本发明属于检测，特别涉及维恩过滤器及相关的带电粒子束检测仪器及成像设备。
背景技术：
1、维恩过滤器主要由一组同轴复合的电偏转器和磁偏转器组成，通过改变电极电压或线圈激励电流，在旁轴空间产生正交的电场和磁场，来调整或平衡作用在穿过的带电粒子上的电场力和磁场力，从而控制带电粒子的运动轨迹。由于磁场力还与质量和速度有关，故可以实现对特定质量离子的分离、特定能量的离子的分离，广泛用检测仪器领域的能谱仪或者质谱仪，在电镜领域还用于实现主电子束的单色过滤和信号电子(包括二次电子和背散射电子)离轴检测。
2、因半导体工艺及其他科研生产领域无损检测需求的要求，基于拒斥场物镜的低能高分辨率电镜得到了快速发展，作为成像核心的信号电子探测器，需要置于电子光学镜筒内，探测器必须避让主光轴，即主电子束的下行通道，置于光轴一侧或环绕光轴，相应的，为了能够检测沿轴上行的信号电子，会在探测器前引入维恩过滤器，把上行信号电子偏离轴外；根据维恩过滤器的原理，可以驱动和配比电磁激励，使得下行的主电子束所受电磁力抵消，不受维恩过滤器影响，而维恩过滤器只影响上行的信号电子，使其受到同方向的电磁力，抵达探测器被检测成像。
3、目前电镜辅助信号电子探测所用的维恩过滤器普遍有两个方面的问题：
4、1.如何降低偏转场的三次谐波分量。行业内为保证二维正交偏转器产生场的均匀性，降低偏转场的三次谐波分量，通常较多采用8极或12极结构(相关内容详见“katsushigetsuno 1，damaschin ioanoviciu 2，advances in imaging and electron physics，volume 176,2013,pages 127-150”)；其中，8极偏转器需要电源提供±v和±αv四路输出，供电复杂；12极偏转器虽电压只要±v两路(见美国专利us13292455)，但增加了电极数目，较难控制加工装配的精度。
5、电偏转器通常设计为一对正交的偏转器，以便通过对电偏转器正交方向的两对极板上的电压分量配比，调整合成场的方向，来匹配满足与磁偏转场正交的要求。由于传统的维恩过滤器是基于任意角度偏转器的设计理念，具有任意角度方向可控的偏转能力，其对偏转器的对称性结构有严格限制，最常见的是专利cn110660633b公开的基于均分四电极结构，单个电极的张角<π/2，半张角π/4对应的三次谐波sin(3π/4)≠0。该专利通过改变电极横截面形状，破坏常规的旋转对称的圆弧结构来减少三次谐波量，但有加工难度大，比较难以实现的缺点。另外该电偏转器的电极是磁性材料，兼做磁极，其上配置鞍形线圈，半张角也小于<π/4；该结构的优点是节省空间，缺点是磁极所对应的三次谐波sin(3π/4)≠0。因此使用传统的维恩过滤器无法解决上述技术问题。
6、2.如何控制磁场和电场的沿轴分布形态，实现磁场与电场共形。理想的维恩过滤器的条件需满足又称为维恩过滤器的直轴条件，意味着e(z)和b(z)形态(取其归一化分布)完全吻合，其中v为带电粒子的速度。实践中，维恩过滤器进出口两端的边缘场分布较难以吻合，在强激励的情况下，对主电子束的性能影响较大。专利cn110660633b和us13292455均在沿轴方向引入磁环，来压缩和调整轴上磁场和电场分布的同形匹配；但磁环同时又是电极，调节磁场必然影响电场，两者耦合难以快速调整获得适当的场同形分布。
技术实现思路
1、本发明的第一目的是提供一种维恩过滤器，以消除成像检测设备中带电粒子光学系统的偏转场的三次谐波分量，减小像差。
2、本发明通过以下技术方案实现：
