CN106847662A - 基于激光等离子体驱动的超快电子衍射装置 - Google Patents

Abstract

一种超快电子衍射装置，包括：飞秒激光光源、靶室、样品控制器、电子束成像系统和真空泵。利用激光与固体靶相互作用中产生的电子束作为超快电子衍射的电子源以及电子束的优化是本发明的核心。本发明利用激光等离子体相互作用产生的电子束，电子不需要经历阴极‑阳极的加速以及偏转过程，减小了电子到达样品的传输距离以及由于长距离传输导致的空间电荷效应的影响，提高了该装置的时间分辨能力。另一方面，电子束的优化系统能够筛选出单能性好，能散低的电子，进一步提高了该装置的空间分辨能力。本发明具有结构紧凑，时间空间分辨率高的优点。

Description

基于激光等离子体驱动的超快电子衍射装置

技术领域

本发明涉及电子衍射装置，具体涉及一种基于激光等离子体驱动的超快电子衍射装置。

背景技术

在原子分子以及物质结构研究中，由于电子的德布罗意波长远小于光波的波长，采用电子衍射作为探测手段代替传统光学显微镜极大的提高了空间分辨率。超快电子衍射由于同时具有高的空间分辨率和时间分辨率，近年来成为结构动力学研究的重要实验手段，在物理、化学以及生命科学领域应用广泛。超快电子衍射实验中，时间分辨率取决于电子束的脉冲宽度，空间分辨率取决于电子束的能量以及能散，而电子束所包含的电荷量决定了是否能获得足够的样品信息。因此，高品质电子束的产生与控制是超快电子衍射实验的核心。

传统的超快电子衍射装置如图1所示，其采用的电子源是利用飞秒激光脉冲与光电阴极1相互作用，产生脉冲宽度为飞秒量级的超快电子脉冲。再经过阳极2加速和磁透镜3的聚焦，以及偏转系统4作用到样品5上，接收系统6记录的衍射信息包含样品时间与空间分辨的特征。然而由于电极产生电场的加速梯度较小，电子束在加速、聚焦、偏转、扫描过程中较长的运动距离将导致严重的空间电荷效应，使电子束的脉宽展宽，发散角增大，从而限制了单发电子束的时间以及空间分辨率；另一方面，通过减小电荷量可以降低空间电荷效应的影响，然而得不到足够的样品信息。同时该飞秒衍射装置整体往往比较庞大，造价高昂，也限制了其使用范围。

田野等人在文献：“Electron Emission at Locked Phases from the Laser-Driven Surface Plasma Wave”，Physics Review Letter,Vol.109,No.11,2012中提出了一种可以应用于超快电子衍射的电子源结构，是将一束飞秒激光与铝靶相互作用，在激光的反射方向将从靶表面的等离子体中加速并发射出电子。在这样的结构中，电子不需要经历阳极的加速以及偏转系统，降低了空间电荷效应的影响。但是由于出射电子能谱宽，电子束能散大，获得的电子束品质并不理想。

因此，本领域迫切需要研发一种可以实现高时间、空间分辨率，并且结构简单，体积小、成本低的超快电子衍射装置，使超快电子衍射进一步实际应用于医疗、科研等领域。

发明内容

本发明的目的是通过优化激光与固体靶作用产生的电子束品质，将其用作超快电子衍射的电子源，从而提供一种高时间分辨率、空间分辨率的超快电子衍射装置。它不仅能解决现有技术中电子源能散大，电子衍射图样变宽、时间分辨率降低的问题，还具有结构紧凑，建造成本低的优点。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于激光等离子体驱动的超快电子衍射装置，其特点在于，该装置包括：飞秒激光光源、靶室、样品控制器、电子束成像系统和真空泵；

所述的靶室是一个具有主脉冲入射窗口的筒状腔室，在所述的靶室中设有固体靶和聚焦系统，该聚焦系统由反射镜和离轴抛物面镜构成，所述飞秒激光光源出射的激光通过主脉冲入射窗口垂直入射到所述靶室中，经所述的反射镜和离轴抛物面镜聚焦到固体靶的表面；

在所述的固体靶激光的反射方向依次是电子束优化系统、控制样品底座和与所述靶室连接的电子束成像系统，在所述的控制样品底座上是样品台，该样品台供设置待测样品，从所述固体靶表面发射的电子束经过所述电子束优化系统入射到待测样品上；

