CN114975050A - 基于多弯消色散的超快电子衍射系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于多弯消色散的超快电子衍射系统，包括：电子源，用于产生第一电子束；第一聚焦组件，用于捕获所述第一电子束，并使所述第一电子束聚焦，获得第二电子束；多弯消色散组件，用于使第二电子束中具有不同能量的电子按照不同运动路径运动，并在压缩束长后获得第三电子束，第三电子束的脉宽在预设位置处最小。根据本公开的实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统，可针对宽能谱电子源的特性，使用与电子源性能匹配的多弯消色散组件，从而对电子束的束长进行压缩，获得能量高，能散低，时间分辨率高的电子束，以满足超快电子衍射的应用研究需求。

Description

基于多弯消色散的超快电子衍射系统

技术领域

本公开涉及超快电子衍射技术领域，尤其涉及一种基于多弯消色散的超快电子衍射系统。

背景技术

物质的性质主要取决于晶体中的原子排列和原子动力学现象，而超快电子衍射(ultrafast electron diffraction,UED)是一种非常有效的直接观察原子结构的方法，具有较高的逆空间分辨率(约100pm)和时间分辨率(<100fs)，可用于研究材料的相变、晶格的膨胀收缩、化学键的断裂与形成等，对于物理、化学、材料等多领域有重要意义。

超快电子衍射系统按照电子能量可以分为keV与MeV两种。keV等低能量电子源系统，电子德布罗意波长较长，衍射成像距离短，使得整体结构极为紧凑，且各阶衍射斑较易分辨。而与keV的电子束相比，具有相对论能量的电子束团(MeV)尽管需要更长的成像距离，但却由于较低的空间电荷效应而使得束团具有更好的时间分辨率和更高单发电荷量，以及由于高能电子的较长平均自由程而使得较厚的样品具有可探测性。

目前超快电子衍射研究以及应用中使用的电子源有很多，包括热阴极电子枪、光阴极高压电子枪、光阴极微波电子枪、激光等离子体加速器、Thz(tera hertz，太赫兹)加速器、基于激光打靶的电子源等。在这些电子源中，在应用中各自有着一些自身优势，如高压电子枪的超紧凑及产品化；微波电子枪的低能散、高亮度电子束；以及激光等离子体加速器的全光优势、天然超短初始束长及其泵浦光与电子束的天然同步等。目前使用广泛的是基于高压直流加速器的keV UED和微波电子枪的MeV UED，但其在时间分辨率上均有一些自身的限制。

在如激光等离子体加速器、Thz加速器、激光打靶产生电子等电子源中，较大的电子束能散以及电子束团参数的不稳定性，带来了电子束长在传播过程中的巨幅增长，极大破坏了系统的时间分辨率，加上巨大的能散对于衍射图像分辨的影响，限制了其在超快电子衍射中的直接应用与研究。

发明内容

本公开提出了一种基于多弯消色散的超快电子衍射系统。

根据本公开的一方面，提供了一种基于多弯消色散的超快电子衍射系统，包括：第一聚焦组件、多弯消色散组件和电子源，所述第一聚焦组件和所述多弯消色散组件设置于所述电子源产生的电子束的预设运动路径上，所述第一聚焦组件设置在所述多弯消色散组件之前；所述电子源用于产生第一电子束，其中，在所述第一电子束中的第一电子的能量高于第二电子的能量的情况下，所述第一电子的运动速度高于第二电子的运动速度；所述第一聚焦组件用于捕获所述第一电子束，并使所述第一电子束聚焦，获得第二电子束，所述多弯消色散组件用于使所述第二电子束中具有不同能量的电子按照不同运动路径运动，并在压缩束长后获得第三电子束，其中，所述多弯消色散组件的性能参数与所述电子源产生的第一电子束的能量对应，所述第一电子在所述多弯消色散组件内的运动路径长于第二电子在所述多弯消色散组件内的运动路径，所述第三电子束中具有不同能量的电子同时到达预设位置，所述第三电子束的脉宽在预设位置处最小。

在一种可能的实现方式中，在所述第二电子束进入所述多弯消色散组件时，所述第一电子相对于第二电子更接近所述预设位置，在所述第三电子束离开所述多弯消色散组件时，所述第二电子相对于第一电子更接近所述预设位置。

