CN111508804B - 用于产生电子束的设备和透射电子显微镜设备 - Google Patents

Abstract

一方面，本发明提供了一种在透射电子显微镜设备中产生电子束的方法。该方法包括：通过脉冲电子源[300]产生电子脉冲[306]，在第一谐振微波空腔[302]中加速所述电子脉冲，使加速的电子脉冲穿过漂移空间[314]，以及通过操作第二谐振微波空腔与所述第一谐振空腔[302]异相90度来在所述第二谐振微波空腔[304]中校正加速的电子脉冲的能量扩展。

Description

用于产生电子束的设备和透射电子显微镜设备

本申请是申请日为2016年10月20日、申请号为201680073074.5，题为“在透射电子显微镜设备中产生电子束的方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明大体涉及用于产生透射电子显微镜设备的电子束的技术。更具体地，涉及用于通过使用谐振RF空腔来产生具有非常高能量稳定性的电子束的改进的方法。

背景技术

现有技术的透射电子显微镜(TEM)基于高亮度电子束，其束能通常在100-300keV的范围内。束能由高压(100-300kV)静电加速器提供。这种高压电源的使用是累赘且昂贵的，特别是因为要求能量扩展小于1eV，即1ppm量级的相对能量稳定性。对于诸如电子能量损失光谱学(EELS)的应用，期望更小的能量扩展(0.01eV或更小)，目前只能通过使用昂贵的能量过滤器并同时牺牲束电流的大部分来实现。

就复杂性和成本而言，高压静电加速的一个有吸引力的替代方法是通过谐振射频(RF)空腔中的时间依赖场加速，这在相对粒子加速器中很常见。然而，由于高功率RF放大器的功率稳定性有限，RF加速最多可提供10^-4的相对能量稳定性。

发明内容

已知使用聚束空腔和加速空腔的组合以低能量色散的脉冲模式产生电子束。这些聚束技术被设计用于提高微波加速器的效率，因为(1)由热电子枪产生的大部分电子通过在加速之前使电子束聚束而以适当的相位注入到加速部分中以便加速；(2)由单一微波发生器完成，通过使聚束空腔和加速空腔被具有精心设计的孔的公共壁分开来同时馈送聚束空腔和加速空腔。

另一方面，在本发明的实施例中，(1)聚束空腔和加速空腔的顺序相反；首先电子脉冲在加速空腔中被加速，并且随后它们被发送通过校正能量扩展的空腔。第二组空腔以90度相位差运行，但它们不起到聚束空腔的作用：它们在这样的功率下运作，该功率使得它们使脉冲不再进一步扩张；这比聚束所需要的功率要小。为了实现这一点(2)能量校正“聚束”空腔与加速空腔分开一漂移空间；如果空腔共用薄的公共壁，如在现有技术中那样，本发明的能量校正方法将不起作用。

此外，用现有技术可以实现的最小能量扩展受到微波发生器稳定性的限制。由于这个原因，这些现有的方法不适用于高分辨率透射电子显微镜。

本发明的实施例和现有方法在几个重要方面有所不同：

-加速空腔和90度相移空腔的顺序相反；

-在现有技术中不存在并且完全不期望两组空腔之间的漂移空间；

-90度相移空腔的功能完全不同；

-可实现的相对能量扩展远小于先前的方法；它实际上可以在先前的方法上大幅度提高；

-电子显微镜不是先前方法的应用。

一方面，本发明提供了一种在透射电子显微镜设备中产生电子束的方法。该方法包括：通过脉冲电子源产生电子脉冲，在第一谐振微波空腔中加速电子脉冲，使加速的电子脉冲穿过漂移空间，以及通过操作第二谐振微波空腔与第一谐振空腔异相90度来在第二谐振微波空腔中校正加速的电子脉冲的能量扩展。

有利地，基于相对便宜的技术的具有优异的射束特性的这种新型透射电子显微镜(TEM)可以在不需要高压静电加速的情况下实现，同时保持亚电子伏特能量扩展。

通过使用RF空腔来加速电子，不再需要累赘的高压技术。通过使用异相90度振荡的第二组RF空腔，可以获得与高压静电加速相同的能量扩展，或甚至更低的能量扩展。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的在沿着射束路径的三个随后位置处的自由传播脉冲的纵向相空间分布的演变。

