CN114371213A - 磁性氦原子散射谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁性氦原子散射谱仪，包括：氦原子束产生系统，用于产生氦原子束；氦原子束激发器，用于激发所述氦原子束；样品台，被配置用于放置样品；二维空间探测器，用于接收从所述样品表面散射的不同散射角的氦原子束并输出电信号；以及电子控制与数据采集系统，其基于所述电信号获得所述样品的二维散射图。本发明的磁性氦原子散射谱仪分辨率高、测量重复性好、采集效率高。

Description

磁性氦原子散射谱仪
技术领域
本发明属于材料探测领域，尤其涉及一种磁性氦原子散射谱仪。
背景技术
对材料磁性质的探测是凝聚态物理中十分重要的方向，其包括对磁有序结构的探测和对磁激发的探测。
磁有序描述材料中原子磁矩在实空间的周期性分布，是凝聚态物质仅次于晶格有序的重要属性。材料的微观磁有序结构不仅决定了材料的宏观磁学性能，还与其它许多新奇量子效应密切相关。特别地，对低维(二维)磁性的研究是很多理论与应用的核心，例如自旋涨落引起的新量子态、高温超导的配对机制、磁拓扑序、自旋操控异质器件等。
磁激发，例如磁振子，是元激发中一种重要的集体激发，对其精确表征是凝聚态物理的重要课题。特别地，近年来拓扑物性的概念逐渐渗透到玻色子体系中，使得晶体中的磁振子受到了格外的关注。依据拓扑物态的“体-表”对应原理，对磁振子拓扑表面态的测量是从实验上验证磁拓扑物态的关键。
氦原子散射是一种表面敏感的技术，十分适合低维(二维)材料体系性质的探测。传统的氦原子散射技术使用绝热膨胀技术获得氦原子束作为入射束，通过控制氦源的温度来控制入射氦原子束的能量，由于氦原子束的德布罗意波长接近于晶格周期，能够通过相干散射获得表面晶格结构信息，表面晶格结构信息指的是实空间中表面原子周期性排布的属性，例如晶胞大小。另一方面，氦原子束将与表面晶格振动相互作用而损失能量，通过飞行时间技术可以对散射后的氦原子进行能量解析，从而获得表面晶格动力学信息，表面晶格动力学信息指的是表面晶格原子振动相关的信息，具体描绘了原子是如何运动的，这些原子运动形成的波所携带的能量动量信息，即声子的色散谱。
目前，世界上仅有少数几台氦原子散射谱仪，他们分别属于德国马普固体所、英国剑桥大学、奥地利格拉茨技术大学、美国普林斯顿大学、波士顿大学、芝加哥大学、佛罗里达州大学、西班牙马德里自治大学等，但是，由于进行磁性探测需要具有磁矩的激发态氦原子(亚稳态氦原子)作为入射原子束，目前获得的氦原子脉冲仅能对材料表面的晶格结构以及表面声子进行探测，无法进行材料表面磁性质的探测。对此，波士顿大学的Michael El-Batanouny研究组使用平行于入射氦原子束的电子束对其进行激发获得具有磁矩的激发态氦原子，利用激发态氦原子与物质相互作用时的退激发过程，散射后的原子束中同时具有激发态氦原子和基态氦原子，利用多通道电子倍增管对激发态氦原子的敏感特性可以间接分析出样品表面的磁结构与磁激发信息。然而，在该设备中，探测器只能在空间上进行单点探测，在水平面内将该探测器围绕样品转动，从而获得不同散射角度的散射信息。该装置一个明显的限制就是探测器只能在水平面内转动，不能沿垂直水平面方向转动，因此无法获得氦原子经样品散射后的二维散射图样；同时，在水平面内的采集需要等一个位置点上采集完成才能进行下一个位置点的采集，采集效率低，相邻位置点的间隔(角度分辨率)受到机械转动的限制，无法实现水平线上连续采集。这不仅会带来机械误差，还使得探测效率降低。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种磁性氦原子散射谱仪，包括：