在一种可能的实现方式中，所述第一聚焦组件包括多极磁铁组，所述多极磁铁组包括一个或多个四极磁铁。

在一种可能的实现方式中，所述第一聚焦组件包括多极磁铁组，所述多极磁铁组还包括一个或多个多极磁铁，所述多极磁铁包括六极磁铁或八极磁铁。

在一种可能的实现方式中，所述多弯消色散组件包括双弯消色散组件，所述双弯消色散组件包括第一二极磁铁、第二二极磁铁以及多极磁铁组，所述多极磁铁组设置在所述第一二极磁铁和所述第二二极磁铁之间，其中，所述多弯消色散组件进一步用于：通过第一二极磁铁使所述第二电子束中具有不同能量的电子按照不同路径发生偏转，获得沿多个路径运动的电子；通过所述多极磁铁组捕获所述沿多个路径运动的电子，并在约束离开所述第一二极磁铁的第二电子束的横向发散后，使所述第二电子束进入所述第二二极磁铁；通过所述第二二极磁铁使第二电子束的路径偏转至所述预设运动路径，获得第三电子束。

在一种可能的实现方式中，在所述多弯消色散组件之后，在所述预设位置之前，所述系统还包括：第二聚焦组件，用于捕获所述第三电子束，并使所述第三电子束聚焦，获得聚焦后的第三电子束。

在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：狭缝组件，设置在所述预设运动路径上的设定位置，所述预设运动路径穿过所述狭缝组件的狭缝，所述狭缝组件用于阻挡运动至狭缝之外的电子。

在一种可能的实现方式中，所述预设运动路径所处的环境为真空环境。

在一种可能的实现方式中，所述预设位置处设置待测样品，其中，所述系统还包括：探测组件，用于接收所述第三电子束穿过所述待测样品后形成的第四电子束，并根据第四电子束确定所述待测样品的材料信息。

在一种可能的实现方式中，所述电子源包括激光等离子体加速器、Thz加速器、激光打靶电子源中的任意一种。

根据本公开的实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统，可利用多弯消色散组件使电子束中能量较高、速度较快的电子的路径更长，使能量较低、速度较慢的电子的路径更短，从而使具有不同能量的电子能够同时到达预设位置，结合多弯消色散组件与宽能谱电子源的特性，使用与电子源性能匹配的多弯消色散组件，获得能量高，能散低，时间分辨率高的电子束，以满足超快电子衍射的应用研究需求。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。

图1示出根据本公开实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统的示意图；

图2示出根据本公开的实施例的多弯消色散组件的示意图；

图3示出根据本公开的实施例的狭缝组件的示意图；

图4A和图4B示出根据本公开的实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统的示意图；

图5A和图5B示出根据本公开的实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统的模拟案例示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。

另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

为了实现宽能谱电子源用于UED实验的可行性，需要解决问题有三。首先，电子束团的能散(即，电子束中电子能量分布的分散程度)应越小越好，以便能够清楚地区分同一衍射图像中的不同衍射点，从而从衍射点的排列中得出晶格常数。其中，衍射的过程可通过以下公式(1)来描述：

2dsinθ＝λ(1)

其中，d是样品晶格参数，θ是衍射角度，θ＝x/L，x为衍射样斑间距，L为成像距离，λ是电子的德布罗意波长，λ＝h/p，h为普朗克常量，p为电子动量，与电子的能量相关。由电子的德布罗意波长的表达式可知，具有不同能量的电子的德布罗意波长不同，因此，具有不同能量的电子的衍射角存在差异，电子束能散越大(即，电子束中的电子的能量分布不集中)，不同电子之间的衍射角差异越大，反之，电子束的能散越小(即，电子束中的电子的能量分布更集中)，不同电子之间的衍射角差异越小，因此，低能散的电子束可获得效果更好的衍射图样。

其次，对于动态成像而言，为实现单发测量，需足够的电荷量(fC量级)，以确保衍射图像能被很好地识别。

第三个方面是时间分辨率，由于整个系统中不存在RF元件，因此这个值仅与电子束长度有关。然而，由于存在能散，电子束长度会随着电子束传输距离的增长而拉伸，因此，需要减少电子束的长度。

