CN103884921A - 一种超快电子脉冲宽度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超快电子脉冲宽度测量系统，包括基频信号装置、脉冲射频发射装置和射频偏转腔；基频信号装置生成一个相位锁定的正弦连续波信号；脉冲射频发射装置与基频信号装置连接，其对正弦连续波信号进行放大与调制，得到大功率脉冲射频信号；射频偏转腔与脉冲射频发射装置连接，大功率脉冲射频信号耦合至射频偏转腔中形成时变磁场；时变磁场与超快电子脉冲的传播方向垂直，超快电子脉冲的纵向脉宽转化为横向偏转距离，实现测量超快电子脉冲的脉宽。本发明引入了射频偏转技术，并且采用了高品质因数的射频偏转腔，且偏转腔内磁场的作用区域仅为5mm，可以准确地测得样品位置电子的脉宽。

Description

一种超快电子脉冲宽度测量系统

技术领域

本发明涉及超快电子动力学研究领域，尤其涉及一种超快电子脉冲宽度测量系统。

背景技术

自然界中许多物理、化学、以及生物学的现象都具有微观、超快的特点，探测这些现象发生的过程需要同时具有极高的空间分辨率和时间分辨率的探测仪器，超快电子衍射就是非常有效的手段之一。其空间和时间的分辨率分别取决于电子的德布罗意波长和纵向脉冲宽度，因此测量电子脉宽对于超快电子衍射的时间分辨率具有重要意义。

最传统的电子脉宽测量方法是条纹相机法(Rev.Sci.lnstrum.71,3627)。在需要测定电子脉宽的场合，利用光导开关，当电子到达偏转板位置时，在偏转板上加载一快速上升的斜坡扫描电压，使得电子脉冲在纵向上的时间特性转化为空间上的距离进行测量。该方法虽然设计结构简单，但是也有是有弊端存在的。首先，扫描板长度通常为几个厘米，高亮度的电子脉冲在经过扫描板的过程中会发生显著展宽，使得测量结果的准确度下降。其次，对于经过射频压缩的电子脉冲，最佳压缩位置与偏转版不在同一位置，测量结果需要通过合理计算才能得出，无法实现对脉宽的直接测量。最后，受到光导开关自身性能的影响，使得扫描电压难以达到测量要求。加拿大多伦多大学Miller工作组提出了利用有质动力的方法进行电子脉冲宽度的测量(Opt.Express20,12048)，该方法通过激光有质动力直接与电子脉冲相互作用实现，可用于射频压缩后高亮度电子脉冲宽度测量，但是对激光功率密度有极高的要求，很多实验室的激光器无法达到要求。加州理工学院Zewail课题组于2006年提出了采用自相关的方法实现电子脉宽的测量(Proc.Nalt.Acad.Sci.USA103,16105)，该方法将电子分成两路具有相同时域特性的电子脉冲，改变两者的时间延迟观察电子相互作用的现象来测量电子的脉宽。该方法实现起来比较方便，可以测量低亮度和高亮度的电子脉冲宽度，但是由于改变时间延迟使得两路电子过射频压缩腔时的相位不同导致压缩效果不同，因此不能测量射频压缩后的电子脉冲宽度。