氦原子束产生系统，用于产生氦原子束；
氦原子束激发器，用于激发所述氦原子束；
样品台，被配置用于放置样品；
二维空间探测器，用于接收从所述样品表面散射的不同散射角的氦原子束并输出电信号；以及
电子控制与数据采集系统，其基于所述电信号获得所述样品的二维散射图。
根据本发明的磁性氦原子散射谱仪，优选地，所述氦原子束产生系统、所述氦原子束激发器、所述样品台和所述二维空间探测器设置在真空腔体内。
根据本发明的磁性氦原子散射谱仪，优选地，所述氦原子束的能量分布的半高宽小于1％，动量方向的角度分布小于2°。
根据本发明的磁性氦原子散射谱仪，优选地，所述氦原子束产生系统包括高压氦气喷嘴和设置在所述高压氦气喷嘴的输出端的氦原子束抽取尖嘴。
根据本发明的磁性氦原子散射谱仪，优选地，所述氦原子束激发器具有中心轴线并且包括沿所述中心轴线依次设置的电子释放材料、聚焦电极和电子束缚螺线管，还包括用于加热所述电子释放材料的灯丝。
根据本发明的磁性氦原子散射谱仪，优选地，所述聚焦电极包括沿所述中心轴线设置的球形负极、排斥电极和参考电极。
根据本发明的磁性氦原子散射谱仪，优选地，所述二维空间探测器包括平行设置的微通道电子倍增板和时延铜网。
根据本发明的磁性氦原子散射谱仪，优选地，所述二维空间探测器包括用于容纳所述微通道电子倍增板和所述时延铜网的屏蔽壳，以及其中，所述屏蔽壳的入射面上设置有屏蔽网。
根据本发明的磁性氦原子散射谱仪，优选地，所述电子控制与数据采集系统包括:
电流源，其用于给所述氦原子束激发器供电；
高压脉冲发生器，其用于产生负电压脉冲；
飞行时间记录仪，其用于记录所述负电压脉冲的产生时间，以及接收所述二维空间探测器产生的电信号并记录所述电信号的传输时间；以及
计算机，其基于所述飞行时间记录仪的输出获得所述样品的二维散射图。
根据本发明的磁性氦原子散射谱仪，优选地，所述真空腔体内设置有滑轨，所述二维空间探测器设置在所述滑轨上。
与现有技术相比，本发明克服了现有磁性氦原子散射谱仪分辨率不高、测量重复性差、效率低下的问题，为测量低维材料磁性质提供了新的思路。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的磁性氦原子散射谱仪的结构示意图；
图2为根据本发明的一个示例的高压氦气喷嘴的结构示意图；
图3为根据本发明的一个示例的氦原子束激发器的结构示意图；
图4为根据本发明的一个示例的二维空间探测器的爆炸示意图；
图5a为采用本发明的磁性氦原子散射谱仪采集的结果示意图；
图5b为图5a中P1平面上的W1线上的能量分布曲线；以及
图6为采用现有技术的氦原子散射谱仪采集的结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示的本发明的磁性氦原子散射谱仪的结构示意图，其包括：
氦原子束产生系统101，包括高压氦气喷嘴1和氦原子束抽取尖嘴2，用于产生氦原子束，优选地产生能量、动量高度单色化的氦原子束，在本发明中，“能量、动量高度单色化”是指能量分布、动量方向分布都很集中，相应的半高宽小，能量分布的半高宽小于例如1％，动量方向的角度分布小于例如2°。
氦原子束激发器102，其产生平行于氦原子束的电子束，从而将氦原子束激发到具有磁矩的激发态。