图2是根据本发明的实施例的轴上电场强度对时间的曲线图，示出了在常规单频操作的情况下的电场和如果添加第二谐波产生的电场两者。

图3是根据本发明的实施例的能量扩展校正电子显微镜的示意图。

图4是根据本发明的实施例的包括减压空腔的能量扩展校正电子显微镜的示意图。

具体实施方式

本发明提供了利用谐振RF空腔产生具有非常高能量稳定性的电子束的技术。在一个方面，使用两个以90度异相振荡的RF空腔，其中第二空腔减小了由第一空腔加速的射束的能量扩展。以比空腔振荡周期小得多的时间尺度使电子束脉动。该技术允许实现需要亚电子伏特能量扩展而不需要传统的高压静电加速的透射电子显微镜。这种RF空腔的组合可以在电子显微镜中实现。

本发明的实施例包括(至少)两个单独的谐振RF空腔的组合。在本说明书中，每个空腔也可以实现为一组(RF)空腔。因此，在不失一般性的情况下，以下描述将涉及第一和第二空腔，理解为这相当于第一和第二组空腔。

在优选实施例中，第一RF空腔将电子加速到期望的束能量，随后将其发送到第二空腔中。在第二空腔中，电子经历与第一空腔中经历的场成90度异相振荡的RF场。在第二空腔中，由于RF功率的变化而与目标束能量的偏差通过减速具有太多能量的电子并加速具有太少能量的电子来校正。

以比RF周期短得多的脉冲周期使用脉冲电子源，以与空腔中的RF场的振荡同相地传递脉冲。RF空腔中的振荡场是锁相的，可以通过用单个RF源驱动它们来实现。脉冲电子源可以通过脉冲(亚)ps激光光电发射、脉冲(亚)ps激光光电离或通过RF场的脉冲场发射来实现。通过使用锁模激光器，激光脉冲可以以适当水平的准确度与RF场的相位同步。

本发明的实施例使得可以使用RF加速同时保持低能量扩展并因此实现低能量扩展射频电子显微镜。例如，可以在不需要高压静电加速的情况下实现几个100keV的TEM，同时保持亚电子伏特能量扩展。

以下是对本发明实施例的基础理论原理的描述。考虑在TM₀₁₀模式下电磁(EM)场共振振荡的RF药盒(pillbox)空腔，圆柱形空腔的对称轴(z轴)与电子束重合。在这种情况下，电场仅在z方向上具有场分量：

其中，ω是RF振荡频率，并且是在t＝0时的RF相位。靠近Z轴，药盒空腔内的场可近似为：

该近似简化了计算，但对本发明不是必需的。其他谐振模式也可以被使用。在穿过加速空腔期间带电荷q的带电粒子获得的动量p_z由下式给出：

对于并且t₀＝π/2ω，实现了最大动量增益：

假设质量为m的粒子在t＝-t₀＝-π/2ω处注入到空腔中，其速度远小于最终速度。这个假设不是必需的，但简化了计算。此外，我们忽略相对效应，这对解释本发明不是必需的。加速后的动能由下式给出：

作为示例，考虑药盒RF空腔，以ω/2π＝3GHz的频率和E₀＝15MV/m的电场幅度在TM₀₁₀模式下振荡。当电子在适当的RF相位处以零速度注入以获得最大加速度时，它将在该场中加速至U≈200keV，与通常用于现有技术TEM的射束能量相当。这可以通过长度为Δz＝-πqE₀/mω²＝2cm，RF功率大约为10kW的RF空腔来实现。通过加速连续几个耦合空腔中的电子，可以用更少的RF功率实现相同的最终能量。

等式(3)表示加速后的最终粒子动量如何取决于和t₀，即取决于电子注入时刻和RF振荡的同步。对于t₀＝π/2ω并且/>

RF相位不稳定性将因此转化为相对动量和能量扩展：

对于现有技术TEM，期望能量稳定性|ΔU/U|≤10^-6，因此RF相位稳定度对于RF频率ω/2π＝3GHz，这对应于50fs电子注入稳定性。这在目前技术上的可能性内。

RF加速的能量稳定性一般受高功率RF放大器的稳定性的限制：|(ΔU/U)_amp|＝|ΔE₀/E₀|≥10^–4，这是RF放大一般不用于透射电子显微镜的主要原因。