发明内容

本发明克服了传统的条纹相机受限于光导开关的工作效率使得电压上升不够快或不够强的缺点以及自相关法不能测压缩后电子脉宽的缺陷，提出了一种超快电子脉冲宽度测量系统。

本发明提出了一种超快电子脉冲宽度测量系统，包括：基频信号装置、脉冲射频发射装置和射频偏转腔；所述基频信号装置生成一个相位锁定的正弦连续波信号；所述脉冲射频发射装置与所述基频信号装置连接，其对所述正弦连续波信号进行放大与调制，得到大功率脉冲射频信号；所述射频偏转腔与所述脉冲射频发射装置连接，所述大功率脉冲射频信号通过电耦合的方式被耦合至所述射频偏转腔中形成时变磁场；超快电子脉冲被发射为穿过所述时变磁场，所述超快电子脉冲的传播方向与所述时变磁场的传播方向垂直，使得所述超快电子脉冲的纵向脉宽转化为横向偏转距离，以实现测量所述超快电子脉冲的脉宽。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述基频信号装置包括激光信号源、同步电信号转换单元及前置放大单元；所述激光信号源用于射出相位锁定的激光信号；所述同步电信号转换单元与所述激光信号源连接，用于将所述激光信号转换为同步电信号；所述前置放大单元与所述同步电信号转换单元连接，用于将所述同步电信号放大为相位锁定的正弦连续波信号。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述正弦连续波信号的带通频率为380～410MHz和760～820MHz。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述脉冲射频发射装置包括调制信号单元、变频及前级驱动单元与功率放大合成单元；所述调制信号单元生成脉冲电信号作为调制信号；所述变频及前级放大单元与所述调制信号单元连接，用于将所述正弦连续波信号进行变频及预放大之后，根据所述调制信号对所述正弦连续波信号进行调制得到脉冲射频信号；所述功率放大合成单元与所述变频及前级放大单元连接，用于将所述脉冲射频信号进行放大得到大功率脉冲射频信号。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述大功率脉冲射频信号的频率带宽为6080～6450MHz，输出峰值功率范围0.01kW～1kW，相位范围0～360°，脉冲宽度范围0.2μs～100μs，输出功率稳定度≤1％，脉冲相位稳定度≤0.1°，脉冲抖动≤1％，相位移动粗调精度为10°，相位移动细调精度为0.2°，脉宽调节精度为0.05μs，占空比≤10％，脉冲上升沿和下降沿均≤100ns。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述脉冲射频发射装置进一步包括控制及显示单元，所述控制及显示单元控制所述变频及前级驱动单元实现调节及监测所述脉冲射频信号的功率、相位和脉宽，以及控制所述功率放大合成单元实现调节及监测所述大功率脉冲射频信号的功率、相位和脉宽。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述射频偏转腔包括腔体壁、能量耦合环、能量耦合环与传输线；所述腔体壁内部为中空腔体；所述能量耦合环设置在所述腔体壁内部；所述传输线连接所述能量耦合环及所述脉冲射频发射装置，用于传输所述大功率脉冲射频信号至所述能量耦合环；所述能量耦合环将所述大功率脉冲射频信号作为激励源通过电耦合的方式耦合至所述射频偏转腔内，在所述射频偏转腔内形成时变磁场。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述时变磁场与所述超快电子脉冲之间的作用区域的长度为5毫米。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述能量耦合环在所述射频偏转腔内激起的电磁场模式为TM₁₁₀模，工作频率为6.4GHz，频谱宽度为900kHz，驻波系数≤1.21，阻抗为50Ω，所述射频偏转腔的品质因数为14000到15000。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述射频偏转腔进一步设置有调节单元，所述调节单元与所述腔体壁连接，用于调节所述腔体壁的位置。

本发明的有益效果包括：本发明引入了射频偏转技术，并且采用了高品质因数的射频偏转腔，利用相位锁定的射频脉冲激励垂直于射频偏转腔中心轴线方向的时变磁场。该时变磁场对电子进行横向偏转，从而将其纵向脉宽转化为横向偏转距离，实现对电子脉宽的测量。使用时，通过射频腔外部的三维调节装置可以精确地将腔体中心调至样品所在位置。同时由于时变磁场的作用区域仅为5mm，因此可以准确地测得样品位置电子的脉宽。

附图说明

图1为本发明超快电子脉冲宽度测量系统的结构示意图；

图2为变频及前级驱动单元的框架图；

图3为射频偏转腔横截面示意图；其中，图3a为射频偏转腔横截面的示意图，图3b为上半部横截面尺寸图；

图4为射频偏转腔内电磁场的分布；其中，图4a为电场分布图，图4b为磁场分布图；

图5为脉冲射频发射装置输出信号曲线以及局部放大图；

图6为超快电子脉冲通过射频偏转腔内发生偏转的效果示意图；

图7为一个实施例中超快电子脉冲宽度测量系统的结构图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

图1显示的是本发明超快电子脉冲宽度测量系统的结构图，主要包括基频信号装置10、脉冲射频发射装置20和射频偏转腔30。

基频信号装置10包括激光信号源11、同步电信号转换单元12及前置放大单元13。激光信号源11为飞秒激光振荡器，其射出相位锁定的激光信号。该激光信号的重复频率为76～82MHz。