其中，电子束的长度可通过以下公式(2)表示：

l＝l₀+L(δE/E)/γ²(2)

其中，l是传输之后的束长，l₀是初始束长，L是传输的距离，δE/E是能散，γ是电子的相对论因子。在示例中，比较典型的参数的取值为：能散为±1.5％的4.6MeV的电子束，经过20cm的传输距离，电子束的长度增长为60μm，等价于时间尺度上的200fs增长。因此，较长的电子束长度可引起时间尺度上的较大的增长，为提升时间分辨率，需减小电子束的长度。

针对上述技术需求，本发明提出了一种基于多弯消色散的超快电子衍射系统，应用于如基于激光等离子体电子加速器等一系列宽能谱的电子源，以实现该电子源在超快电子衍射研究方面的应用。

图1示出根据本公开实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统的示意图，如图1所示，所述系统包括：第一聚焦组件12、多弯消色散组件13和电子源11，所述第一聚焦组件和所述多弯消色散组件设置于所述电子源产生的电子束的预设运动路径上，所述第一聚焦组件设置在所述多弯消色散组件之前；

所述电子源11用于产生第一电子束，其中，在所述第一电子束中的第一电子的能量高于第二电子的能量的情况下，所述第一电子的运动速度高于第二电子的运动速度；

所述第一聚焦组件12用于捕获所述第一电子束，并使所述第一电子束聚焦，获得第二电子束，

所述多弯消色散组件13用于使所述第二电子束中具有不同能量的电子按照不同运动路径运动，并在压缩束长后获得第三电子束，

其中，所述多弯消色散组件的性能参数与所述电子源产生的第一电子束的能量对应，所述第一电子在所述多弯消色散组件内的运动路径长于第二电子在所述多弯消色散组件内的运动路径，所述第三电子束中具有不同能量的电子同时到达预设位置，所述第三电子束的脉宽在预设位置处最小。

根据本公开的实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统，可利用多弯消色散组件使电子束中能量较高、速度较快的电子的路径更长，使能量较低、速度较慢的电子的路径更短，从而使具有不同能量的电子能够同时到达预设位置，可针对宽能谱电子源的特性，使用与电子源性能匹配的多弯消色散组件，从而对电子束的束长进行压缩，获得能量高，能散低，时间分辨率高的电子束，以满足超快电子衍射的应用研究需求。

在一种可能的实现方式中，所述电子源可包括激光等离子体加速器等宽能谱电子源、Thz加速器、激光打靶电子源(激光打靶产生电子)中的任意一种。本公开对电子源的具体类别不做限制。

在一种可能的实现方式中，上述电子源产生的电子束具有较宽的能谱，因此，电子束的能散较高，即，存在具有多种能量的电子，一些电子具有的能量相对较高，另一些电子具有的能量相对较低。电子具有的能量的表现形式可包括电子的运动速度、相对论质量等，本公开对此不做限制。

在一种可能的实现方式中，如上所述，电子具有的能量与电子的速度具有相关性，即，具有不同能量的电子的速度时不同的，具有较高能量的电子的运动速度较快，具有较低能量的电子的运动速度较慢。因此，在电子束中，在电子束的运动方向上，在运动一段距离后，具有较高能量的电子在具有较低能量的电子之前，且随着运动的进行，较高能量的电子与较低能量的电子之间的距离可越来越大，从而导致电子束的长度越来越大，不利于提升时间分辨率，也不利于在超快电子衍射研究方面的应用。

在一种可能的实现方式中，所述电子源11产生的第一电子束即符合上述规律，例如，第一电子和第二电子为电子源11产生的第一电子束中的任意电子，且第一电子具有的能量高于第二电子具有的能量，则第一电子的运动速度高于第二电子的运动速递，在电子束的运动方向上，第一电子位于第二电子之前，因而可导致电子束的长度越来越大。