3、一种维恩过滤器，包括电偏转器和磁偏转器；所述电偏转器包括至少一组对置的弧形的电极对，各组电极对呈同轴共圆周设置，所述电极对分别被电压激励产生各自电场；所述磁偏转器包括至少一组对置的弧形的磁极对，各组磁极对呈同轴共圆周设置，且与所述电偏转器同轴异圆周分布，所述磁极对被绕制于磁极对上的线圈激励以产生各自磁场；
4、其中，所述电极对与所述磁极对之和为至少三对；所述磁极对提供恒定方向的磁场，其余电极对提供的电场方向可调，以满足与磁场的正交条件；所述电极对包括一组或者多组主电极对，所述主电极对的同侧电极之间以x轴为中心对称设置，所述主电极对的同侧电极之间以x轴为中心对称设置，所述x轴位于电偏转器的横截面内且穿过电偏转器的轴心；主电极对的同侧电极之间设置绝缘间隙，所述主电极对的电极全张角α1为120°±δ，其中电极全张角α1表示单侧主电极的总弧长与该侧主电极之间绝缘间隙之和对轴心构成的弧度对应的角度，δ为容差值。
5、优选的，所述磁极对提供第二方向的磁场b；
6、所述主电极对整体与所述磁极对呈正交布置，主电极对中位于同侧相邻的电极被施加同极性电压，位于轴对侧的相邻电极被施加反向电压；各组所述主电极对被施加电压后分别产生与预期的第一方向成夹角的分电场e1i，i＝1，2...，各分电场e1i的合成电场为e1，所述合成电场e1的强度由各主电极对的激励电压v1i的幅值调节，所述合成电场e1的方向由各主电极对的激励电压极性及相对比例v11/v12/v13…/v1i调节，使合成电场e1的方向与磁场b的方向在轴附近理想正交。
7、进一步的，所述电极对还包括一组或者多组辅电极对，所述辅电极对的同侧电极之间以y轴为中心对称设置，并且所述辅电极对位于相对两侧的主电极对之间，所述y轴垂直于x轴，所述y轴位于所述电偏转器的横截面内且穿过电偏转器的轴心；所述主电极对与辅电极对互不交叠。
8、所述辅电极对的电极全张角α2为60°±δ，其中电极全张角α2表示单侧辅电极的总弧长与该侧辅电极之间绝缘间隙之和对轴心构成的弧度对应的角度，所述辅电极对用于补偿所述主电极对的电场与磁极对的磁场之间的正交偏差。
9、优选的，各组所述辅电极对被施加电压后分别产生分电场e2i，i＝1，2...，各分电场e2i的合成电场为e2，所述合成电场e2的强度由各主电极对的激励电压v2i的幅值调节，所述合成电场e2的偏转方向由各辅电极对的激励电压极性及相对比例v21/v22…/v2i调节，所述主电极对所产生的电场e1和辅电极对所产生的电场e2之合成电场e的强度和方向也可控，使合成电场e的方向与磁场b的方向在轴附近理想正交。
10、本技术还提供另一种维恩过滤器，包括电偏转器和磁偏转器，所述电偏转器包括至少一组对置的弧形的电极对，各组电极对呈同轴共圆周设置，所述电极对分别被电压激励产生各自电场；
11、所述磁偏转器包括至少一组对置的弧形的磁极对，各组磁极对呈同轴共圆周设置，且与所述电偏转器同轴异圆周分布，所述磁极对被绕制于磁极对上的线圈激励以产生各自磁场；
12、其中，所述电极对与所述磁极对之和为至少三对；所述电极对提供恒定方向的电场，其余磁极对提供的磁场方向可调，以满足与电场的正交条件；
13、所述磁极对包括主磁极对，所述主磁极对与所述主电极对正交设置，所述主磁极对的磁极全张角β1为120°±δ；当所述主磁极对同侧磁极的线圈不交叠排布时，磁极全张角β1表示同侧线圈的弧长之和对轴心构成的弧度对应的角度；当所述主磁极对同侧磁极的线圈交叠设置时，磁极全张角β1为每对线圈的弧长对轴心构成的弧度。
