CN111540662B - 一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，该超高压直流电子枪，由高压直流电源、分压电路、阴极和多个阳极组成，且阴极与阳极通过耐高压陶瓷柱固定连接；所述阴极由金属铸造而成，且在正中心穿孔并镶嵌具有通光功能的材料；所述阳极端的个数由所加电压决定。通过上述方案，本发明达到了获得同时具有超亮度和超高时间分辨率的电子探针脉冲，而不会产生明显的时间抖动的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪
技术领域
本发明属于超快科学领域，具体地讲，是涉及一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪。
背景技术
超快电子衍射(UED)是一种有力的桌面式原位探测工具，被广泛用于原子量级分辨率的晶格动力学和化学反应动力学的研究。原则上，UED的时间分辨率取决于泵浦激光、探针电子脉冲的持续时间，以及它们之间的时间抖动和速度失配。考虑到在化学反应中原子运动的速度约为1000m/s，UED的时间分辨需要达到百飞秒量级，因此提高泵浦激光和探测电子脉冲的时间分辨是UED发展的一个重要方向。随着飞秒激光技术的发展，可以从商用钛宝石激光系统中获得短于10fs的泵浦激光脉冲。然而，即使最近已有关于阿秒电子脉冲束的报道，如何使得探测电子束脉款达到100fs仍然是一项具有挑战性的工作。电子束脉冲的亮度是UED探测中另一个重要指标。这主要由于在实验中，需要准备好大量的完全一致的超薄样品，但这对于大多数固体材料几乎是不可能的。为了能够进行单发测量，每个脉冲需要105-106个电子。但是，电子间强大的库仑斥力会随着电子数量的增加而大大增加电子探针的脉宽，而降低UED的时间分辨。
为了克服脉冲持续时间与电子探针亮度之间的矛盾，科研工作者先后提出了几种方法。利用射频(RF)腔将电子束加速到MeV量级，通过相对论效应来抑制空间电荷效应是一种常见的方法。通过这种方法，电子束脉宽可能达到10fs以下。而在非相对论情况下，则基于电子束传输过程中的啁啾特性，使用RF腔压缩直流光电子枪产生的电子束。通过混合DC-RF电子枪，科研工作者获得了低于100fs的电子脉冲。但是，由于相位抖动，RF加速腔的使用会带来RF场和泵脉冲之间的同步问题，使得UED的时间分辨率并不十分理想，另外还会导致UED仪器的长期稳定性的不尽人意。
一个更为简单的解决方案是开发超紧凑式直流光电子枪，以通过缩短光电阴极与样品之间的传播距离来减少库仑力排斥的作用时间。在2003年，Siwick等人通过30keV紧凑型直流电枪获得了每脉冲6000电子的明亮的600-fs电子脉冲，并且对铝中的光诱导熔化进行了首次原子级的观察，展现了这种方案的潜力。由于具有较高能量的电子行进速度更快，并且可以在更短的时间内到达样品处，因此研制高压紧凑型直流光电子枪是一个重要的研究方向。2015年，Waldecker等人报道了一种100keV的直流光电子枪，模拟结果显示：在距阴极10毫米(距阳极2毫米)的样品位置处，在电子脉冲内电子数目为5000时，脉宽可以达到100fs。那么是不是有可能通过进一步将直流电子枪的电子能量增加到亚相对论情况，从而获得更亮，更短的电子脉冲，同时还避免了射频光电子枪所产生的同步问题。
Sciaini和Dwayne Miller进行的N-particles模拟表明，用300keV直流电枪可以产生104个电子(或105个电子)且光斑大小为100μm的100fs(或200fs)电子脉冲。然而，实际上由于高压击穿问题，当电压超过120kV时，在光电阴极与阳极之间的压缩空间中提供如此强的电场强度已经变得难以实现。
发明内容
为了克服现有技术中的上述不足，本发明提供一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，获得同时具有超亮度和超高时间分辨率的电子探针脉冲，而不会产生明显的时间抖动
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，由高压直流电源、分压电路、阴极和多个阳极组成，且阴极与阳极通过耐高压陶瓷柱固定连接；所述阴极由金属铸造而成，且在正中心穿孔并镶嵌具有通光功能的材料；所述阳极端的个数由所加电压决定。
进一步地，所述分压电路采用多个超大电阻串联分压，其中，多个所述超大电阻的总电阻值不小于300MΩ。
进一步地，所述阴极端的金属为钢或铜，正中心穿孔的直径为5mm～20mm。
进一步地，所述具有通光功能的材料为表面镀有金膜的白宝石，其中，金膜与阴极表面齐平，并且表面光滑。
进一步地，所述具有通光功能的材料为利用光电效应产生电子的材料。
进一步地，所述阳极端阳极的个数随着电压的增高而增加，其中，电压每增加90kV增加一个阳极。
具体地，所述阳极采用硅片镀金属膜，其中，阳极中心开设直径1mm的孔。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用分压加速的方式，可以避免由微粒碰撞引起的电场击穿的问题，从而使直流电子枪可以以高达270keV的电子能量和高达15MV/m的电场强度工作。使用这种直流电子枪，可以获得同时具有超亮度和超高时间分辨率的电子探针脉冲，而不会产生明显的时间抖动。通过使用此类超亮、超快和超稳定电子脉冲的UED，可以探究诸如化学反应之类的不可逆过程。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明阴极的结构示意图。