所述的电子束成像系统依次由微通道板、荧光屏和CCD构成，所述的微通道板与所述的靶室相连通；

所述的真空泵通过插板阀与所述靶室连接；

所述的样品控制器通过控制电路经所述的靶室上的电路接口与所述的控制样品底座相连；

所述电子束优化系统包括：第一狭缝垂直放置在所述固体靶输出的电子束出射方向上；第一块二极磁铁的N极朝上，S极朝下，与所述的第一狭缝平行放置在电子入射方向的右侧；第二块二级磁铁的N极朝上，S极朝下，与所述的第一块二极磁铁以顺时针水平旋转5至15度角放置在电子入射方向的右侧，电子束首先入射进入所述的第二块二极磁铁；第二狭缝与所述的第二块二极磁铁平行放置在所述的第一块二极磁铁和第二块二极磁铁间远离入射电子方向的一侧，用于筛选出单能电子；一个磁透镜放置在所述第一块二极磁铁的电子出射方向，用于对出射的电子束进行聚焦。

所述的飞秒激光光源为短脉冲飞秒激光光源，激光束的脉宽为1至100飞秒，激光峰值功率为10-200拍瓦。

所述的飞秒激光光源输出的激光经所述的聚焦系统聚焦后，在所述的固体靶上的焦斑尺寸为3-25微米。

所述固体靶为平面铝靶、钨靶或金靶。

所述的第一狭缝上覆盖有一层金属箔。

所述靶室至少有一个通向所述的待测样品的泵浦光入射窗口，可以增加泵浦-延时系统。

本发明的工作过程如下：

真空泵将靶室抽真空至压强低于1-10帕斯卡；飞秒激光器发出的激光入射到靶室后，被所述聚焦系统聚焦到固体靶的表面，在激光束的反射方向上产生电子束，其时间特性复制了激光脉冲的时间特性，也具有飞秒量级时间宽度；电子束与反射激光经过第一狭缝时，激光被所述狭缝上的金属薄膜阻挡，而部分电子可以透射通过狭缝；透射电子首先进入所述的第二块两极磁铁中作半圆周运动，具有不同能量的电子圆周运动的半径不同；从所述的第二块两极磁铁中出射的电子经过所述的第二狭缝筛选出相同回旋半径的单能电子；经过筛选的单能电子继续进入所述的第一块二极磁铁做半个圆周运动后出射；从所述第一块二极磁铁中出射的电子经过磁透镜聚焦入射到样品上；调节聚焦激光束的入射角可以改变电子束的初始能量，磁透镜调节电子束的聚焦位置，调整控制样品底座可以调整样品的位置和角度，从而通过对样品的衍射实现动态结构信息探测。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明超快电子衍射装置最大的优点是时间分辨率高。由于与现有技术相比，电子束不需要经过电场加速，电子的运动距离大大缩短，减小了空间电荷效应的影响，显著提高了时间分辨率，可优于100飞秒以下；

(2)本发明超快电子衍射装置具有高的空间分辨能力，可优于0.01埃；

(3)本发明超快电子衍射装置中电子的产生加速以及品质优化都在真空室内完成，装置的结构紧凑，可以实现台式化的超快电子衍射实验，并且建造成本低。

附图说明

图1是现有的超快电子衍射装置结构示意图；

图2是本发明超快电子衍射装置示意图；

图3是本发明的电子束优化系统示意图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但所给具体实施例只是为了说明本发明技术方案的实质精神，不应以此限制本发明的保护范围。

图2是本发明的超快电子衍射装置示意图。如图2所示，本发明超快电子衍射装置，包括：飞秒激光光源7、靶室23、样品控制器28、电子束成像系统30、真空泵22；

所述的靶室23是一个具有主脉冲入射窗口24的筒状腔室，在所述的靶室23中设有固体靶9和聚焦系统31，该聚焦系统31由反射镜32和离轴抛物面镜8构成，所述飞秒激光光源7出射的激光通过主脉冲入射窗口24垂直入射到所述靶室23中，经所述的反射镜32和离轴抛物面镜8聚焦至固体靶9的表面；

所述的固体靶9是厚度为微米量级的铝箔；

在所述的固体靶9激光的反射方向依次是电子束优化系统29、控制样品底座17和与所述靶室23连接的电子束成像系统30，在所述的控制样品底座17上是样品台16，该样品台16供设置待测样品15，从所述固体靶9表面发射的电子束经过所述电子束优化系统29入射到待测样品15上；

所述的电子束成像系统30依次由微通道板18、荧光屏19和CCD20构成，所述的微通道板18与所述的靶室23相连通；

所述的真空泵22通过插板阀21与所述靶室23连接，使真空室的压强低于1-10帕斯卡；

所述的样品控制器28通过控制电路27经所述的靶室23上的电路接口26与所述的控制样品底座17相连，能够对样品15经行位移或旋转的精密控制，实现测量待测样品15不同方位的衍射信息；