样品台103，用于放置样品，当被激发的氦原子束入射到样品表面时，与样品表面磁激发相互作用，损失或得到一部分能量和动量，并从样品表面散射。
二维空间探测器104，用于接收和分析从样品表面散射后的氦原子束。氦原子在从样品散射的过程中会和样品表面声子或者磁振子发生能量和动量交换，不同散射角的氦原子被散射到探测器的不同的空间位置。打在探测器的微通道电子倍增板上释放出电子，电子数被倍增板放大后打在后面网格上，沿着网格不同方向传播，在极短的时间范围内的不同的时间点输出不同位置的电信号。该电信号优选地为电流信号。另外，优选地，二维空间探测器104设置在滑轨上，用于其与样品台103之间的距离，改变测量范围，即可以测到不同的散射角度范围。
在本发明的实施例中，氦原子束产生系统101、氦原子束激发器102、样品台103和二维空间探测器104设置在真空腔体(图1中未示出)内，该真空腔体内优选地设置有例如用于监测真空度的真空规和用于抽真空的离子泵等辅助设备。
本发明的磁性氦原子散射谱仪还包括电子控制与数据采集系统105，包括电流源6、高压脉冲发生器7、飞行时间记录仪8和计算机及通讯接口9，用于基于二维空间探测器104输出的电信号获得样品表面磁结构的信息和磁激发的能量。其中，电流源6用于给氦原子束激发器102中的灯丝提供加热电流，高压脉冲发生器7产生的负电压脉冲一方面施加到电流源6的输出以及激发器102的灯丝上，用于控制激发器的灯丝相对于真空腔体的电势(真空腔体接地)，另一方面传输到飞行时间记录仪8上面，用于为其提供计时的零点。飞行时间记录仪8中优选地设置有增益放大器和电平鉴别器以对二维空间探测器10输出的电信号进行放大和整形。具体地，电子控制与数据采集系统105基于二维空间探测器104输出的电信号分析氦原子被散射到的探测器的位置信息从而获得样品表面磁结构的信息；针对探测器某个空间位置上的点，获得氦原子散射后的飞行时间，从而获得散射后的能量，通过比较入射束能量和散射束能量获得氦原子束损失的能量，从而获得磁激发的能量。
参见图2所示的本发明的一个示例的高压氦气喷嘴1的结构示意图，其包括氦气导入管201、冷却铜辫子202、加热电阻丝203、高压氦气储存腔204和微米通孔205，氦气导入管201连接至高压氦气储存腔204，从而将氦气导入高压氦气储存腔204，加热电阻丝203环绕高压氦气储存腔204，冷却铜辫子202紧密连接到高压氦气储存腔，微米通孔205设置在高压氦气储存腔204上作为氦气出口。
参见图3所示的本发明的一个示例的氦原子束激发器102的结构示意图，该氦原子束激发器102具有中心轴线，沿中心轴线依次包括电子释放材料302、聚焦电极303和电子束缚螺线管304，还包括设置在电子释放材料302附近的灯丝301以加热电子释放材料302。聚焦电极303沿中心轴线从左到右依次包括球形负极、排斥电极和参考电极，从而用于将电子释放材料302释放的电子聚焦于一点。电子束缚螺线管304使聚焦的电子束沿中心轴线运动，以形成平行于氦原子束的电子束。聚焦电极303的球形负极和电子束缚螺线管304分别由不同的电源供电，这些不同的电源也可以设置在电子控制与数据采集系统105中(图中未示出)，排斥电极和参考电极连接至真空腔体。
参见图4所示的本发明的一个示例的二维空间探测器104的爆炸示意图，其包括不锈钢屏蔽壳401，设置在不锈钢屏蔽壳401内部的平行设置的微通道电子倍增板402和时延铜网403，以及设置在不锈钢屏蔽壳401的入射面的屏蔽网404。本领域技术人员能够理解，屏蔽壳也可以采用其它的屏蔽材料制作。
