CN101435785A - 一种多用途超快电子衍射装置 - Google Patents

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赵宝升
田进寿
王俊锋
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Abstract

本发明涉及一种多用途超快电子衍射装置，包括激光光源、可产生超快电子束的电子枪、样品室、电子衍射图像探测器以及抽真空系统，其中电子枪内设置有阴极和阳极，阴极上镀有金属膜，阳极的中心设置有阳极小孔，阴极和阳极间设置有绝缘环，电子枪与样品室之间通过电子束通道连接，电子束通道的外圆周上套有磁线圈，电子束通道与样品室的连接处设置有电子束通道小孔，电子束通道小孔的直径为Φ1～Φ2mm；真空系统包括与电子枪连接的电子枪真空系统以及与样品室连接的样品室真空系统。本发明提供一种多用途超快电子衍射装置，其解决了现有的超快电子衍射装置不能同时适应固、汽相的电子衍射实验，能量不能调节，阳极附近电场严重畸变，光电阴极失效的问题。

Description

一种多用途超快电子衍射装置
技术领域
本发明涉及一种超快电子衍射装置，是研究探测物质的状态、物质瞬态结构相变、以及一些化学或生物学反应过程物质结构变化过程的重要实验装置。
背景技术
超快电子衍射装置主要包括激光光源、产生超快电子束的电子枪、样品室、电子衍射图像探测器、真空系统等，其中超短激光脉冲驱动的超快电子枪是装置的核心。
国外学者做了大量的研究：如J.Cao，Z.Hao，H.Park，C.Tao，et al；Appl.Phys.Lett.，2003，83(5)：1044-1046；Hyotcherl Ihee，Valdimir A.Lobastov，Udo M.Gomez，et al.，Science，2001，291(19)：458-462；J.Charles Williamson，J.Cao，Hyotcherl Ihee，et al.Nature，1997，386(13)：159-162。中国学者也做了相关研究：Zhao Baosheng，et al，SPIE VOL6279，2007；田进寿，赵宝升，吴建军，赵卫，刘运全，张杰，物理学报，2006，55(7)：3368-3374。
现有的超快电子衍射装置，如“一种飞秒电子衍射装置”(专利申请号：200510066313.8)或者如Zhao Baosheng，et al(SPIE VOL6279，2007)描述的装置仅适用于固相物质的实验，用途单一，不能同时适应固相、气相的电子衍射实验，电子能量不能调节，严重地影响了应用范围。现有的超快电子衍射装置的主要不足具体如下：
1、现有的超快电子衍射装置，由于电子枪、样品室、电子衍射图像探测器处于同一真空系统中，仅能用于固体样品的衍射实验。在气相电子衍射中，由于引入的气体元会导致系统真空度下降，而电子枪和图像探测器均需要工作在高真空状态(10-4Pa)，因此，该装置不能适用气相电子衍射。
2、现有的超快电子衍射装置采用的光电阴极为Ag阴极，在研究某些气体物质的化学变化中，有些气体会腐蚀光电阴极而导致阴极的光电灵敏度下降，甚至使光电阴极完全失效。
3、现有的超快电子衍射装置采用的光电阴极与阳极电压为-50KV，间距为5mm，其电压和间距是固定的，其间的场强为10KV，所以电子束的能量是不能调节的。如果通过调节外加电压来改变电子束的能量，则阴极—阳极间的场强发生改变会导致电子束时间弥散的改变。
电子束在阴-阳极间的时间弥散：
Δt＝Δε/2ηE
式中η是电子的荷质比，Δε为光电阴极的初能量分布，E为阴-阳极间的场强。在某些需要改变电子束能量(阴-阳极间电压)同时保证Δt不变，就必须保证E不变。因此，在改变阴-阳极间电压的同时，必须改变阴-阳极间的间距，现有装置是无法实现的。
4、为了使电子束整形，现有的超快电子衍射装置在阳极上开有100μm的小孔，而阴-阳极间的电场高达10KV/mm，因此，在小孔附近电场严重畸变直接影响电子的聚焦，导致电子的时间、空间分辨率的下降。
5、现有的超快电子衍射装置采用了固定安匝数(IN)的磁线圈，由于焦距F＝1/NI，因此电子枪的焦距、像距均为固定；大大限制了该装置的使用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种多用途超快电子衍射装置，其解决了现有的超快电子衍射装置不能同时适应固相、汽相的电子衍射实验，电子能量不能调节，阳极上小孔附近电场严重畸变，光电阴极可能失效的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种多用途超快电子衍射装置，包括激光光源、可产生超快电子束的电子枪20、样品室19、电子衍射图像探测器以及抽真空系统，所述电子枪20内设置有阴极22和阳极24，所述阴极22上镀有金属膜，所述阳极24的中心设置有阳极小孔25，所述阴极和阳极间设置有绝缘环23，所述电子枪20与样品室19之间通过电子束通道17连接，所述电子束通道17的外圆周上套有磁线圈6，其特征在于：所述电子束通道17与样品室19的连接处设置有电子束通道小孔26，所述电子束通道小孔26的直径为Φ1～Φ2mm；所述真空系统包括与电子枪20连接的电子枪真空系统4以及与样品室19连接的样品室真空系统13。