所述电子束优化系统29包括：第一狭缝12垂直放置在所述固体靶9输出的电子束出射方向上；第一块二极磁铁10的N极朝上，S极朝下，与所述的第一狭缝12平行放置在电子入射方向的右侧；第二块二级磁铁11的N极朝上，S极朝下，与所述的第一块二极磁铁10以顺时针水平旋转10度放置在电子入射方向的右侧，电子束首先入射进入所述的第二块二极磁铁11；第二狭缝13与所述的第二块二极磁铁11平行放置在所述的第一块二极磁铁10和第二块二极磁铁11间远离入射电子方向的一侧，用于筛选出单能电子；一个磁透镜14放置在所述第一块二极磁铁10的电子出射方向，用于对出射的电子束进行聚焦。

较佳地，激光束为基模高斯光束，激光脉冲具有10至100飞秒的脉宽，10至200拍瓦的峰值功率。激光脉冲入射到固体靶上将在激光的反射方向产生高品质的电子束：脉宽10至100飞秒，能量10至20万电子伏特，电量10飞库至10皮库，能散5％以下。

当第一块两极磁铁10和第二块两极磁铁11的磁场均为60毫特斯拉时，经过能量筛选的电子束能散可以达到约1％。

当磁透镜14的匝数为1006时，电子束聚焦在样品15处，磁透镜14的焦距为125.4mm，此时用于超快衍射成像实验。经过优化后的电子束具有较短的脉宽和低能散，与样品相互作用可以实现高的空间分辨率和时间分辨率。

Claims (6)

1.一种基于激光等离子体驱动的超快电子衍射装置，其特征在于，该装置包括：飞秒激光光源(7)、靶室(23)、样品控制器(28)、电子束成像系统(30)、真空泵(22)；

所述的靶室(23)是一个具有主脉冲入射窗口(24)的筒状腔室，在所述的靶室(23)中设有固体靶(9)和聚焦系统(31)，该聚焦系统(31)由反射镜(32)和离轴抛物面镜(8)构成，所述飞秒激光光源(7)出射的激光通过主脉冲入射窗口(24)垂直入射到所述靶室(23)中，经所述的反射镜(32)和离轴抛物面镜(8)聚焦到固体靶(9)的表面；

在所述的固体靶(9)激光的反射方向依次是电子束优化系统(29)、控制样品底座(17)和与所述靶室(23)连接的电子束成像系统(30)，在所述的控制样品底座(17)上是样品台(16)，该样品台(16)供设置待测样品(15)，从所述固体靶(9)表面发射的电子束经过所述电子束优化系统(29)入射到待测样品(15)上；

所述的电子束成像系统(30)依次由微通道板(18)、荧光屏(19)和CCD(20)构成，所述的微通道板(18)与所述的靶室(23)相连通；

所述的真空泵(22)通过插板阀(21)与所述靶室(23)连接；

所述的样品控制器(28)通过控制电路(27)经所述的靶室(23)上的电路接口(26)与所述的控制样品底座(17)相连；

所述电子束优化系统(29)包括：第一狭缝(12)垂直放置在所述固体靶(9)输出的电子束出射方向上；第一块二极磁铁(10)的N极朝上，S极朝下，与所述的第一狭缝(12)平行放置在电子入射方向的右侧；第二块二级磁铁(11)的N极朝上，S极朝下，与所述的第一块二极磁铁(10)以顺时针水平旋转5至15度角放置在电子入射方向的右侧，电子束首先入射进入所述的第二块二极磁铁(11)；第二狭缝(13)与所述的第二块二极磁铁(11)平行放置在所述的第一块二极磁铁(10)和第二块二极磁铁(11)间远离入射电子方向的一侧，用于筛选出单能电子；一个磁透镜(14)放置在所述第一块二极磁铁(10)的电子出射方向，用于对出射的电子束进行聚焦。

2.根据权利要求1所述的超快电子衍射装置，其特征在于，所述的飞秒激光光源(7)为短脉冲飞秒激光光源，激光束的脉宽为1至100飞秒，激光峰值功率为10-200拍瓦。

3.根据权利要求1所述的超快电子衍射装置，其特征在于，所述的飞秒激光光源(7)输出的激光经所述的聚焦系统(31)聚焦后，在所述的固体靶(9)上的焦斑尺寸为3-25微米。

4.根据权利要求1所述的超快电子衍射装置，其特征在于，所述固体靶为铝靶、钨靶或金靶。

5.根据权利要求1所述的超快电子衍射装置，其特征在于，所述的第一狭缝(12)上覆盖有一层金属箔。

6.根据权利要求1至5任一项所述的超快电子衍射装置，其特征在于，所述靶室(22)还有一个通向所述的待测样品(15)的泵浦光入射窗口(25)。