦距。透镜支架的材质为不锈钢、钛、铝、镁或铜。
15、旗型基底的材质为不锈钢、钛、铝、镁、铜、熔融石英、金刚石或蓝宝石。基底座的材质为不锈钢、钛、铝、镁或铜。
16、光阴极膜层的厚度为10~50nm；热阴极膜层的厚度为百纳米。加热激光为红外光，波长在800~1200左右；外部激发光为可见光或紫外光，波长为200~780nm。
17、本发明的另一个目的在于提出一种用于加速器的多功能阴极基底适配组件的实现方法。
18、本发明的用于加速器的多功能阴极基底适配组件的实现方法，包括以下步骤：
19、1）组件安装：
20、a）将旗型基底安装在基底安装槽内，旗型基底的镀膜部分正对中心通孔，抓取部分的末端露出基底座的外侧壁，部分旋转抛物面形通道的旋转抛物面的焦点位于的镀膜部分的下表面；
21、b）将两个透镜组件分别通过透镜支架与中心通孔的螺纹连接安装在中心通孔内，通过螺纹调节透镜组件在中心通孔内的高度，调节两个透镜的等效焦距，从而调节旗型基底的镀膜部分的入射光斑尺寸；
22、2）镀膜形成电子发射膜层：
23、a）用于加速器的多功能阴极基底适配组件放置在镀膜腔室中的样品台上；
24、b）外部的蒸发源入射至旗型基底的镀膜部分的上表面，镀膜形成电子发射膜层，电子发射膜层为光阴极膜层或热阴极膜层；
25、c）在镀膜的过程中，加热激光经激光入射通道，在旋转抛物面形通道的外侧壁反射下汇聚到旗型基底的镀膜部分的下表面，为镀膜部分加热；
26、d）调节镀膜的厚度：
27、对于电子发射膜层为光阴极膜层的情况：
28、当旗型基底的镀膜部分为不透光材料时，外部的激发光由上至下从中心通孔的顶端沿中心轴的方向直接照射在镀膜部分的上表面，激发光阴极膜层产生光电子；
29、当旗型基底的镀膜部分为透光材料时，外部的激发光直接照射在镀膜部分的上表面，激发光阴极膜层产生光电子，或者激发光由下至上从中心通孔的底端沿中心轴的方向，经两个透镜组件聚焦后，照射至旗型基底的镀膜部分的下表面，再透过镀膜部分至上表面，激发光阴极膜层产生光电子；
30、对于电子发射膜层为热阴极膜层的情况：
31、加热激光在加热的同时作为激发光，通过直接加热镀膜部分实现间接加热热阴极膜层，从而产生热电子；
32、通过外部的电压源向适配结构施加偏压，在镀膜部分产生垂直于旗型基底表面的电场；通过磁体在镀膜部分产生垂直于旗型基底表面的磁场；
33、光阴极膜层产生的光电子或热阴极膜层产生的热电子在电磁场的共同作用下，在平行于电场的方向上做加速运动，在垂直于电场的方向上做圆周运动，传输至外部的收集极；测量收集极的电流达到峰值时，电子发射膜层达到了最佳厚度，停止镀膜；
34、3）电子发射：
35、a）将形成了电子发射膜层的用于加速器的多功能阴极基底适配组件放置在电子枪中，电子枪连接至外部的功率源；
36、b）产生光电子或热电子：
37、对于电子发射膜层为光阴极膜层的情况产生光电子：
38、外部的激发光经由中心通孔照射至镀膜部分的上表面，激发光阴极膜层产生光电子；
39、对于电子发射膜层为热阴极膜层的情况产生热电子：
40、加热激光作为激发光经激光入射通道，在旋转抛物面形通道的外侧壁反射下汇聚到旗型基底的镀膜部分的下表面，通过直接加热镀膜部分实现间接加热热阴极膜层的效果，从而产生热电子；
41、c）通过与电子枪连接的外部的功率源在电子枪中形成垂直于旗型基底表面的电场；通过磁体在镀膜部分产生垂直于旗型基底表面的磁场；