同步电信号转换单元12与激光信号源11连接，用于将激光信号转换为同步电信号。同步电信号转换单元12可以是PIN二极管，当激光信号经过PIN二极管之后转换为同步电信号，该同步电信号提供带宽76～82MHz及其高次谐波梳状谱信号输出至前置放大单元13中。

前置放大单元13与同步电信号转换单元12连接，其对同步电信号进行倍频、带通滤波及放大后，获得相位锁定的正弦连续波信号，该正弦连续波同时含有带通为380～410MHz和760～820MHz的正弦波信号。

脉冲射频发射装置20包括调制信号单元21、变频及前级驱动单元22与功率放大合成单元23。脉冲射频发射装置20还进一步包括控制及显示单元24，用于调节及检测大功率射频信号的生成过程。调制信号单元21生成调制信号，本实施例中该调制信号的频率为1kHz。变频及前级放大单元22与调制信号单元21连接，用于将正弦连续波信号进行变频及预放大之后，根据调制信号对正弦连续波信号进行调制得到脉冲射频信号。

图2显示的是一个实例中变频及前级放大单元22的结构示意图，其中变频及前级放大单元22包括第一倍频模块221、第二倍频模块222、第三倍频模块223、前级功率驱动模块224、移相控制模块225与调制模块226。基频信号装置10输出的正弦连续波信号分别传输至第一倍频模块221、第二倍频模块222、第三倍频模块223与前级功率驱动模块224中，前级功率驱动模块224、移相控制模块225与调制模块226依次连接。

380～410MHz和760～820MHz的正弦连续波信号经过上述变频及前级放大单元22时，经过带通滤波器后，正弦连续波信号中380～410MHz内的信号分别经过第一倍频模块221、第二倍频模块222和第三倍频模块223的倍频处理，得到380～410MHz的连续波信号a、3040～3280MHz的连续波信号b、6080～6450MHz的连续波信号c，上述三个信号作为三路相参的输出信号。经过不同的带通滤波器后，正弦连续波信号中760～820MHz内的信号由前级功率驱动模块224进行倍频及功率预放大后，输出峰值功率为60W、频率带宽为6080～6450MHz的连续波信号。该连续波信号依次经过移相控制模块225与调制模块226，调制模块226通过1kHz的调制信号对该连续波信号进行调制，得到频率带宽为6080～6450MHz的脉冲射频信号。

功率放大合成单元23与变频及前级放大单元22连接，用于将脉冲射频信号进行放大得到大功率脉冲射频信号。上述频率为6080～6450MHz的脉冲射频信号经过功率放大合成单元23后生成的大功率脉冲射频信号的频率带宽为6080～6450MHz，输出峰值功率范围0.01kW～1kW，相位范围0～360°，脉冲宽度范围0.2μs～100μs，输出功率稳定度≤1％，脉冲相位稳定度≤0.1°，脉冲抖动≤1％，相位移动粗调精度为10°，相位移动细调精度为0.2°，脉宽调节精度为0.05μas，占空比≤10％，脉冲上升沿和下降沿均≤100ns。

控制及显示单元24分别与变频及前级放大单元22以及功率放大合成单元23连接，通过监测脉冲射频信号、大功率脉冲射频信号以及三路相参输出信号的各参数数值(例如，功率、相位和脉宽)，从而监测变频及前级放大单元22以及功率放大合成单元23的工作状态。若监测变频及前级放大单元22或功率放大合成单元23出现问题时，可以通过控制及显示单元24对其工作状态进行调节或者关闭。

射频偏转腔30包括腔体壁31、能量耦合环32与传输线33。其中，腔体壁31内部为中空腔体，图3a为射频偏转腔横截面，图3b为上半部横截面尺寸图，可见上半部与下半部之间的中心通道直径为3mm，该中心通道呈圆柱形，用于穿过超快电子脉冲。射频偏转腔30的作用区域为图3b中上半部中的收紧部的宽度，其宽度为5mm。

腔体壁31上设置有一个小孔，能量耦合环32通过该小孔插入腔体壁31内部。传输线33分别与能量耦合环32及功率放大合成单元23相连。大功率脉冲射频信号经过传输线33传输至能量耦合环32。能量耦合环32将该大功率脉冲射频信号作为激励源通过电耦合的方式耦合至射频偏转腔30内，在射频偏转腔30中激发起时变磁场。

