CN100399014C - 一种具有高时间分辨的电子显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高时间分辨的电子显微镜，该显微镜包括超短脉冲激光器、真空靶室、光聚焦元件、靶部件、电子光阑或电子束能谱控制部件、试样支撑调节部件、图像接收部件；在真空靶室内或外设有激光器，激光器产生的脉冲经光聚焦元件聚焦后，与真空靶室内的靶相互作用，产生高能电子束脉冲，经电子光阑或电子束能谱控制部件调制后，与试样支撑调节部件内的待测样品相互作用产生测试图像，由图像接收部件接收；本发明将激光等离子体的超快时间分辨能力引入电镜技术，在传统电镜高空间分辨率的基础上，建造具有超快时间特征的高时间分辨率电镜，其电子束能量高，通用性强，可满足材料、生物、化学及物理等各方面的科研、开发要求。

Description

一种具有高时间分辨的电子显微镜

技术领域

本发明涉及一种涉及物质的结构测定、激光等离子体应用的测试仪器，尤指一种具有高时间分辨的电子显微镜。

背景技术

近年来，超快过程研究在物理、化学和生物学等许多领域产生了重大影响，成为当前科学研究的一个新特征。超快过程一般是指在纳秒(10^-9秒)以下时间尺度内出现的行为。如超导体电子迁移、化学键形成等都在纳秒～飞秒(10^-9～10^-15)之间。当前，物理、生物和化学等领域的科学研究及材料、遗传工程和医药等领域的技术发展，需要一种高时间分辨率(具有超快时间特征)的通用仪器。

电子显微镜简称电镜是一种常用的高空间分辨率仪器。它利用电子的布拉格衍射原理工作，通过研究电子束穿过被测样品后的衍射图样，或电子束被样品反射后的反射图样，间接地研究样品的内部结构信息。电子显微镜比光学显微镜具有更高的空间分辨率，可以达到分子尺度量级。但传统电镜就工作原理而言，原则上并不考察时间特征，即使采用电子快门等时间控制手段改造电镜，时间分辨率亦难以达到纳秒(10^-9秒)以下(文献1：O.Bostanjoglo，R.Elschner，Z.Mao，T.Nink，M.Weingartner/Ultramicroscopy 81(2000)p141～147)。这是因为：根据采样定理，电镜的最高时间分辨率等于其工作电子束脉冲宽度的两倍；传统电镜通常采用阴极加速方式产生工作电子束，其电子束是连续的，因此电子束脉冲只能由电子快门等约束方式产生；由于机械惯性或电气性能的影响，这些约束方式难以达到纳秒(10^-9秒)以下，因而传统电镜的时间分辨率也就无法达到纳秒(10^-9秒)以下，显然无法满足纳秒～飞秒(10^-9～10^-15秒)量级的超快过程的研究要求。

目前的超短脉冲强激光等离子体技术，已经可以提供足够高能的电子束，并且可以控制电子束的发射方向(文献2：T.J.Liang，J.Zhangetc.Phy.Rev.E，57(1998)R3746)；还可以对其进行能谱分离(文献3：陈黎明、张杰等，物理学报(2000)592)。这种电子束脉宽仅为亚皮秒(10^-13秒)量级，具有超快时间特征，是良好的超快电子束源。为建造具有超快时间特征的高时间分辨率电镜奠定了技术基础。

发明内容

本发明的目的在于利用飞秒激光等离子体技术的高时间分辨特征，通过飞秒激光等离子体技术与传统电镜技术结合，将超快时间分辨能力引入电镜技术，在传统电镜高空间分辨率的基础上，建造具有超快时间特征的高时间分辨率电镜，使电镜这种常用高精度测试仪器具备研究超快过程的能力，为目前物理、化学、生物学前沿的超快过程研究，以及新材料、遗传工程和新医药等领域的技术开发，提供新的研究手段和新的通用仪器。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种具有高时间分辨的电子显微镜，包括超短脉冲激光器、真空靶室、光聚焦元件、靶部件、电子光阑或电子束能谱控制部件、试样支撑调节部件、图像接收部件；在真空靶室内或外设有超短脉冲激光器，在真空靶室内，激光器产生的超短激光脉冲的光路上设光聚焦元件，在光聚焦元件的焦点处设有靶部件；在靶部件的靶面法线方向设有电子光阑或电子束能谱控制部件；在电子光阑或电子束能谱控制部件出射电子通道上设试样支撑调节部件，在试样支撑调节部件后设有图像接收部件。

