CN103383910A - 一种电子脉冲静电时域压缩装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子脉冲静电时域压缩装置及方法。包括供电电源，还包括第一施电栅网、第二施电栅网、第三施电栅网；供电电源分别向第一施电栅网、第二施电栅网、第三施电栅网供电。本发明提供了一种稳定、易调节、双重压缩、调谐性高的电子脉冲静电时域压缩装置及方法。

Description

一种电子脉冲静电时域压缩装置及方法

技术领域

本发明属于超快诊断领域，涉及一种电子光学色散棱镜，尤其涉及一种电子脉冲静电时域压缩装置及方法。

背景技术

时间分辨超快现象研究正在基础研究、高新技术研究的许多领域展开，以超短电子脉冲快速控制为基础的电子光学诊断技术已成为该领域重要的研究手段，超快电子衍射仪即是此类技术的典型代表。在超快电子衍射仪中，光电阴极经由外光电效应而发射的电子脉冲被视为整个系统工作的核心，其脉冲宽度及单脉冲电子数等参数决定着超快电子衍射仪技术应用研究的广度和深度。产生脉宽在100fs左右（1fs=10^-15s）甚至更短且单脉冲包含10³～10⁴个电子的超短电子脉冲技术早已被提上日程，然而此类技术目前仍处于研究阶段而未能进入工程应用中，其瓶颈主要是光电阴极发射光电子初能量弥散和高浓度电子脉冲中显著的空间电荷效应，这两个因素会导致严重的电子脉冲展宽。比如，对于初始脉宽为50fs、单脉冲电子数为10000的电子脉冲，在以30keV平均能量传输10cm距离之后，其脉冲宽度已达几个ps量级（1fs=10^-12s）。因此，自从超快电子衍射技术出现以来，高亮度超短电子脉冲产生技术的研究一直处于此类技术相关研究的最前沿。正因此，已有相关学者对电子枪系统电子脉冲展宽做了大量的理论及实验研究，且提出了各种电子脉冲脉宽压缩思路。

迄今为止，见诸报刊的超短电子脉冲产生方法大致分为两类：一类是采用静电场和（或）静磁场对电子脉冲进行时间域和（或）空间域内的调制，如基于电子脉冲展宽效应分析结果，采用新型电子光学结构电子枪设计（如”S”形及“回”字形）或引入电子脉冲展宽抑制电极等方法以达到压缩电子脉冲的目的；另一类则是采用瞬态调制电场，如基于电子脉冲展宽效应分析结果，利用瞬态调制电场对电子脉冲前后沿电子施以差别性调制以达到产生超短电子脉冲的目的，以及利用强激光场对电子脉冲的质动力学作用从待调制电子脉冲中分离出阿秒量级电子脉冲。以上方法虽然在理论上甚至有些在工程研究中已被证实具有一定的可行性，但遗憾的是，这些方法或者因为其工程实施的可行性较小、或者因为其不能超快电子衍射仪等以超短电子脉冲快速控制为基础的超快诊断研究应用领域的相关要求而总存在着应用上的局限性。也正因此，对电子脉冲时域压缩产生方法及相关系统的探索仍在继续。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种电子脉冲静电时域压缩装置及方法。

本发明的技术方案是：

1.一种电子脉冲静电时域压缩装置，包括供电电源，其特殊之处在于：还包括第一施电栅网、第二施电栅网、第三施电栅网；上述供电电源分别向第一施电栅网、第二施电栅网、第三施电栅网供电；

上述第一施电栅网接地；

上述第一施电栅网与第二施电栅网之间的距离为D₁；

上述第二施电栅网与第三施电栅网之间的距离为D₂；

上述第二施电栅网的电压为U₁；

上述第三施电栅网的电压为U₂；

上述D₁、D₂、U₁、U₂需满足的约束条件如下：

-U₂＞(ε+0.5Δε)cos²α，         （1）

0＜t_max-t_min＜τ，            （2）

$a_1=\frac{0-U_1}{D_1}\frac{-e}{m_e}=\frac{e{U}_1}{m_e{D}_1},---\left(3\right)$

$a_2=\frac{U_1-U_2}{D_2}\frac{-e}{m_e}=\frac{e(U_2-U_1)}{m_e{D}_2},---\left(4\right)$

$t\left(v\right)=2[\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)-\sqrt{v^2}}{a_1}-\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)}{a_2}],---\left(5\right)$

$v=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_i{\cos }^2\mathrm{\α}}{m_e}}.---\left(6\right)$

其中：ε_i为入射电子脉冲中电子的初动能;