在一种可能的实现方式中，为了获得束长更短且能散更低的电子束，则可通过包括第一聚焦组件12、多弯消色散组件13和狭缝组件等组件的系统进行处理，来减小电子束的长度及减小能散，以获得更好的衍射效果以及更高的时间分辨率。电子源11、聚焦组件12和多弯消色散组件13等组件均可设置在预设运动路径上。且所述预设运动路径所处的环境为真空环境，可减少对电子运动的干扰。例如，可为该预设的运动路径设置真空的管道，该管道可穿过第一聚焦组件和多弯消色散组件等组件，电子束可在真空的管道中运动。又例如，所述系统可整体位于真空的空腔中，使得电子束在真空中运动。本公开对真空环境的设置方法不做限制。

在一种可能的实现方式中，第一聚焦组件12可用于捕获第一电子束，并使第一电子束聚焦，获得第二电子束。所述第一聚焦组件可位于电子束的预设运动路径上，且位于电子源11和多弯消色散组件13之间，电子源11产生第一电子束后，第一电子束可按照预设的运动路径进行运动，但第一电子束中可能存在运动方向发生偏移的电子，例如，受到电子间的影响、初始散角的影响以及初始电子束指向稳定性的影响等影响因素而发生偏移的电子。通过第一聚焦组件，可使发生偏移的组件聚焦，即，使得电子的运动路径集中于所述预设运动路径上，从而减小电子的浪费，提升最终获得的电子束的电荷量。并且，还可减小电子束中电子的抖动误差，获得稳定性更高的电子束，以更小的偏差进入多弯消色散组件，使得各电子在多弯消色散组件中的偏转后的路径更准确，从而有利于减小电子束的长度。

在一种可能的实现方式中，经过第一聚焦组件的捕获与聚焦，可获得第二电子束，在离开第一聚焦组件时的第二电子束中，所述第一电子相对于第二电子更接近所述预设位置，即，按照电子束的运动方向，由于能量较高的电子(例如，第一电子)的运动速度较快，能量较低的电子(例如，第二电子)的运动速度较慢，能量较高的电子仍位于能量较低的电子之前。

在示例中，所述第一聚焦组件包括多极磁铁组，所述多极磁铁组包括一个或多个四极磁铁。在示例中，所述第一聚焦组件还可包括多极磁铁组，所述多极磁铁组包括一个或多个多极磁铁，所述多极磁铁包括六极磁铁或八极磁铁。即，所述第一聚焦组件也可以是上述四极磁铁和多极磁铁(六极磁铁和/或八极磁铁)的组合，即，在所述多极磁铁组包括至少一个四极磁铁的情况下，还可包括其他多极磁铁(例如，六极磁铁和/或八极磁铁)，或者，所述多极磁铁组可仅包括四极磁铁，即，一个或多个四极磁铁，本公开对第一聚焦组件中使用的磁铁的类型不做限制。

在示例中，所述多极磁铁组可具有类似于透镜的作用，可将电子束进行聚焦，使得沿各个方向运动的电子在经过多极磁铁组的聚焦作用后，运动路径集中于多极磁铁组的轴向，换言之，使各个电子的运动路径集中于预设的运动路径上。

在示例中，在经过第一聚焦组件之后，所述系统还可包括狭缝组件，该狭缝组件可设置在所述预设的运动路径上，且所述预设的运动路径可穿过所述狭缝组件的狭缝。可通过该狭缝组件对电子束中的电子进行筛选，阻挡运动至狭缝之外的电子，使得穿过狭缝的电子具有较为统一的运动路径。

在一种可能的实现方式中，在第一聚焦组件对所述第一电子束进行上述聚焦处理后，获得的第二电子束可进入多弯消色散组件13，使得第二电子束中的电子按照偏转后的运动路径(即，所述多弯消色散组件内的运动路径)进行运动，使得第二电子束中能量较低、速度较慢的电子沿较短的路径，运动至能量较高、速度较快的电子之前，获得第三电子束。即，在所述第三电子束离开所述多弯消色散组件时，所述第二电子相对于第一电子更接近所述预设位置，从而可使第三电子束到达预设位置时的束长最小。