所述的电子光阑还用刀口取代。

所述的电子束能谱控制部件由偏转磁场及其入射端的入射控制部件和出射端的出射控制部件组成。

所述的入射控制部件由方向及位置控制机构和准直孔/孔径阑组成。

所述的偏转磁场腔体内壁设有光吸收部件，或将偏转磁场腔体内壁直接设为低反射表面。

所述的出射控制部件选自孔径阑、刀口中的一种

在所述的激光器与靶部件之间还设有调靶机构。

在所述的靶部件和电子光阑/电子束能谱控制部件之间还设有电磁透镜元件。

在所述的试样支撑调节部件与图像接收部件之间还设有电子成像部件。

所述的图像接收部件选自胶片、荧光屏和CCD中的至少一种。

本发明的优点在于：

本发明继承了传统电镜的高空间分辨率，具有研究分子尺度现象的能力；同时利用飞秒激光等离子体技术的高时间分辨特征，将超短脉冲激光器与传统电镜技术相结合，从而将超快时间分辨能力引入电镜技术，在传统电镜高空间分辨率的基础上，建造具有超快时间特征的高时间分辨率电镜，使电镜可以达到飞秒～皮秒(10^-15秒～10^-12秒)级的时间分辨能力，电子束能量高于传统电镜；因而使电镜这种常用高精度测试仪器具备研究超快(10^-9秒以下)过程的能力，其通用性强，可为目前物理、化学、生物学前沿的超快过程研究，以及新材料、遗传工程和新医药等领域的技术开发，提供新的研究手段和新的通用仪器。

附图说明

图1是本发明的透射电镜结构示意图

图2是本发明的反射电镜结构示意图

具体实施方式

本发明还将结合附图对实施例作进一步详述：

实施例1：

参照图1，为本发明的高时间分辨的透射电镜，包括超短脉冲激光器1、调靶机构2、激光入射窗口3、真空靶室4、光聚焦元件5、靶部件6、入射控制部件7、偏转磁场8、光吸收部件9、出射控制部件10、试样支撑调节部件11、电子成像部件12、图像接收部件13、真空泵14、真空计15等；其中激光器1为掺钛蓝宝石(Ti:Sapphire)固体激光器，输出波长820nm，重复频率10Hz，脉冲 半高宽150fs，单脉冲输出能量5.3mJ。

超短脉冲激光器1射出的飞秒激光脉冲经调靶机构2调整后，通过激光入射窗3进入真空靶室4，再经过光聚焦元件5聚焦后，以正确的位置、角度和偏振态轰击金属固体靶部件6的靶材，所述的靶部件6的靶材质为金属铝；靶面激光入射角45度；聚焦后激光焦斑直径为微米量级。轰击靶产生的高能电子束脉冲经过入射准直孔7准直后，进入偏转磁场8中偏转聚焦，由其进行能谱分离而成单能电子脉冲，与电子束同轴入射的散射激光被光吸收部件9吸收，不会影响电子束成像的后续过程。出射孔径阑10在预定位置控制电子束出射，确定其能量、单能性、电子束直径等指标，出射的电子束照射到试样支撑调节部件11的透射样品上，发生布拉格衍射，形成测试图样，经电子成像部件12成像后，由胶片13接收。胶片经过冲洗后即可研究测试结果。

所述的真空泵14用来抽真空。真空计15用于监测真空度。

实施例2：

参照图2为高时间分辨反射电镜，其中试样支撑调部件11上的待测样品是反射样品，入射控制部件7采用孔径阑限束；靶部件6的靶材采用团簇；靶部件6和电子束能谱控制部件之间设有电磁透镜元件对电子进行聚焦；图像接收部件13为荧光屏和CCD，其余结构与透射电镜图1相同，仅依据测试反射样品的要求将图像接收部件13设于电子束经反射待测样品11的反射后的图形成像处。

实施例3：

按图1制作高时间分辨透射电镜。采用小型化飞秒激光器；将激光器1置于靶室4内，取消激光入射窗3；激光器1与靶部件6相对位置固定，预置激光偏振态，靶部件6的靶材采用金属；在单能电子束发生部件的偏转磁场8内壁直接设为低反射表面。其余同实施例1，是一种小型化的设计。