42、d）光阴极膜层产生的光电子或热阴极膜层产生的热电子在电磁场的共同作用下，在平行于电场的方向上做加速运动，在垂直于电场的方向上做圆周运动，传输至电子枪的出口，提供给外部测试及应用。
43、其中，加热激光为红外光，波长在1000nm左右；外部激发光为可见光或紫外光，波长为200~780nm。
44、在步骤2）的b）根据外部的蒸发源的不同，蒸镀形成不同的电子发射膜层：蒸发源为碱金属和iv族或v族元素，形成的电子发射膜层为光阴极膜层；蒸发源为碱金属和vi族（卤素），形成的电子发射膜层为热阴极膜层。
45、在步骤3）的b）中，对于电子发射膜层为光阴极膜层的情况产生光电子：
46、当旗型基底的镀膜部分为不透光材料时，外部的激发光由上至下从中心通孔的顶端沿中心轴的方向直接照射在镀膜部分的上表面，激发光阴极膜层产生光电子；
47、当旗型基底的镀膜部分为透光材料时，外部的激发光直接照射在镀膜部分的上表面，激发光阴极膜层产生光电子，或者激发光由下至上从中心通孔的底端沿中心轴的方向，经两个透镜组件聚焦后，照射至旗型基底的镀膜部分的下表面，再透过镀膜部分至上表面，激发光阴极膜层产生光电子。
48、本发明的优点：
49、本发明将材料科学领域常用的薄片式镀膜基底固定在适配于加速器电子枪的基底座中，制备的阴极与大多数的材料性能测试平台匹配，省去了不同类型电子枪的定制化阴极基底与材料性能测试平台的兼容问题，便于开展阴极材料的分析检测；本发明兼容多种类型的阴极材料和电子枪，对阴极基底的改造仅限于在旗型基底上面的改造，有利于开展跨实验室合作研究；由于实现了阴极材料生长与束流测试及应用的解耦合，阴极的制备与电子枪无任何关系，能够将阴极的制备与电子枪运行分离，阴极性能的研究不再影响电子枪的运行，能够加速高性能加速器电子源的研发，同时大大简化了更换阴极的流程，同时减轻了更换阴极时制备室与电子枪的真空负载，有利于保持制备室与电子枪系统的极高真空条件；同时在基底座中集成了磁场、可调焦距的透镜组件和激光入射光路，能够实现产生磁化电子束和极小尺寸电子束，以及利用红外的加热激光调控阴极温度的功能，为降低阴极产生电子束的横向平均动能提供了有效途径。
1.一种用于加速器的多功能阴极基底适配组件，其特征在于，所述多功能阴极基底适配组件包括：基底座、旗型基底、磁体、磁体固定件、激光入射通道、透镜组件、基底固定结构和适配结构；其中，基底座为金属材质，基底座的中心轴沿竖直方向，沿基底座的中心轴开设有贯穿基底座上下表面的中心通孔，中心通孔的下半部分具有内螺纹；在基底座的下半部分开设有与中心通孔共轴的环形的磁体安装槽，磁体安装槽的内径大于中心通孔的直径，并且连通基底座的下表面；在磁体安装槽内设置环形的磁体，在磁体安装槽的底部设置环形的磁体固定件将磁体固定在磁体安装槽内；在基底座的下半部分且位于磁体安装槽的外侧开设有与中心通孔共轴的部分环形通道，部分环形通道的形状为圆环形的一部分，部分环形通道的内径不小于磁体安装槽的外径；在基底座内且位于环形通道上方继续开设部分旋转抛物面形通道，部分旋转抛物面形通道的底端与部分环形通道的顶端连通，部分旋转抛物面形通道的底部外径与部分环形通道的外径一致，部分旋转抛物面形通道的外侧壁为旋转抛物面的一部分，部分旋转抛物面形通道的末端开设与其连接为一体的部分圆盘通道，部分圆盘通道的形状为圆盘的一部分，所在的平面垂直于中心轴，圆盘的中心与中心通孔共轴，连接为一体的部分环形通道、部分旋转抛物面形通