图3为本发明阳极的结构示意图。
图4为本发明电极优化设计产生的模拟电场。
图5为本发明每个电极表面附件的电场强度。
图6(a)为本发明电子脉冲与激光光斑半径的关系图。
图6(b)为本发明三种激光点尺寸(25、50和100μm)下的时间分辨率和单个脉冲中电子数的关系函数图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-高压直流电源，2-分压电路，3-阴极，4-阳极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图4所示，一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，采用分级加速的方法提高超紧凑型光电子枪的电子能量，所述超高压直流电子枪由高压直流电源、分压电路(由电阻R1～R3构成)、阴极和多个阳极组成，且阴极与阳极通过耐高压陶瓷柱固定连接；所述阴极由金属铸造而成，且在正中心穿孔并镶嵌具有通光功能的材料；所述阳极端的个数由所加电压决定，并且相邻电极之间的距离根据相邻电极的电压差决定，控制距离使得电场强度不超过20kV；其中，阴极和阳极表面为Bruce面型。
阴极主体(如图2)由金属(钢或者铜)构成，正中心穿孔，孔直径为5mm～20mm；该孔镶嵌平整的白宝石(或者其他激光通过率高的材料)，厚度为10微米～100微米。白宝石表面镀金(或者铜)，厚度为20～30nm。与整个阴极齐平，表面光滑，粗糙度小于60nm，没有畸变、毛刺、凹槽等。
阳极个数根据所要加电压决定，最好每90kV增加一个阳极，为保证表面粗糙度非常小，建议阳极由硅片镀金属膜(比如铜)制作而成，也可以由金属直接加工而成。阳极中心开直径为1mm的孔，整个阳极保持表面光洁，无锐角，粗糙度小于60nm，阳极整体如图3所示。
原则上，对于较短的脉冲持续时间，电极之间的电场强度最好较高。因此，我们的设计中每个加速级的电压差确定为90kV，相邻电极之间的距离为6mm。
由于电极不是无限大，因此电极的形状需要精心设计，以呈现出均匀的电场，并且电场强度应不大于20MV/m(真空下高压击穿的电场阈值)。此外，电极形状的设计中应考虑机械加工的可行性，尽量选用简单易加工的形状。最终电极形状如图1所示，由PoissonSuperfish软件的模拟结果显示中心区域的电场非常均匀。图5显示了沿每个电极表面的电场强度与半径的关系，其中CE和AE分别代表每个加速度水平的阴极和阳极表面，清楚地表明，电极边界和中心处的电场增强都是可行的，远小于20MV/m。
使用N-particles模拟程序GPT对电子枪产生的电子束的传输过程进行了模拟。假设初始电子束脉冲在时间和空间上均为高斯分布，并且设置其脉宽为30fs(半高全宽)、能散为117eV(其中：激光能散为61meV，热能散为100meV)。模拟结果如图6所示。
图6(a)电子脉冲持续时间与激光光斑半径的关系，不考虑空间电荷效应(SCE)的情况如虚线所示，实线则分别表示在考虑SCE的情况下单个脉冲含103、5×103、104、5×104以及105的情况。图6(b)三种激光点尺寸(25、50和100μm)下的时间分辨率和单个脉冲中电子数的关系函数。
在100μm的激光光斑下，104个电子的脉冲的持续时间为101fs。当电子数增加到105时，持续时间增加到160fs。
本发明利用分压的概念，可以避免由微粒碰撞引起的电场击穿的问题，从而使直流电子枪可以以高达270keV的电子能量和高达15MV/m的电场强度工作，通常应工作超高真空环境下(<10-9Torr)。模拟表明，使用这种三级别近相对论直流电枪，可以获得同时具有超亮度和超高时间分辨率的电子探针脉冲，而不会产生明显的时间抖动。通过使用此类超亮、超快和超稳定电子脉冲的UED，可以探究诸如化学反应之类的不可逆过程。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，其特征在于，由高压直流电源、分压电路、阴极和多个阳极组成，且阴极与阳极通过耐高压陶瓷柱固定连接；所述阴极由金属铸造而成，且在正中心穿孔并镶嵌具有通光功能的材料；所述阳极端阳极的个数随着电压的增高而增加；所述分压电路采用多个超大电阻串联分压，其中，多个所述超大电阻的总电阻值不小于300MΩ。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，其特征在于，所述阴极端的金属为钢或铜，正中心穿孔的直径为5mm～20mm。
3.根据权利要求2所述的一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，其特征在于，所述具有通光功能的材料为表面镀有金膜的白宝石，其中，金膜与阴极表面齐平，并且表面光滑。
4.根据权利要求2所述的一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，其特征在于，所述具有通光功能的材料为利用光电效应产生电子的材料。
5.根据权利要求1所述的一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，其特征在于，所述阳极端阳极的个数随着电压每增加90kV增加一个。
6.根据权利要求5所述的一种适用于超快电子衍射技术的超高压直流电子枪，其特征在于，所述阳极采用硅片镀金属膜，其中，阳极中心开设直径1mm的孔。
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