上述阴极22的外端部设置有压环21，所述压环21用于将阴极22、绝缘环23和阳极24紧压在电子枪20的壳体内。
上述阳极小孔25上安装有金属栅网18。
上述金属栅网18的网格尺寸为15μm×5μm。
上述磁线圈是一个可沿电子束通道进行轴向微调的磁线圈。
上述阴极22上蒸镀的金属膜为金膜。
上述金属栅网18的网格尺寸为15μm×5μm。
本发明具有如下优点：
1、本发明的超快电子枪和样品室分别使用一套抽真空系统，在电子枪和样品室之间放置一个Φ1～Φ2mm的通道可以使电子束通过，由于流导的作用，样品室中的气体反向扩散的很慢。这样一来，电子枪部分的真空度远远高于样品室的真空度，则本发明装置无论是对固体的超快电子衍射还是气相的超快电子衍射均能适用。
2、本发明采用对所有气体都很稳定的金(Au)作为光电阴极，绝大多数气体都不会导致Au阴极的腐蚀而失效。
3、本发明阴—阳极安装在可拆卸的真空室内，如果光电阴极因意外损毁可以方便的更换。更为重要的是如果要改变电子束的能量而保证阴—阳极间的电场在10KV/mm时，只要取下压环，更换阴—阳极之间的绝缘环即可。例如要将电压提高到60KV，只需更换为6mm的绝缘环。如要将电压降到30KV，只要将阴—阳极间的绝缘环减小到3mm。这样既改变了电子束的能量又不改变电子束在阴—阳极间的时间弥散。
4、本发明为了使电子束整形而不改变阴—阳极间的平行电场分布，在阳极小孔上安装有一金属栅网，栅网的网孔为15μm，网格为5μm。这样一来保证了阴—阳极间的场强E是均匀的，从而大大提高了电子的时间\空间分辩率。
5、本发明因为绝缘环尺寸的改变，从而改变了电子的能量(阴—阳极间的电压)，电子的轨迹会发生变化，为了改变电子的运动轨迹而保证电子的焦平面不变，必须改变磁线圈的安匝数(IN)和位置；本发明调整NI，主要是调整I的恒流源，恒流源(1～2±0.0005A)为磁线圈提供稳定的电流，可以保证磁场分布的均匀、稳定，从而保证电子光学系统参数的稳定与精确。这样一来，在改变电子能量的前提条件下，电子的轨迹发生变化，而电子的焦平面不变，实现同一电子枪在不同电子能量下的正常工作。
附图说明
图1是本发明多用途电子衍射装置结构示意图；
图2是电子枪前端的结构示意图；
图3是在阳极小孔上增加的栅网示意图；
图4是阳极小孔的结构示意图；
图5为电子束通道小孔的安装位置示意图。
其中：1-输入窗，2-高压陶瓷引线，3-真空测量规，4-电子枪抽真空系统，5-电子枪与电子束通道之间的转接法兰，6-磁线圈，7-电子束通道与样品室之间的转接法兰，8-备用盲法兰，9-光学观察窗，10-电源引线法兰，11-双MCP倍增器转接法兰，12-电源引线法兰，13-样品室抽真空系统，14-备用盲法兰，15-气体引入转接法兰，16-真空测量规，17-电子束通道，18-栅网，19-样品室，20-电子枪，21-压环，22-阴极，23-绝缘环，24-阳极，25-阳极小孔，26-电子束通道小孔。
具体实施方式
本发明多用途超快电子衍射装置，包括激光光源、可产生超快电子束的电子枪20、样品室、电子衍射图像探测器以及抽真空系统，激光光源从输入窗1进入电子枪20部分，电子枪20上连接有电子枪抽真空系统4和真空测量规3，电子枪20内设置有阴极22和阳极24，阴极22上镀有金膜，阳极24的中心设置有阳极小孔25，阳极小孔25上安装有金属栅网18，金属栅网48的网格尺寸为15μm×5μm；阴极22和阳极24间设置有绝缘环23；阴极22的外端部设置有压环21，压环21用于将阴极22、绝缘环23和阳极24紧压在电子枪20的壳体内；电子束通道的外圆周上套有磁线圈6，磁线圈6是一个可沿电子束通道进行轴向微调的磁线圈6；聚焦后的电子束经过电子束通道内的内径为Φ1～Φ2mm的通道后进入样品室19，样品室19上设置有多个法兰5，其中一个法兰上设置有光学观察窗9，电子衍射图像探测器通过光学观察窗9与样品室19连接；另外几个法兰分别为电源引线法兰、双MCP倍增器转接法兰、气体引入转接法兰，样品室上还连有真空系统和真空测量规16。
本发明工作原理：
激光脉冲经过三倍频后照射到光电阴极，从光电阴极上发射出来的光电子，其初始能量、方位角、仰角、初始位置以及初始时间弥散都满足一定的统计分布，光电子经栅网(栅极电压为50KV)加速后，再由阳极小孔准直，超快电子脉冲经过磁透镜聚焦以很小的束斑轰击实验样品，产生固相/气相电子衍射图。位于样品后面的微通道板(MCP)增强器记录电子轰击样品时形成的固相/气相电子衍射图像，此电子衍射图像通过双MCP探测器的倍增，再轰击荧光屏产生与电子衍射图像相对应的可见光图像。此图像反映了物质的结构信息，此图像的改变也反映了物质结构的相应改变。