α为电子脉冲相对棱镜系统对称轴的入射角；

Re(…)代表对自变量求实部运算;

t_max为整个电子脉冲中电子到达棱镜出口处的最长飞行时间；

t_min为整个电子脉冲中电子到达棱镜出口处的最短飞行时间；

a₁、a₂为两个电场区中电子的加速度；

e和m_e分别为电子的电荷和质量。

2.一种电子脉冲静电时域压缩方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】由三个施电栅网间隔放置构成静电场区；上述三个施电栅网之间的距离为D₁、D₂；上述第一、第二、第三施电栅网的电压分别为0、U₁、U₂；；上述D₁、D₂、U₁、U₂需满足的约束条件如下：

-U₂＞(ε+0.5Δε)cos²α，          （1）

0＜t_max-t_min＜τ，         （2）

$a_1=\frac{0-U_1}{D_1}\frac{-e}{m_e}=\frac{e{U}_1}{m_e{D}_1},---\left(3\right)$

$a_2=\frac{U_1-U_2}{D_2}\frac{-e}{m_e}=\frac{e(U_2-U_1)}{m_e{D}_2},---\left(4\right)$

$t\left(v\right)=2[\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)-\sqrt{v^2}}{a_1}-\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)}{a_2}],---\left(5\right)$

$v=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_i{\cos }^2\mathrm{\α}}{m_e}}.---\left(6\right)$

2】释放电子脉冲进入静电场区；

3】电子脉冲在静电场区完成U性反射运动；上述电子脉冲中的电子轨迹呈现出与其初始入射能量相关的色散特性，完成压缩。

本发明的优点是：

1.双工作模式。根据系统电气结构参数设置的不同，在保证实现脉冲压缩的条件下，本发明具有两个工作模式，分别为o模式和e模式。

2.稳定、易调节。本发明为静电系统，它没有时变调制系统对信号同步性的要求，也没有静磁系统所具有的稳定性差的问题。

3.双重压缩。本发明对电子脉冲具有双重压缩的效果，压缩空间包括棱镜内部以及棱镜出口之后的一定渡越空间。

4.调谐性高。本发明的脉冲压缩效果具有较好的调谐性。

附图说明

图1为本发明电子脉冲静电时域压缩装置（也称为静电棱镜）工作原理示意图；

图2本发明a₁＞0条件下电子的轴向飞行距离及飞行时间对初始轴向速度的依赖关系；

图3本发明a₂＜a₁＜0条件下电子的轴向飞行距离及飞行时间对初始轴向速度的依赖关系；

图4为U₁取正电位条件下棱镜系统中电子脉冲飞行时间的色散关系以及脉冲压缩特性；

图5为U₁取负电位条件下棱镜系统中电子脉冲飞行时间的色散关系以及脉冲压缩特性；

其中1-第一施电栅网、2-第二施电栅网、3-第三施电栅网。

具体实施方式

双模式电子脉冲静电时域压缩棱镜，由彼此间隔一定距离的3个施电栅网所形成的静电场区构成。第1个栅网施以0电位，以消除棱镜系统的电场对前端电子脉冲传输系统的影响；第2、3个栅网的电位分别为U₁和U₂，一般使U₁>U₂，且U₂的设置要使得整个电子脉冲在棱镜系统中完成U形反射运动；栅网彼此之间的轴向距离分别为D₁和D₂。当上述电气结构参数设置满足一定的条件时，入口处入射的电子脉冲将在棱镜系统中经历“反射式”运动轨迹，且其中电子轨迹呈现出与其初始入射能量相关的色散特性。如此以来，入射电子脉冲将在棱镜系统中得到压缩。

为了增加静电棱镜参数调节的自由度，在确保能够满足上述基本工作原理的基础上，亦可在轴向引入更多的施电栅网。

为简单起见，我们假定：入射的电子脉冲来源于一具有均匀椭球状轮廓的初始脉冲，α为电子脉冲相对棱镜系统对称轴的入射角；在到达棱镜入口之前的渡越过程中，此初始脉冲内部已逐步形成一定的本征速度啁啾t′(v)，在棱镜入口处电子脉冲的脉宽、平均渡越能量及能量弥散分别为τ、ε和Δε。同时，选择脉冲最前沿电子到达棱镜入口处的时间为t=0。考虑图1所示的静电棱镜，为确保电子脉冲在其中的完全反射，必须满足