由于RF加速后的最终能量强烈依赖于RF相位，所得到的射束是脉冲式的，其脉冲长度远小于射频周期：τ＜＜2π/ω，最大脉冲重复频率f_rep,max＝ω/2π。在图1中，自由传播脉冲的纵向相空间分布的演变通过绘制射束路径中三个随后的空间观察位置处的纵向相空间中的粒子分布来示出。在三幅图中，沿着垂直轴绘制粒子相对于平均粒子能量的能量；沿着水平轴绘制粒子在观测点处的到达时间，其中t＝0对应于中心粒子的到达时间。分布100,102,104由均匀填充的椭圆示意性地表示。

初始分布100是具有初始脉冲持续时间τ_i和有限能量扩展ΔU_i＝v_zΔp_z的不相关的时间-能量扩展，其中v_z是粒子聚束的平均速度。随着脉冲传播，脉冲持续时间将增加，较高能的、较快的粒子向前移动，并且较低能量的较慢的粒子滞后，导致分布102，其中粒子能量U和时间t很好地近似线性相关：啁啾的射束。在漂移长度L之后，最有能量的粒子将以时间差τ＝LΔv_z/v_z ²超过最不具能量的粒子。各个粒子的能量不会改变，并且纵向相空间中椭圆分布的面积是守恒的：随着椭圆的倾斜，它会随时间伸展，变得更长且更薄。

漂移空间引起能量-时间或纵向-速度-位置相关性的增加，其可以通过RF校正空腔来解除以产生具有减小的能量扩展的分布104。

线性相关性可以通过TM₀₁₀模式中的第二个RF空腔的时间相关场来解除，该场以场振幅E₁和相位运行，使得靠近z轴的振荡场由下式给出：

如果脉冲在t＝-t₁时刻进入第二个空腔，并在t＝t₁时刻离开，则动量变化由下式给出

如果脉冲中心的粒子经历相位则在穿过空腔后不会获得净动量。脉冲前面的粒子经历相位/>而后面的粒子经历相位/>如果第二空腔与加速空腔相距距离L，我们得到ωτ＝ωLΔv_z/v_z ²＜＜1，使得

为了消除线性能量-时间相关性，第二空腔引起的动量变化应该等于：

Δp_z,1＝-Δp₂/2 (11)

然后导致电场幅度E₁的表达式，用于解除在距离L上漂移期间获取的线性能量啁啾：

对于设计良好的校正空腔ωt₁＝π/2，并且因此|E_1，min|＝U/qL。示例：对于束能量U＝400keV且加速器空腔与校正空腔之间的距离L＝0.5m，适度的电场幅度E₁＝0.8MV/m可以足以解除能量啁啾并因此使能量扩展最小化。请注意，只要ωLΔv_z/v_z ²＜＜1，在漂移空间开始时出现的任何能量扩展ΔU(也是由于RF放大器的有限稳定性导致的能量扩展)将被最小化。

最终可达到的最小能量扩展可以使用以下事实来估计：脉冲持续时间τ和能量扩展ΔU的乘积对于未啁啾的射束是守恒的，即，在不存在能量-时间相关性的情况下(见图1)：

τ_i·ΔU_i＝τ_f·ΔU_f (13)

例如：具有10^-4相对能量扩展的100fs脉冲可以被转换成具有10^-6相对能量扩展的10ps脉冲。可达到的能量扩展受到以下事实的限制：最终脉冲长度应该比RF周期小得多，使得电子脉冲在第二空腔中经受在时间上充分线性变化的电场。

实际上，校正空腔的有效性以及因此可实现的最小能量扩展也受以下各项的限制：(1)校正空腔中的电场幅度E₁的变化；(2)脉冲在校正空腔中到达时间的变化；(3)校正空腔中电子经历的电场的时间依赖性的非线性。现在将更详细地讨论这些。

最终能量扩展对校正空腔的电场振幅变化的依赖性由ΔU_f＝ΔU_i(ΔE₁/E₁)给出，其对于由RF放大器的受限稳定性引起的典型变化ΔE₁/E₁≈10^-4完全可以忽略不计。

空腔相位相对于电子脉冲到达时间的抖动将转换到达时间抖动/>使用目前可用的同步电子设备，这相当于小于100fs。因此Δτ_f/τ_f＜＜1，也使得该贡献可忽略不计。

在过零点周围，校正空腔中的电场可以近似为E_z(t)＝E₁(ωΔt-(ωΔt)³/6+(ωΔt)⁵/120+...)其中Δt是相对于过零点的时间。为了适当操作校正空腔，电子所经历的场应具有线性时间依赖性。脉冲前部或后部的电子使用|Δt|＝τ/2意味着(ωτ_f)²/24＜＜1。假设，例如，我们允许1％的非线性，我们发现对于3GHz校正空腔，τ_f≤0.5ω^-1≈25ps。