本发明实施例的磁性氦原子散射谱仪的工作过程如下：
(1)通过氦气导入管201给高压氦气存储腔204通入高压氦气，通常为30～100bar，存储腔一端开设的微米通孔205的直径D＝5～20μm。由于氦气存储腔204的压强为真空压强的108到109倍，在巨大的压强差作用下，气体在小孔处发生绝热膨胀，膨胀过程中伴随着气体的温度下降，膨胀后的原子几乎以一条直线运行，并且平均自由程很长，例如，在室温情况下，10-4mbar的真空中，平均自由程～0.7m；使用带有0.5mm通孔的抽取尖嘴2抽取氦气以获得能量和动量高度单色化的氦原子束。氦原子束的速度由高压氦气存储腔的温度决定，通常，速度的平方正比于温度，而高压氦气存储腔的温度可以由冷却铜辫子202和加热电阻丝203来共同调控。
(2)单色化的氦原子束被放置在其路径上的氦原子束激发器102产生的电子激发，特别地，氦原子束激发器102的中心轴线置于单色化的氦原子束的传播路径上。具体地，电流源6给灯丝301通电以使其发热，继而加热灯丝301附近的电子释放材料302使其释放出自由电子；与此同时，灯丝301被高压脉冲发生器7施加负偏压，使得电子释放材料302释放的自由电子在电场作用下向前运动，在聚焦电极303的作用下，自由电子往球形负极的球心运动，经过球心之后被电子束缚螺线管304产生的水平磁场束缚，使自由电子的运动轨迹尽量保持在中心轴线上，从而形成平行于氦原子束的电子束，自由电子与氦原子相碰撞从而激发氦原子。
(3)被激发后的氦原子束入射到设置在样品台103上的晶体材料(例如氧化镍)表面，与晶体表面的磁激发相互作用，损失或得到一部分能量和动量；在这个过程中，激发态氦原子通过彭宁(Penning)过程退激发，使得散射后的氦原子中包含了激发态氦原子和基态氦原子。若样品表面存在周期性磁结构，则散射的氦原子将反应这些周期性信息，具体地，氦原子束与周期性结构散射过程类似于电子与周期性结构散射，当原子的物质波波长与周期性结构周期常数接近时，就会产生衍射，产生亮斑分布，通过分析这些亮斑的属性(例如强度、周期)可以反推出周期性结构的性质。
(4)散射后的激发态氦原子碰撞到二维空间探测器104的微通道电子倍增板402上，通过俄歇离化(RI/AN)退激发过程释放出电子，由于微通道电子倍增板402的雪崩效应，电子数目被放大，产生电学脉冲(电信号)，数目放大后的电子碰撞到时延铜网403上并沿着铜丝线传递电信号并将电信号输出。飞行时间记录仪8捕获该电信号，由于电信号在铜丝线上传输需要一定时间，到横向或者纵向铜丝两端的时间不同，飞行时间记录仪8将到达横向和纵向铜丝两端的时间传输给计算机，计算机例用该时间差就可以算出电信号在横向或者纵向铜丝线上的位置，从而获得相应的空间坐标，也即氦原子被散射到的微通道电子倍增板402的空间位置信息，从而获得样品表面磁结构的信息。本领域技术人员可以理解，微通道倍增板402上的图样就是晶体表面磁结构的傅里叶变换。在本发明中，真空腔体内的辅助设备有可能释放杂散电子，不锈钢屏蔽壳401和屏蔽网404能够保证在屏蔽掉杂散电子的同时还能接收到激发态氦原子信号。
(5)电子控制与数据采集系统105中的高压脉冲发生器7接收来自计算机9的控制信号，产生脉冲式的高压(～200V)施加到氦原子束激发器102上，脉冲电平为有效时将激发氦原子束到激发态，其余时间氦原子束为基态，飞行时间记录仪8记录下脉冲有效电平的产生时刻t1。这个过程使得激发态氦原子束以脉冲形式入射样品。二维空间探测器103获得这一脉冲激发态氦原子被样品散射后的激发态氦原子并释放出电信号，飞行时间记录仪8在能够记录高压脉冲有效电平的产生时刻t1的同时，还接收二维探测器的输出信号，记录下接收到该电信号的时间t2，由(t2-t1)可以获得散射后氦原子的飞行时间，从而知道其速度与能量。通过与入射氦原子束能量的比较，可以获得氦原子束的损失能量，从而间接获得样品表面的磁激发信息。