-U₂＞(ε+0.5Δε)cos²α.       （1）

设整个电子脉冲中电子到达棱镜出口处的最长及最短飞行时间为t_max和t_min，则电子脉冲实现脉冲压缩的条件即为

0＜t_max-t_min＜τ.         （2）

所示两个电场区中电子的加速度分别为（以图中向右为正方向）

$a_1=\frac{e{U}_1}{m_e{D}_1},---\left(3\right)$

$a_2=\frac{e(U_2-U_1)}{m_e{D}_2}.---\left(4\right)$

这里，e和m_e分别为电子的电荷和质量。一般情况下，总有a₁≠0、a₂<0。对于位于棱镜系统入口处的初始轴向速度为v的电子而言，其在系统中的轴向飞行距离s(v)和相应的飞行时间t(v)分别为

$s\left(v\right)=2[\frac{{\left[\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)\right]}^2-v^2}{2a_1}-\frac{{\left[\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)\right]}^2}{2a_2}],---\left(5\right)$

$t\left(v\right)=2[\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)-\sqrt{v^2}}{a_1}-\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)}{a_2}],---\left(6\right)$

其中，

ε_i为电子相应的初动能，Re(…)代表对自变量求实部运算。

对于a₁＞a₂的情况，可进一步分为a₁＞0和a₂＜a₁＜0两种情形，其电子飞行时间的能量色散特性分别如图2和图3所示。其中的为临界初始轴向速度，具有此速度的电子将恰好在电压为U1的栅网处被反射。由图可知：在这样的参数设置条件下，t(v)随v呈现出非单调性变化趋势，初始轴向速度较大的电子虽然经历较长的轴向飞行距离，但是却不一定具有较长的飞行时间。由式（6）可求得系统的特征初始轴向速度v_ch为

$v_{\mathrm{ch}}=\sqrt{\frac{2a_1{D}_1}{A^2-1}},---\left(7\right)$

with A＝(a₂-a₁)/a₂。这种情况称为e模式。

当条件a₁≤a₂满足时，式（6）中的t(v)为v的单调递增函数。这种模式称为o模式。

根据棱镜电气结构参数设置的不同，当电子脉冲到达棱镜出口时，其内部电子空间分布相对入射电子脉冲亦会出现两种截然不同的情况。一种情况为：脉冲内部各电子在脉冲传播方向的前后位置并没有发生变化，只是其相对位置发生了变化。另一种情况是：位于入射脉冲前沿的电子在棱镜出口处则位于脉冲的后沿，而位于入射脉冲后沿的电子则位于出射电子脉冲的前沿。在这种情况下，当电子脉冲从棱镜系统出射后，这种前后沿电子速度上的差异将使得电子脉冲具有自压缩效应。

棱镜系统中脉冲压缩条件的成立实质上归结为确定参数t_max和t_min的值，这其中包含入射脉冲在到达棱镜入口之前的渡越过程中所形成的固有时间分布t′(v)，以及电子脉冲在棱镜系统中的渡越时间分布t(v)。因为前者目前已经得到了深入的分析，更重要的是，即便采用这种参数化的模糊表达，它也不影响本文中对棱镜通用理论的阐述，因此这里我们将仅关注后者。对o模式而言，具有相对较大初始轴向速度的电子将在系统中经历相对较长的飞行时间。因此我们有

t(v)_max＝t(ε_front),          (8)

t(v)_min＝t(ε_rear).         (9)

而对e模式而言，情况将会复杂一些。棱镜系统中电子的飞行时间分布取决于棱镜入口处电子波包中电子初始轴向速度范围与系统参数v_ch的相对关系。而对于a₂＜a₁＜0的情形，则还要同时考虑v_c，如图3所示。在实际的工程应用中，为简单起见常设置v_ch小于波包中电子初始轴向速度的下限，以使得此时式（8）和（9）仍然成立。对于给定的入射电子脉冲参数，参数t_max和t_min的值便可由综合考虑t(v)和t′(v)而得到。如此以来，便可通过调整棱镜电气结构参数使得条件不等式（2）成立，以达到压缩电子波包脉宽的目的。

下面举一实例以详细阐述本发明的具体实施方式。

设棱镜入口处的电子脉冲为平顶脉冲，入射角度为10°，脉冲宽度为2ps，脉冲平均能量为30keV，能量弥散量为80eV，最后一个栅网的电位U₂为-32kV。如果固定两个均匀电场区轴向长度，则本发明的脉冲压缩特性由第二栅网的电位U₁唯一确定。