图2示出根据本公开的实施例的多弯消色散组件的示意图，如图2所示，多弯消色散组件可包括至少两个二极磁铁及至少一个多极磁铁，其中，每两个二极磁铁之间可包括一个多极磁铁。以双弯消色散组件为例，所述多弯消色散组件包括双弯消色散组件，所述双弯消色散组件包括第一二极磁铁、第二二极磁铁以及多极磁铁组(例如，包括一个或多个四极磁铁的多极磁铁组)，所述多极磁铁组设置在所述第一二极磁铁和所述第二二极磁铁之间，其中，所述多弯消色散组件进一步用于：通过第一二极磁铁使所述第二电子束中具有不同能量的电子按照不同路径发生偏转，获得沿多个路径运动的电子；通过所述多极磁铁组捕获所述沿多个路径运动的电子，并在约束离开所述第一二极磁铁的第二电子束的横向发散后，使所述第二电子束进入所述第二二极磁铁；通过所述第二二极磁铁使第二电子束的路径偏转至所述预设运动路径，获得第三电子束。

在一种可能的实现方式中，在第二电子束进入多弯消色散组件时，首先进入第一二极磁铁。第一二极磁铁可使具有不同能量的电子按照不同的路径发生偏转，电子经第一二极磁铁偏转后的路径取决于电子自身的能量，电子所具有的能量越高，其偏转角越小，偏转后的路径越远，电子所具有的能量越低，其偏转角越大，偏转后的路径越近，从而使得能量较高、速度较快的电子(例如，第一电子)在多弯消色散组件内的运动路径长于能量较低、速度较慢的电子(例如，第二电子)在多弯消色散组件内的运动路径。可在多弯消色散组件中的第一二极磁铁之后设置狭缝组件，由于不同能量的电子路径不同，因此，能够通过狭缝组件的电子(即，路径相似的电子)所具有的能量也比较接近，即，狭缝组件在限制电子的路径的范围的同时，也限制了电子的能量范围，换言之，能通过狭缝组件的电子束的能散较低，因此，在多弯消色散组件中的第一二极磁铁之后设置狭缝组件能够获得能散更低的电子束。

在一种可能的实现方式中，多弯消色散组件内的多极磁铁组可控制按照不同路径运动的电子的相空间，使得按照不同路径运动的电子聚焦，避免电子过于发散，使各个电子重新回到所述预设的运动路径上，并可约束第二电子束的横向发散。

在一种可能的实现方式中，在上述约束横向发散后的第二电子束进入第二二极磁铁后，第二二极磁铁可使第二电子束偏转至预设运动路径，获得第三电子束，使得第三电子束沿着预设运动路径运动，以到达预设位置。

在一种可能的实现方式中，经过多弯消色散组件中的第一二极磁铁、多极磁铁组和第二二极磁铁的作用，可使能量较高、速度较快的电子(例如，第一电子)在多弯消色散组件内的运动路径长于能量较低、速度较慢的电子(例如，第二电子)在多弯消色散组件内的运动路径，因此，在获得的第三电子束从第二二极磁铁中出射时，能量较低、速度较慢的电子(例如，第二电子)在能量较高、速度较快的电子(例如，第一电子)之前。即，在所述第二电子束进入所述多弯消色散组件时，所述第一电子相对于第二电子更接近所述预设位置，在所述第三电子束离开所述多弯消色散组件时，所述第二电子相对于第一电子更接近所述预设位置。还可使得能量较高、速度较快的电子(例如，第一电子)可在剩余的路径中(即，从多弯消色散组件到预设位置之间的路径中)，可追赶能量较低、速度较慢的电子(例如，第二电子)，从而实现不同能量的电子同时到达预设位置，从而压缩电子束的束长，使电子束具有更小的横向发散，从而可获得时间分辨率更高，脉宽更小的电子束。

在一种可能的实现方式中，所述多弯消色散组件还可包括更多的二极磁铁及多极磁铁组，例如，可包括四个二极磁铁和三个多极磁铁组，每两个二极磁铁之间可设置一个多极磁铁组，使得经过上述方式压缩束长后的电子束再次经过与上述类似的压缩束长的作用。当然，上述多弯消色散组件还可包括更多二极磁铁及多极磁铁组，本公开对多弯消色散组件中包括的二极磁铁及多极磁铁组的数量不做限制。

在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：狭缝组件，设置在所述预设运动路径上的设定位置，所述预设运动路径穿过所述狭缝组件的狭缝，所述狭缝组件用于阻挡运动至狭缝之外的电子。