理想情况下，校正空腔应具有精确线性的时间依赖性，即锯齿函数，在这种情况下，对于3GHz空腔体，τ_f≤150ps。

然而，也可以通过允许空腔中的较高次的谐波来改善过零点周围电场的线性。例如，以适当的幅度在二次谐波上添加场：

E_z(t)＝E₁sin(ωt)-(E₁/8)sin(2ωt) (14)

将消除过零点处的三阶非线性。方程(14)给出的场在图2中示出，其中在两种情况下轴上电场强度被绘制为时间的函数。一条曲线200示出了在常规单频操作的情况下的电场，即，仅在方程(14)右侧的第一项；另一个曲线202示出了如果第二谐波与如方程(14)中给出的振幅相加所产生的电场。由于过零点处的三阶非线性已被消除，因此非线性准则变为(ωτ_f/2)⁴/120＜＜1。允许1％的非线性现在导致τ_f≤2ω^-1≈100ps，因此进一步减少能量扩展。

对于根据本发明实施例的RF TEM，使用脉冲电子源，其产生与具有相位抖动的空腔的RF相位同步的超短电子脉冲。对于初始脉冲长度τ_i＝100fs，RF相位抖动应为/>相位抖动可以通过创建与振荡RF场直接同相的电子脉冲(1)或者通过利用同步于该RF振荡的锁模飞秒激光进行的(2)光电发射或(3)光致电离产生电子脉冲来实现。电子源的选择很重要，因为它决定了初始脉冲持续时间，电子束电流和电子束发射度。

使用TM₁₁₀模式的RF空腔体作为超快射束消隐器，由标准场发射枪发射的连续射束可以变成脉冲射束，同时保持射束发射和能量扩展。脉冲序列具有等于RF频率的重复率，可以直接实现脉冲持续时间τ_i≤100fs。可以通过将RF加速场施加到场发射尖端来升高电流，使得当振荡RF场最大时电子将优先发射。这些脉冲不一定是超短波，但是可以使用RF波束消隐器来切除电流峰值处的脉冲的中心部分。

通过来自平坦金属光电阴极的飞秒激光光电发射，容易产生100fs电子脉冲，但由于大的发射面积而具有相对较差的发射度。由此产生的射束质量不足以用于高分辨率TEM。飞秒脉冲也可以通过用飞秒激光脉冲从侧面照射尖锐的场发射尖端来产生，激光脉冲的线性偏振指向加速度方向。然后，光场的场增强导致发射超低发射度的飞秒电子脉冲。通过在磁光阱中的超冷、激光冷却原子气体的飞秒光电离，可以产生低发射度飞秒电子脉冲。

图3根据一个实施例示出了在3GHz下加速到200keV的能量扩展校正电子显微镜的可能实现的示意图。该设备包括三个主要部分：5keV脉冲电子源300，其输送与射频(RF)振荡器的相位同步的(亚)皮秒电子脉冲；充当3GHz RF加速器的第一谐振RF谐振空腔302，将由脉冲电子源提供的电子脉冲306的能量从5keV提升到200keV；第二RF谐振空腔304，其RF场与第一谐振空腔302中的场异相90度振荡，因此充当3GHz RF能量扩展校正器。在这个实施例中，脉冲源300在5kV下操作，并且由源产生的电子脉冲306在进入第一空腔体302之前行进0.03m。电子束路径由虚线308表示。振荡的轴上RF场由粗箭头表示。在TM₀₁₀模式下，所指示的RF空腔的大小对于在3GHz下运行的药盒空腔是典型的。单个3GHz RF电源310将RF功率馈送到第一空腔302和第二空腔304两者中，由此确保空腔302和304中的RF场之间的固定相位关系。RF电源具有RF振荡器和RF放大器。第一空腔302和第二空腔304可以分别由其自己的RF放大器来操作。然而，馈入RF放大器的信号是由单个RF振荡器产生的，以确保固定的相位关系。移相器312允许调节空腔302和304之间的RF相位差。空腔302和304由长度为L的漂移空间314隔开。在该实施例中，漂移空间314具有长度L＝0.4m。更一般地，L的值优选足够大，使得最终的τ_f基本上大于τ_i。所以，如果τ_i很小，理论上L也可以相对较小。实际上，L优选大于空腔长度，否则将不存在明确限定的漂移空间。这意味着，实际上，L优选至少10厘米。