射频偏转腔30进一步设置有调节单元34。调节单元34中的连接杆与腔体壁31连接。利用调节单元34可以移动腔体壁31的位置，从而对腔体壁31的位置进行校准。利用调节单元34还可以将腔体壁31从超快电子脉冲的路径上移开，使得该超快电子脉冲能够进行除脉宽测量之外的研究。

在超快电子脉冲宽度测量过程中，射频偏转腔30将被置于真空的样品室内，其中的调节单元34从该样品室中探出。因此在该样品室与腔体壁31之间设有真空连接法兰35与波纹管36(参见图1)，对样品室进行密封。例如，将传输线33及连接杆套设在波纹管36中，波纹管36的一端与腔体壁31上的小孔连通，另一端与真空连接法兰35连接。真空连接法兰35设置在样品室的表面，调节单元34的连接杆从真空连接法兰35伸出，从而保证样品室内保持真空状态。

图4为射频偏转腔内电磁场的分布。由图4a可见，射频偏转腔内的电场分布在中心轴线之外。由图4b可见，磁场主要分布于射频偏转腔的中心轴线附近。电场相位与磁场相位相差为90度，图4a与图4b分别显示的是同一时刻下的电场分布与磁场分布，其中图4a中的电场相位为0度，图4b中磁场相位为90度。

图5为脉冲射频发射装置20输出信号曲线以及局部放大图。从图5a中可读取该射频信号为大功率脉冲调制信号，重复频率为1kHz，脉宽为300ns。图5b中可读取该射频信号的周期为156.25ps，对应载波频率为6.4GHz。被该大功率脉冲射频信号激励的电磁场模式为TMn0模，工作频率为6.4GHz，频谱宽度为900kHz，驻波系数≤1.21，阻抗为50Ω，品质因数为14000到15000。

图6为超快电子脉冲通过射频偏转腔被拉仲的效果示意图。由图6可知超快电子脉冲经过射频偏转腔30前后，中心部分的电子运动方向不发生变化，而前沿和后端的电子分别受到相反方向的横向偏转，在荧光屏上最终显示的电子变成一个长条，通过测量该长条可以获得脉冲宽度。

图7为一个实施例中超快电子脉冲宽度测量系统的结构图。激光信号源11为飞秒激光器振荡器，其输出的相位锁定的重复频率为76～82MHz的激光信号通过分束片14被分为两路激光。

其中一路通过同步电信号转换单元12转化为同步电信号，该同步电信号提供频率带宽为76～82MHz及其高次谐波梳状谱信号，该同步电信号输入到前置放大单元13，通过倍频，滤波带通放大，获得同时含有带通为380～410MHz和760～820MHz的正弦连续波信号。

另一路输入到激光器放大器40产生中心波长为800nm、重复频率为1kHz的激光脉冲，该激光脉冲通过外部光路41三倍频转化为266nm脉冲激光入射到电子枪50产生超快电子脉冲，同时激光器放大器40作为调制信号单元21输出与激光信号同步的1kHz脉冲电信号作为调制信号。

前置放大单元13输出的同时含有带通为380～410MHz和760～820MHz的正弦连续波信号作为基频输入到脉冲射频发射装置20，经过倍频，移相，功率放大、合成以及调制信号的调制后获得峰值功率为0.01kW～1kW、带宽为6080～6450MHz、重复频率为1～1500Hz、脉冲脉宽为0.2μs～100μs的大功率脉冲射频信号，并可从输出端耦合出一路信号进行检波测量。

大功率脉冲射频信号通过能量耦合环32耦合到射频偏转腔30中，在射频偏转腔30内激起TM₁₁₀模式的电磁场分布，该模式下磁场主要分布于射频偏转腔30的中心轴线附近，而电场则分布在轴线之外。

在需要测量超快电子脉冲的脉宽时，通过调节设置在射频偏转腔30外部的调节单元34将射频偏转腔30移至样品室52中心位置，使电子枪50产生的超快电子脉冲能穿过射频偏转腔30。此时，腔内产生相位锁定垂直于中心轴线方向的时变磁场，超快电子脉冲在此时变磁场作用下产生横向偏转，从而将其纵向脉宽转化为横向偏转距离，在荧光屏53上最终显示的电子变成一个长条，通过计算可得到超快电子脉冲的脉宽。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，包括：基频信号装置(10)、脉冲射频发射装置(20)和射频偏转腔(30)；