在示例中，所述狭缝组件可设置在多弯消色散组件内，例如，可设置在第一二极磁铁与多极磁铁组之间，或者多极磁铁组与第二二极磁铁之间，或者，设置在多极磁铁组内部，即，多极磁铁组中的任意两个多极磁铁之间，以阻挡运动至狭缝之外的电子，且能够减小电子束的能散。

图3示出根据本公开的实施例的狭缝组件的示意图。如图3所示，狭缝组件仅使狭缝范围内的电子通过狭缝，而运动至狭缝范围之外的电子无法通过狭缝组件。狭缝组件可设置在多弯消色散组件内，用以筛选出能量分布更集中，即，能散更小的电子。

在一种可能的实现方式中，由于在多弯消色散组件内，不同能量的电子的运动路径不同，因此，在多弯消色散组件内设置狭缝组件，则通过狭缝组件的电子的运动路径较为集中，因而通过狭缝组件的电子的能量分布也较为集中，因此，能够通过狭缝组件的电子组成的电子束的能散较小。因此，可通过狭缝组件获得能散更小的电子束，从而获得更好的衍射效果。

在示例中，所述狭缝组件也可设置在其他位置，例如，设置在如上所述的第一聚焦组件和多弯消色散组件之间、设置在电子源和第一聚焦组件之间，设置在多弯消色散组件和图1中的第二聚焦组件之间，设置在第二聚焦组件和预设位置之间、第一聚焦组件和/或第二聚焦组件内部(即，任意两个多极磁铁之间)，也可同时在两处或多处设置狭缝组件，用于获得更集中，能散更小的电子束，本公开对狭缝组件的位置不做限制。

在示例中，通过狭缝组件可阻挡运动至狭缝范围之外的电子，获得通过狭缝组件的电子束，该电子束中，电子的运动轨迹更集中，因此，能量分布更集中，能散更小。如公式(1)所示，能量更集中的电子束中的电子的德布罗意波长更集中，因而同电子之间的衍射角差异越小，因此，通过这样的电子束，可获得效果更好的衍射图像。

在一种可能的实现方式中，在所述多弯消色散组件之后，在所述预设位置之前，所述系统还包括：第二聚焦组件，用于捕获所述第三电子束，并使所述第三电子束聚焦，获得聚焦后的第三电子束。所述第二聚焦组件与第一聚焦组件类似，可包括多极磁铁组，多极磁铁组可仅包括一个或多个四极磁铁，或者，在包括至少一个四极磁铁的情况下，还包括多个多极磁铁(例如，六极磁铁、八极磁铁等)。可使第三电子束进一步聚焦，即，聚焦于预设运动路径，以使聚焦后的第三电子束中的电子的偏移更小，获得更集中的电子束。

在一种可能的实现方式中，在经过上述多个组件的作用后，长度较短，能散较低的第三电子束中的多个电子可同时到达预设位置，使得第三电子束的脉宽在预设位置处最小。在示例中，在生成的电子束中，第三电子为中心能量电子，第一电子的能量高于第三电子，第二电子的能量低于第三电子，则在电子束未进入多弯消色散组件前，第一电子和第二电子，与第三电子之间的位置误差均会越来越大，而在通过上述系统的作用后，第一电子和第二电子，与第三电子之间的位置误差均会越来越小，并在电子束预设位置时，位置误差达到最小，即，电子束的脉宽在预设位置处最小。

在一种可能的实现方式中，可在所述预设位置处设置待测样品，其中，所述系统还包括：探测组件，用于接收所述第三电子束穿过所述待测样品后形成的第四电子束，并根据第四电子束确定所述待测样品的材料信息。

在一种可能的实现方式中，第三电子束中的多个电子可同时到达预设位置处，在预设位置处形成能散小、电子束长度小，且电荷量足够的电子束，该电子束可穿过待测样品，并对待测样品的材料信息进行探测，例如，探测待测样品的材料的相变、晶格的膨胀收缩、化学键的断裂与形成等信息，本公开对材料信息所包括的信息类型不做限制。

在一种可能的实现方式中，上述材料信息可反映在穿过待测样品后形成的第四电子束中，即，第三电子束与待测样品中的分子等发生作用，使得穿过待测样品的第四电子束携带有上述材料信息。第四电子束可被探测组件探测到，例如，探测组件可包括屏幕，第四电子束中的电子可到达屏幕，并可将材料信息展示在屏幕上，或者，探测组件可接收并分析第四电子束，从而获得上述材料信息。本公开对探测组件的结构以及材料信息的获得方式不做限制。