(6)结合前面二维探测器获得的空间位置信息，可以分析出某个具体散射位置上的氦原子损失能量，而空间位置反应了散射角度，也就间接反应了氦原子束的动量信息，即样品表面磁激发的动量随能量变化的信息。
图5a是采用本发明的磁性氦原子散射谱仪采集的结果示意图，本领域技术公知的是，磁激发能量和飞行时间可以相互换算，图5a示出的不同磁激发能量点的二维平面上的动量分布(二维散射图)也即不同飞行时间点的二维平面的动量分布，同时还体现了不同飞行时间点的不同空间位置的氦原子束强度分布。图5b示出了图5a中P1平面上的W1线上的能量分布曲线，此即为某一个空间位置的氦原子束强度随能量(即随时间)的变化关系。图6为现有技术的磁性氦原子散射谱仪的测量结果，其仅能体现某一个空间位置点的氦原子束强度随飞行时间的变换关系，即一维散射图。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种磁性氦原子散射谱仪，包括：
氦原子束产生系统，用于产生氦原子束；
氦原子束激发器，用于激发所述氦原子束；
样品台，被配置用于放置样品；
二维空间探测器，用于接收从所述样品表面散射的不同散射角的氦原子束并输出电信号；以及
电子控制与数据采集系统，其基于所述电信号获得所述样品的二维散射图。
2.根据权利要求1所述的磁性氦原子散射谱仪，其中，所述氦原子束产生系统、所述氦原子束激发器、所述样品台和所述二维空间探测器设置在真空腔体内。
3.根据权利要求1所述的磁性氦原子散射谱仪，其中，所述氦原子束的能量分布的半高宽小于1％，动量方向的角度分布小于2°。
4.根据权利要求1所述的磁性氦原子散射谱仪，其中，所述氦原子束产生系统包括高压氦气喷嘴和设置在所述高压氦气喷嘴的输出端的氦原子束抽取尖嘴。
5.根据权利要求1所述的磁性氦原子散射谱仪，其中，所述氦原子束激发器具有中心轴线并且包括沿所述中心轴线依次设置的电子释放材料、聚焦电极和电子束缚螺线管，还包括用于加热所述电子释放材料的灯丝。
6.根据权利要求5所述的磁性氦原子散射谱仪，其中，所述聚焦电极包括沿所述中心轴线设置的球形负极、排斥电极和参考电极。
7.根据权利要求1所述的磁性氦原子散射谱仪，其中，所述二维空间探测器包括平行设置的微通道电子倍增板和时延铜网。
8.根据权利要求7所述的磁性氦原子散射谱仪，其中，所述二维空间探测器包括用于容纳所述微通道电子倍增板和所述时延铜网的屏蔽壳，以及其中，所述屏蔽壳的入射面上设置有屏蔽网。
9.根据权利要求1所述的磁性氦原子散射谱仪，其中，所述电子控制与数据采集系统包括:
电流源，其用于给所述氦原子束激发器供电；
高压脉冲发生器，其用于产生负电压脉冲；
飞行时间记录仪，其用于记录所述负电压脉冲的产生时间，以及接收所述二维空间探测器产生的电信号并记录所述电信号的传输时间；以及
计算机，其基于所述飞行时间记录仪的输出获得所述样品的二维散射图。
10.根据权利要求2所述的磁性氦原子散射谱仪，其中，所述真空腔体内设置有滑轨，所述二维空间探测器设置在所述滑轨上。
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