如果设定D₁=5mm、D₂=100mm且要求电位U₁为正电位，也即此时系统工作于e模式状态，则此时系统特征初始轴向速度远小于电子脉冲初始轴向速度的下限，因而由图2可知系统中电子飞行时间与其初始轴向速度之间满足单调递增的关系。此时棱镜系统中电子脉冲飞行时间的色散关系以及脉冲压缩特性如图4所示，其中|t(ε_front)-t(ε_rear)-τ|为棱镜出口处电子脉冲的宽度，ε_front为棱镜入口处电子脉冲最前沿电子的初始动能，ε_rear为棱镜入口处电子脉冲最后沿电子的初始动能。由图可知，当电位U₁的变化范围为23～100kV时（如图中标记为1的范围），入射电子脉冲前后沿电子在棱镜出口处没有出现移位的现象，而当U₁位于3.3kV～23kV时（如图中标记为2的范围），入射电子脉冲前后沿电子在棱镜出口处将出现移位现象。这里需要指出的是，电位U₁可取高于100kV的值，只是在此实施例中我们考虑的范围为0～100kV。

如果设定D₁=D₂=10mm且要求电位U₁为负电位，则经计算得知此时系统特征初始轴向速度仍然远小于电子脉冲初始轴向速度的下限，因而由图3可知系统中电子飞行时间与其初始轴向速度之间满足单调递增的关系。则棱镜系统中电子脉冲飞行时间的色散关系以及脉冲压缩特性如图5所示，其中|t(ε_front)-t(ε_rear)-τ|为棱镜出口处电子脉冲的宽度，ε_front为棱镜入口处电子脉冲最前沿电子的初始动能，ε_rear为棱镜入口处电子脉冲最后沿电子的初始动能。由图可知，当电位U₁的变化范围为-21～0kV时（如图中标记为1的范围），入射电子脉冲前后沿电子在棱镜出口处没有出现移位的现象，而当U₁位于-24.3kV～-21kV时（如图中标记为2的范围），入射电子脉冲前后沿电子在棱镜出口处将出现移位现象。同样，这里需要指出的是，当电位U₁的值取-29kV时，整个电子脉冲将在第一个场区中完成U形反射运动，也即是说此时第二个场区并没有起到作用。

Claims (2)

1.一种电子脉冲静电时域压缩装置，包括供电电源，其特征在于：还包括第一施电栅网、第二施电栅网、第三施电栅网；所述供电电源分别向第一施电栅网、第二施电栅网、第三施电栅网供电；

所述第一施电栅网接地；

所述第一施电栅网与第二施电栅网之间的距离为D₁；所述第二施电栅网与第三施电栅网之间的距离为D₂；所述第二施电栅网的电压为U₁；所述第三施电栅网的电压为U₂；

上述D₁、D₂、U₁、U₂需满足的约束条件如下：

-U₂＞(ε+0.5Δε)cos²α，     （1）

0＜t_max-t_min＜τ，       （2）

$a_1=\frac{0-U_1}{D_1}\frac{-e}{m_e}=\frac{e{U}_1}{m_e{D}_1},---\left(3\right)$

$a_2=\frac{U_1-U_2}{D_2}\frac{-e}{m_e}=\frac{e(U_2-U_1)}{m_e{D}_2},---\left(4\right)$

$t\left(v\right)=2[\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)-\sqrt{v^2}}{a_1}-\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)}{a_2}],---\left(5\right)$

$v=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_i{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}}{m_e}}.---\left(6\right)$

其中：ε_i为入射电子脉冲中电子的初动能;

α为电子脉冲相对棱镜系统对称轴的入射角；

Re(…)代表对自变量求实部运算;

t_max为整个电子脉冲中电子到达棱镜出口处的最长飞行时间；

t_min为整个电子脉冲中电子到达棱镜出口处的最短飞行时间；

a₁、a₂为两个电场区中电子的加速度；

e和m_e分别为电子的电荷和质量。

2.一种电子脉冲静电时域压缩方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】由三个施电栅网间隔放置构成静电场区；所述三个施电栅网之间的距离为D₁、D₂；所述第一、第二、第三施电栅网的电压分别为0、U₁、U₂；上述D₁、D₂、U₁、U₂需满足的约束条件如下：

-U₂＞(ε+0.5Δε)cos²α，      （1）

0＜t_max-t_min＜τ，      （2）

$a_1=\frac{0-U_1}{D_1}\frac{-e}{m_e}=\frac{e{U}_1}{m_e{D}_1},---\left(3\right)$

$a_2=\frac{U_1-U_2}{D_2}\frac{-e}{m_e}=\frac{e(U_2-U_1)}{m_e{D}_2},---\left(4\right)$

$t\left(v\right)=2[\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)-\sqrt{v^2}}{a_1}-\frac{\mathrm{Re}\left(\sqrt{v^2+2a_1{D}_1}\right)}{a_2}],---\left(5\right)$

$v=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_i{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}}{m_e}}.---\left(6\right)$

2】释放电子脉冲进入静电场区；

3】电子脉冲在静电场区完成U性反射运动；所述电子脉冲中的电子轨迹呈现出与其初始入射能量相关的色散特性，完成压缩。

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