在一种可能的实现方式中，上述第一聚焦组件、多弯消色散组件等组件可包括多个，多个上述组件可构成电子衍射系统，从而获得能散小、电子束长度小，且电荷量足够的电子束。例如，在电子源生成电子束后，可经过第一聚焦组件，并经过多弯消色散组件，之后再次经过第一聚焦组件，再次经过多弯消色散组件……最后经过第二聚焦组件并到达预设位置，且在上述组件构成的系统中的任意位置还可设置狭缝组件，从而减小能散。所述第一聚焦组件、多弯消色散组件、第二聚焦组件、狭缝组件的设置数量与设置位置，以及第一聚焦组件或第二聚焦组件中多极磁铁的数量可基于各组件的性能参数来设置，本公开对此不做限制。经过上述系统中的多个组件的共同作用，可获得能散低、长度短、电荷量充足的电子束，从而可提升该电子束的衍射效果和时间分辨率。

在一种可能的实现方式中，所述系统中的二极磁铁和/或多极磁铁组可以是永磁磁铁，永磁磁铁的尺寸较小，可使得上述系统的结构更紧凑。在另一示例中，所述系统中的二极磁铁和/或多极磁铁可以是电磁铁，使得二极磁铁和/或多极磁铁的性能参数可调节，例如，根据最终在预设位置处获得的电子束的能散、长度、电荷量等信息进行调节，如果获得的电子束的能散、长度、电荷量等信息不符合要求，则可调节二极磁铁和/或多极磁铁的性能参数，使得调节后的系统获得的电子束的能散、长度、电荷量等信息符合要求。当然，上述系统中的多个磁铁(包括二极磁铁和多极磁铁)也可同时包括永磁磁铁和电磁铁，本公开对此不做限制。

在示例中，多弯消色散组件和/或聚焦组件的性能参数可与电子源产生的第一电子束的能量对应，即，通过上述组件对电子源产生的具有特定能量的第一电子束进行作用后，可使得作用后的第三电子束中各电子同时到达预设位置，使得第三电子束具有能散低、长度短、脉宽小、时间分辨率高的特点。

根据本公开的实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统，可利用多弯消色散组件使电子束中能量较高速度较快的电子的路径更长，使能量较低速度较慢的电子的路径更短，从而使得具有不同能量的电子能够同时到达预设位置，还可通过狭缝组件来减小电子束的能散，可针对宽能谱电子源的特性，使用与电子源性能匹配的多弯消色散组件，从而对电子束的束长进行压缩，获得能量高，能散低，时间分辨率高、脉宽小的电子束，以满足超快电子衍射的应用研究需求。

图4A和图4B示出根据本公开的实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统的示意图，如图4A的所述系统的平面图所示，所述系统可包括电子源，所述电子源可包括激光等离子体加速器等宽能谱电子源，这种电子源生成的电子束能散可能较大。在电子源生成电子束后，可被第一聚焦组件捕获并聚焦，使得聚焦后的电子束以较小的偏差进入多弯消色散组件，如图4B所示，第一聚焦组件可包括多极磁铁组，多极磁铁组可包括两个或更多个四极磁铁，还可包括六极磁铁、八极磁铁等。

在一种可能的实现方式中，在电子束进入多弯消色散组件后，多弯消色散组件中的二极磁铁可使电子束中不同能量的电子按照不同路径发生偏转，进一步地，还可通过多极磁铁组使各个电子再次聚焦于预设路径并进入下一个二极磁铁。在多弯消色散组件内，经过偏转，能量高、速度快的电子在多弯消色散组件的内的路径更长，能量低、速度慢的电子在多弯消色散组件内的路径更短，使得电子束在进入多弯消色散组件时能量高、速度快的电子在前，而在电子束从多弯消色散组件出射时，能量低、速度慢的电子在前。此外，在多弯消色散组件内还可设置狭缝组件，通过狭缝组件的电子的路径接近，所具有的能量也接近，使得通过狭缝组件的电子束的能散更低，即，能量分布更集中。