所述基频信号装置(10)生成一个相位锁定的正弦连续波信号；

所述脉冲射频发射装置(20)与所述基频信号装置(10)连接，其对所述正弦连续波信号进行放大与调制，得到大功率脉冲射频信号；

所述射频偏转腔(30)与所述脉冲射频发射装置(20)连接，所述大功率脉冲射频信号通过电耦合的方式被耦合至所述射频偏转腔(30)中形成时变磁场；

超快电子脉冲被发射为穿过所述时变磁场，所述超快电子脉冲的传播方向与所述时变磁场的传播方向垂直，使得所述超快电子脉冲的纵向脉宽转化为横向偏转距离，以实现测量所述超快电子脉冲的脉宽。

2.如权利要求1所述的超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，所述基频信号装置(10)包括激光信号源(11)、同步电信号转换单元(12)及前置放大单元(13)；

所述激光信号源(11)用于射出相位锁定的激光信号；

所述同步电信号转换单元(12)与所述激光信号源(11)连接，用于将所述激光信号转换为同步电信号；

所述前置放大单元(13)与所述同步电信号转换单元(12)连接，用于将所述同步电信号放大为相位锁定的正弦连续波信号。

3.如权利要求1或2所述的超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，所述正弦连续波信号的带通频率为380～410MHz和760～820MHz。

4.如权利要求1所述的超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，所述脉冲射频发射装置(20)包括调制信号单元(21)、变频及前级驱动单元(22)与功率放大合成单元(23)；

所述调制信号单元(21)生成脉冲电信号作为调制信号；

所述变频及前级放大单元(22)与所述调制信号单元(21)连接，用于将所述正弦连续波信号进行变频及预放大之后，根据所述调制信号对所述正弦连续波信号进行调制得到脉冲射频信号；

所述功率放大合成单元(23)与所述变频及前级放大单元(22)连接，用于将所述脉冲射频信号进行放大得到大功率脉冲射频信号。

5.如权利要求1或4所述的超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，所述大功率脉冲射频信号的频率带宽为6080～6450MHz，输出峰值功率范围0.01kW～1kW，相位范围0～360°，脉冲宽度范围0.2μs～100μs，输出功率稳定度≤1％，脉冲相位稳定度≤0.1°，脉冲抖动≤1％，相位移动粗调精度为10°，相位移动细调精度为0.2°，脉宽调节精度为0.05μs，占空比≤10％，脉冲上升沿和下降沿均≤100ns。

6.如权利要求4所述的超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，所述脉冲射频发射装置(20)进一步包括控制及显示单元(24)，所述控制及显示单元(24)控制所述变频及前级驱动单元(22)实现调节及监测所述脉冲射频信号的功率、相位和脉宽，以及控制所述功率放大合成单元(23)实现调节及监测所述大功率脉冲射频信号的功率、相位和脉宽。

7.如权利要求1所述的超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，所述射频偏转腔(30)包括腔体壁(31)、能量耦合环(32)与传输线(33)；

所述腔体壁(31)内部为中空腔体；所述能量耦合环(32)设置在所述腔体壁(31)内部；所述传输线(33)连接所述能量耦合环(32)及所述脉冲射频发射装置(20)，用于传输所述大功率脉冲射频信号至所述能量耦合环(32)；所述能量耦合环(32)将所述大功率脉冲射频信号作为激励源通过电耦合的方式耦合至所述射频偏转腔(30)内，在所述射频偏转腔(30)内形成时变磁场。

8.如权利要求1或7所述的超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，所述时变磁场与所述超快电子脉冲之间的作用区域的长度为5毫米。

9.如权利要求7所述的超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，所述能量耦合环(32)在所述射频偏转腔(30)内激起的电磁场模式为TM₁₁₀模，工作频率为6.4GHz，频谱宽度为900kHz，驻波系数≤1.21，阻抗为50Ω，所述射频偏转腔(30)的品质因数为14000到15000。

10.如权利要求7所述的超快电子脉冲宽度测量系统，其特征在于，所述射频偏转腔(30)进一步设置有调节单元(34)，所述调节单元(34)与所述腔体壁(31)连接，用于调节所述腔体壁(31)的位置。

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