实施例4：

按实施例3制作透射电镜，靶部件6的靶材采用非金属固体；出射控制部件10采用活动刀口；在足够远的距离成像(对单晶硅约20cm)；图像接收部件13采用荧光屏，电子衍射花样照射在荧光屏上，直接观察。其余结构同例3。

实施例5：

按实施例1制作透射电镜，将电子束能谱控制部件即入射控制部件7、偏转磁场8、出射控制部件10采用电子光阑代替；靶部件6的靶材采用金属；图像接收部件13采用荧光屏/荧光屏和CCD。其余结构同例1。

实施例6：

按图1制作高时间分辨透射电镜，采用小型化高功率飞秒激光器；将激光器1置于靶室内；入射控制部件7采用入射准直孔；靶部件6的靶材采用团簇；靶部件6和电子束能谱控制部件之间设有电磁透镜元件对电子束进行聚焦；出射控制部件10采用孔径阑；出射控制部件10后设置电子成像部件12成像；图像接收部件13综合采用多种方式作为图像接受手段：用荧光屏进行实时调节；用胶片做高精度永久采集；用CCD连接计算机进行采集、分析或传输实现实时监控和各种用途的综合数据处理与保存，如直接输出处理后的晶格信息；多屏幕输出多种信息；用网络技术与其他探测过程交联，进行更全面的实时研究；及利用多种信息格式和多种记录方式保存信息等。这是一种较为全面的设计。

本发明的工作原理如下：

电子束产生机制：利用超短脉冲激光轰击靶6，产生超热电子脉冲，作为工作电子束，其脉宽小于皮秒量级。

单能电子束的获得：利用电子在偏转磁场8中的偏转特性，应用半圆聚焦原理将不同能量的电子分离，从而获得单能电子束。

测试图样产生与采集：利用已有的电镜成像原理，当电子束穿过被测样品透射或被测样品反射时，电子与待测样品相互作用，产生布拉格衍射，形成测试图样，经过成像后，使用胶片或CCD等多种手段记录测试结果。

Claims (10)

1.一种具有高时间分辨的电子显微镜，包括超短脉冲激光器(1)、真空靶室(4)、光聚焦元件(5)、靶部件(6)、电子光阑或电子束能谱控制部件(8)、试样支撑调节部件(11)、图像接收部件(13)；其特征在于在真空靶室(4)内或外设有超短脉冲激光器(1)，在真空靶室(4)内，激光器(1)产生的超短激光脉冲的光路上设光聚焦元件(5)，在光聚焦元件(5)的焦点处设有靶部件(6)；在靶部件(6)的靶面法线方向设有电子光阑或电子束能谱控制部件；在电子光阑或电子束能谱控制部件出射电子通道上设试样支撑调节部件(11)，在试样支撑调节部件(11)后设有图像接收部件(13)。

2.如权利要求1所述的一种具有高时间分辨的电子显微镜，其特征在于所述的电子光阑还用刀口取代。

3.如权利要求1所述的一种具有高时间分辨的电子显微镜，其特征在于所述的电子束能谱控制部件由偏转磁场(8)及其入射端的入射控制部件(7)和出射端的出射控制部件(10)组成。

4.如权利要求3所述的一种具有高时间分辨的电子显微镜，其特征在于所述的入射控制部件(7)采用准直孔或孔径阑。

5.如权利要求3所述的一种具有高时间分辨的电子显微镜，其特征在于所述的偏转磁场(8)腔体内壁设有光吸收部件(9)，或将偏转磁场(8)腔体内壁直接设为低反射表面。

6.如权利要求3所述的一种具有高时间分辨的电子显微镜，其特征在于所述的出射控制部件(10)选自孔径阑、刀口中的一种。

7.如权利要求1所述的一种具有高时间分辨的电子显微镜，其特征在于在激光器(1)与靶部件(6)之间还设有调靶机构(2)。

8.如权利要求1所述的一种具有高时间分辨的电子显微镜，其特征在于在靶部件(6)和电子光阑/电子束能谱控制部件之间还设有电磁透镜元件。

9.如权利要求1所述的一种具有高时间分辨的电子显微镜，其特征在于在试样支撑调节部件(11)与图像接收部件(13)之间还设有电子成像部件(12)。

10.如权利要求1所述的一种具有高时间分辨的电子显微镜，其特征在于所述的图像接收部件(13)选自胶片、荧光屏和CCD中的至少一种。

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