Claims (7)

1、一种多用途超快电子衍射装置，包括激光光源、可产生超快电子束的电子枪(20)、样品室(19)、电子衍射图像探测器以及抽真空系统，所述电子枪(20)内设置有阴极(22)和阳极(24)，所述阴极(22)上镀有金属膜，所述阳极(24)的中心设置有阳极小孔(25)，所述阴极和阳极间设置有绝缘环23，所述电子枪(20)与样品室(19)之间通过电子束通道(17)连接，所述电子束通道(17)的外圆周上套有磁线圈(6)，其特征在于：所述电子束通道(17)与样品室(19)的连接处设置有电子束通道小孔(26)，所述电子束通道小孔(26)的直径为Φ1～Φ2mm；所述真空系统包括与电子枪(20)连接的电子枪真空系统(4)以及与样品室(19)连接的样品室真空系统(13)。
2、根据权利要求1所述的多用途超快电子衍射装置，其特征在于：所述阴极(22)的外端部设置有压环(21)，所述压环(21)用于将阴极(22)、绝缘环(23)和阳极(24)紧压在电子枪(20)的壳体内。
3、根据权利要求1或2所述的多用途超快电子衍射装置，其特征在于：所述阳极小孔(25)上安装有金属栅网(18)。
4、根据权利要求3所述的多用途超快电子衍射装置，其特征在于：所述金属栅网(18)的网格尺寸为15μm×5μm。
5、根据权利要求4所述的多用途超快电子衍射装置，其特征在于：所述磁线圈(6)是一个可沿电子束通道(17)进行轴向微调的磁线圈(6)。
6、根据权利要求5所述的多用途超快电子衍射装置，其特征在于：所述阴极(22)上蒸镀的金属膜为金膜。
7、根据权利要求6所述的多用途超快电子衍射装置，其特征在于：所述金属栅网(18)的网格尺寸为15μm×5μm。
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