道和部分圆盘通道构成激光入射通道；在基底座的上半部分且位于部分圆盘通道之上开设有基底安装槽，基底安装槽所在的平面垂直于中心轴，基底安装槽的一端连通基底座的外侧壁，另一端贯穿中心通孔；平板形的旗型基底包括连接为一体的镀膜部分、连接部分和抓取部分；旗型基底安装在基底安装槽内，镀膜部分正对中心通孔，抓取部分的末端露出基底座的外侧壁，部分旋转抛物面形通道的旋转抛物面的焦点位于的旗型基底的镀膜部分的下表面；在基底座内且位于基底安装槽之下设置有与其连接的基底固定结构；通过基底固定结构固定旗型基底并与基底座形成电接触；在基底座的外侧壁设置有适配结构，并与基底座形成电接触，旗型基底通过基底座与适配结构形成电接触，并与基底座形成电接触，适配结构连接至外部的电压源；透镜组件具有外螺纹，两个透镜组件分别通过与中心通孔的螺纹连接安装在中心通孔内，通过螺纹调节透镜组件在中心通孔内的高度，调节两个透镜组件的等效焦距，从而调节旗型基底的镀膜部分的入射光斑尺寸；
2.如权利要求1所述的多功能阴极基底适配组件，其特征在于，所述基底固定结构包括基底固定槽、压缩弹簧和滚珠；其中，在基底座内且位于基底安装槽的下表面开设有与其连通的基底固定槽，压缩弹簧的底端固定在基底固定槽底部，压缩弹簧的顶端与滚珠相连；滚珠的直径和压缩弹簧的自由长度之和大于基底固定槽的高度，且旗型基底的厚度、滚珠的直径和压缩弹簧的自由长度之和大于基底安装槽的高度和基底固定槽的高度之和，旗型基底压缩压缩弹簧，从而滚珠抵住旗型基底的下表面，通过压缩弹簧施加的反作用力固定旗型基底并与基底座形成电接触。
3.如权利要求1所述的多功能阴极基底适配组件，其特征在于，所述透镜组件包括透镜、透镜支架和透镜凹槽，透镜支架为不具有上底和下底的圆筒状，透镜支架的外径等于中心通孔的内径，且透镜支架外壁设置有外螺纹，在透镜支架的内壁开设有与透镜的外边缘形状一致的透镜凹槽，透镜安装在透镜凹槽内。
4.如权利要求1所述的多功能阴极基底适配组件，其特征在于，所述适配结构采用旋转弹簧。
5.如权利要求1所述的多功能阴极基底适配组件，其特征在于，所述基底安装槽包括连接为一体的中心安装槽和侧壁安装槽，中心安装槽的位置正对镀膜部分和连接部分，侧壁安装槽的位置正对抓取部分，侧壁安装槽的高度大于中心安装槽的高度。
6.如权利要求1所述的多功能阴极基底适配组件，其特征在于，所述透镜采用短焦透镜，透镜的焦距为1~50mm。
7.如权利要求1所述的多功能阴极基底适配组件，其特征在于，所述在透镜支架的底部设置有调节凹槽，通过将外部磁力杆的顶端插入至调节凹槽，调节透镜支架在中心通孔中的高度，从而调节透镜组的等效焦距。
8.一种如权利要求1所述的用于加速器的多功能阴极基底适配组件的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
9.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，在步骤2）的b）根据外部的蒸发源的不同，蒸镀形成不同的电子发射膜层：蒸发源为碱金属和iv族或v族元素，形成的电子发射膜层为光阴极膜层；蒸发源为碱金属和vi族，形成的电子发射膜层为热阴极膜层。
10.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，在步骤3）的b）中，对于电子发射膜层为光阴极膜层的情况产生光电子：