升压器302和校正器304之间的漂移空间导致到达校正器304(见图1)的电子脉冲中的位置和纵向速度之间的相关性，其中最高能量的电子首先到达并且最低能量的电子最后到达。通过在取决于电子脉冲的平均能量和漂移空间的长度的适当的RF场振幅处操作校正器304，相关性可以被解除，导致能量扩展减小。通过增加漂移空间314的长度，可以进一步减小能量扩展，直到在漂移期间获得的脉冲长度等于RF周期的三分之一，例如对于3GHzRF频率为100ps脉冲长度。

实际上，RF设备的可用性和空腔的大小允许使用范围为1至10GHz的RF频率。低频原则上允许进一步减少能量扩展，但需要大的空腔和较大的RF功率。

图3中的示意图显示了3GHz RF频率的可能实现。按比例绘制圆柱对称的TM₀₁₀药盒空腔302和304。在这种实现中，加速器302由三个堆叠的TM₀₁₀药盒空腔组成，每个空腔的长度使得电子在穿过期间经历半个RF时段。升压器模块302中的三个耦合的空腔以略微不同的谐振频率共同地以三种不同谐振模式振荡。所选择的谐振模式具有相反相位的邻近空腔振荡。因此，当电子从一个空腔体移动到另一个空腔体时，电子继续加速。随着速度的增加，空腔的长度也会相应地调整。

在图3的示例中，源300通过脉冲光发射、光电离或场发射产生电子，并且它们以5keV的能量注入到RF升压器模块302中。在模块302中，E₀＝5MV/m的中等RF场幅用于将电子加速到200keV。在优化的空腔设计中(不是这里示出的药盒空腔)，这对应于P₀＝3kW的RF功率。在这个示例中漂移空间314的长度是L＝0.4m，校正空腔的长度是0.01m。用于解除相关性的RF电场幅度是E₁＝2MV/m。在优化的空腔设计中，这对应于P₁＝80W。

对于非常小的初始能量扩展，需要不切实际的长漂移空间来进一步降低能量扩展。通过增加额外的减压空腔，漂移空间的长度可以显著减少。图4是根据本发明的实施例的设备的示意图，该实施例类似于图3的实施例，除了添加减压空腔404和移相器410。脉冲源400产生遵循射束路径414的电子脉冲。单个RF电源408在三个RF空腔402,406和404中馈送功率。移相器410和412分别允许调节RF空腔402和404之间的相对相位以及空腔402和406之间的相对相位。空腔404在设计上与校正空腔406相同并位于增压空腔402和校正空腔406之间，相对于402中的场异相-90度振荡，即，相对于校正器406中的场反相(180度)。空腔404增加了相关的能量扩展并因此使402和406之间的漂移空间的所需长度最小化。

Claims (11)

1.一种用于产生电子束的设备，所述设备包括：

脉冲电子源，配置成产生电子脉冲；

第一谐振微波空腔，配置成加速所述电子脉冲；

第二谐振微波空腔，配置成校正所加速的电子脉冲的能量扩展；

漂移空间，将所述第一谐振微波空腔与所述第二谐振微波空腔隔开；

移相器，连接至所述第一谐振微波空腔与所述第二谐振微波空腔，所述移相器配置成将所述第一谐振微波空腔与所述第二谐振微波空腔之间的RF相位差调节至等于90度的值。

2.如权利要求1所述的设备，进一步包括RF电源，所述RF电源将RF功率馈送到所述第一谐振微波空腔与所述第二谐振微波空腔两者中。

3.如权利要求1所述的设备，进一步包括减压空腔，所述减压空腔位于所述第一谐振微波空腔与所述第二谐振微波空腔之间。

4.如权利要求3所述的设备，进一步包括第二移相器，所述第二移相器配置成调节所述减压空腔与所述第一谐振微波空腔之间的RF相位差。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述第二移相器配置成将所述减压空腔与所述第一谐振微波空腔之间的RF相位差调节为等于-90度的值。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述漂移空间具有至少10cm的长度L。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述漂移空间具有40cm的长度L。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述第一谐振微波空腔是圆柱对称的TM₀₁₀药盒空腔。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述第一谐振微波空腔是三个堆叠的圆柱对称的TM₀₁₀药盒空腔。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述第二谐振微波空腔是圆柱对称的TM₀₁₀药盒空腔。

11.一种透射电子显微镜设备，包括如权利要求1所述的用于产生电子束的设备。