14、优选的，所述电极对提供第一方向的电场e；
15、各组所述主磁极对的线圈被施加激励电流后分别产生与预期的第二方向成夹角的分磁场b1i(i＝1，2，…)，各分磁场b1i的合成磁场为b1，所述合成磁场b1的强度由各对线圈的激励电流i11、i12…i1i的强度调节，所述合成磁场b1的方向由各对线圈上的激励电流相对比例i11/i12…/i1i调节，使合成磁场b1的方向与电场e的方向在轴附近理想正交。
16、进一步的，所述磁极对还包括一组或者多组辅磁极对，所述辅磁极对紧靠主电极对的外侧且同侧磁极之间以x轴为中心对称设置，所述辅磁极对位于相对两侧的主磁极对之间，所述主磁极对与辅磁极对之间交叠或者不交叠；
17、所述辅磁极对的磁极全张角β2为60°±δ，当辅磁极对同侧磁极的线圈之间不交叠时，磁极全张角β2表示同侧辅磁极线圈的总弧长对轴心构成的弧度对应的角度，当辅磁极对同侧磁极的线圈之间交叠时，磁极全张角β2表示同侧辅磁极线圈的总弧长对轴心构成的弧度对应的角度；所述辅磁极对用于补偿所述主磁极对的磁场与电极对的电场之间的正交偏差。
18、可选的，所述主磁极对的线圈在圆周上紧邻且不交叠排布，和/或者所述辅磁极对的线圈在圆周上紧邻且不交叠排布。
19、各组所述辅磁极对被施加激励电流后分别产生分磁场b2i，i＝1，2...，各分磁场b2i的合成磁场为b2，所述合成磁场b2的强度由各主磁极对的激励电流i2i的强度调节，所述合成磁场b2的偏转方向由各辅电极对的激励电流极性及相对比例i21/i22…/i2i调节，所述主磁极对所产生的磁场b1和辅磁极对所产生的磁场b2之合成磁场b的强度和方向也可控，使合成磁场b的方向与电场e的方向在轴附近理想正交。
20、可选的，所述绝缘间隙沿径向分割而成，或者先后沿径向和周向弯折分割而成。
21、可选的，所述主电极对和辅电极对被施加的激励电压均具有偏置电压v0。
22、优选的，所述磁极对的线圈为鞍形线圈或者环形线圈；所述电偏转器和磁偏转器的外部由磁芯包裹，所述磁芯的轴向两端设置开口。
23、本技术的另一目的是提供一种维恩过滤器，控制磁场和电场的沿轴分布形态，实现共形。维恩过滤器包括电偏转器和磁偏转器；
24、所述电偏转器和磁偏转器的外部由磁芯包裹，所述磁芯的轴向两端设置开口，所述开口位于磁芯的近轴内侧，所述开口的侧壁设置用于控制磁场沿轴分布形态的过渡缺口。
25、优选的，所述过渡缺口包含沿轴向延伸的内环面一和外环面一，所述内环面一的直径小于外环面一的直径，所述内环面一与外环面一之间由锥面连接过渡，所述锥面的直径沿着内环面一的一端向外环面一的一端逐渐增大。
26、进一步的，所述过渡缺口内嵌入电极环，所述电极环紧贴所述锥面和外环面一，所述电极环的最小内径不小于所述内环面的直径；所述电极环用于调整周边的电场分布形态。
27、优选的，所述电极环的外露部分包括沿轴向延伸的环面三和环面四，环面四位于近轴侧且相对于所述外环面一内缩，所述环面三与环面四之间由电极锥面连接。
28、优选的，所述电极环相对于所述外环面向磁芯内部凸起，用于微调周边的电场分布。
29、进一步的，所述磁芯包括环形的磁芯本体和位于所述磁芯本体两端的磁环，所述磁环设置所述过渡缺口；所述磁偏转器的线圈绕制于所述磁芯本体上，所述磁芯本体与所述磁环之间以气隙或者无磁材料隔离。
30、本发明的第三个目的是提供一种包括所述维恩过滤器的带电粒子束成像设备，其被配置为向待测样品表面扫描入射聚焦的主带电粒子束，收集相应位置激发出的二次带电粒子以生成样品表面形貌的图像；所述维恩过滤器位于样品与二次带电粒子检测器之间，所述维恩过滤器的偏转器可以消除3次谐波，正交性及边缘场分布匹配可以精调满足直轴条件，对下行穿过的主带电粒子束无偏转作用，对上行二次带电粒子施加特定方向的偏转力，实现朝向探测器检测成像。
31、本发明的有益效果为：
32、本发明申请基于电镜成像透镜内的探测器多是环形探测器，只要具有单一方向的离轴偏转能力就已足以实现电子的离轴检测的特点。所述维恩过滤器更注重均匀场和直轴条件的满足，结构简单，易于实现，并尽可能低的引入像差。
33、本技术维恩过滤器的电偏转器或者磁偏转器仅提供恒定方向的场，其余磁偏转器或者电偏转器可以对偏转磁场和偏转电场的正交性进行微调，以满足磁场与电场的正交条件。而电偏转器和磁偏转器多极结构的划分，主电极对全张角设置为120°±δ，辅电极对的全张角设置为60°±δ，摆脱了对称性的限制，以均匀性为首要目标，例如偏转四电极非对称结构和六电极对称设计，都可满足消三次谐波的均匀场要求和与磁场正交的微调。类似的，双磁极线圈120°全张角结构及对称或非对称布局，也可满足消三次谐波的均匀场要求，以及与电场的正交微调。
34、本技术提出一种维恩过滤器具有主辅偏转器的结构，还在于提出了电极沿轴变径设计，结合辅助磁极和电极分离、异形电极环组合设计，使得磁场和电场的沿轴分布形态得以独立调整；优化后的设计可以得到几乎相同形态(归一化曲线)的磁场和电场的沿轴分布。
35、本技术的维恩过滤器同时解决了电场与磁场正交和共形分布问题，只要施加合理的激励，就可以满足对不同带电粒子能量和质量的过滤；对于电子显微镜信号电子的透镜内探测，能够满足直轴条件的同时，保持对主电子束引入的像差最小。
1.一种维恩过滤器，包括电偏转器和磁偏转器；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的维恩过滤器，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的维恩过滤器，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的维恩过滤器，其特征在于：
5.一种维恩过滤器，包括电偏转器和磁偏转器；其特征在于：
6.根据权利要求5所述的维恩过滤器，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的维恩过滤器，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的维恩过滤器，其特征在于：
9.根据权利要求7所述的维恩过滤器，其特征在于：
10.根据权利要求1至9中任一项所述的维恩过滤器，其特征在于：
11.根据权利要求1至9中任一项所述的维恩过滤器，其特征在于：
12.根据权利要求11所述的维恩过滤器，其特征在于：
13.根据权利要求12所述的维恩过滤器，其特征在于：
14.根据权利要求13所述的维恩过滤器，其特征在于：
15.根据权利要求12至14中任一项所述的维恩过滤器，其特征在于：
16.一种带电粒子束成像设备，被配置为向待测样品表面扫描入射聚焦的主带电粒子束，并检测相应位置激发出二次带电粒子以构成图像，其特征在于，包括权利要求1至15中任一项所述的维恩过滤器，维恩过滤器位于样品与二次带电粒子检测器之间，所述维恩过滤器被配置为对一次带电粒子束没有或几乎没有偏转作用，仅对从所述样品出射的二次带电粒子发生偏转作用，并且将所述二次带电粒子导向所述二次带电粒子检测器。