在一种可能的实现方式中，在电子束从多弯消色散组件出射后，可被第二聚焦组件捕获并聚焦，使得电子束更加集中，第二聚焦组件可包括由两个或多个四极磁铁组成的四极磁铁组。

在一种可能的实现方式中，经上述组件的共同作用，电子束中的不同能量的电子同时到达预设位置，在预设位置处，电子束的能散小、长度短、电荷量足够、脉宽小、时间分辨率高，可通过此电子束穿过待测样品，获得材料信息，并通过探测组件探测穿过待测样品的电子束，并获得材料信息。

图5A和图5B示出根据本公开的实施例的基于多弯消色散的超快电子衍射系统的模拟案例示意图，图5A表示电子束的纵向相空间，其纵坐标为电子束的能量，横坐标为时间，图5B的纵坐标为归一化的电荷量，横坐标为时间。

在示例中，以电子源产生能量为5MeV，电荷量为10pC，散角为45mrad，能散70％的电子束为例，电子束经过上述系统后，获得长度小于10fs，电荷量为1fC，±1％以下的能散的电子束。在不使用上述系统的情况下，该电子束的能散较大，使用该电子束进行衍射的效果不佳。且随着电子束的运动，能量较高的电子运动速度较快，能量较低的电子运动速度较慢，因此，电子束的长度会越来越长，导致时间分辨率不佳。而在使用上述系统后，可获得束长较小、能散较小、品质良好的电子束，满足对电子衍射的研究与应用需求。

在一种可能的实现方式中，上述系统可用于使激光等离子体加速器等产生的宽能谱的电子束进行处理，形成能散小，长度短，电荷量充足的电子束，且能够提供小于10飞秒的时间分辨率(例如，检测到电子束中所有电子共消耗的时间)，为飞秒电子衍射的研究提供有力支持。

可以理解，本公开提及的上述各个实施例，在不违背原理逻辑的情况下，均可以彼此相互结合形成结合后的实施例，限于篇幅，本公开不再赘述。本领域技术人员可以理解，在具体实施方式的上述方法中，各步骤的具体执行顺序应当以其功能和可能的内在逻辑确定。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种基于多弯消色散的超快电子衍射系统，其特征在于，包括：第一聚焦组件、多弯消色散组件和电子源，所述第一聚焦组件和所述多弯消色散组件设置于所述电子源产生的电子束的预设运动路径上，所述第一聚焦组件设置在所述多弯消色散组件之前；

所述电子源用于产生第一电子束，其中，在所述第一电子束中的第一电子的能量高于第二电子的能量的情况下，所述第一电子的运动速度高于第二电子的运动速度；

所述第一聚焦组件用于捕获所述第一电子束，并使所述第一电子束聚焦，获得第二电子束，

所述多弯消色散组件用于使所述第二电子束中具有不同能量的电子按照不同运动路径运动，并在压缩束长后获得第三电子束，

其中，所述多弯消色散组件的性能参数与所述电子源产生的第一电子束的能量对应，所述第一电子在所述多弯消色散组件内的运动路径长于第二电子在所述多弯消色散组件内的运动路径，所述第三电子束中具有不同能量的电子同时到达预设位置，所述第三电子束的脉宽在预设位置处最小。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述第二电子束进入所述多弯消色散组件时，所述第一电子相对于第二电子更接近所述预设位置，在所述第三电子束离开所述多弯消色散组件时，所述第二电子相对于第一电子更接近所述预设位置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一聚焦组件包括多极磁铁组，所述多极磁铁组包括一个或多个四极磁铁。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一聚焦组件还包括多极磁铁组，所述多极磁铁组包括一个或多个多极磁铁，所述多极磁铁包括六极磁铁或八极磁铁。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多弯消色散组件包括双弯消色散组件，所述双弯消色散组件包括第一二极磁铁、第二二极磁铁以及多极磁铁组，所述多极磁铁组设置在所述第一二极磁铁和所述第二二极磁铁之间，

其中，所述多弯消色散组件进一步用于：

通过第一二极磁铁使所述第二电子束中具有不同能量的电子按照不同路径发生偏转，获得沿多个路径运动的电子；

通过所述多极磁铁组捕获所述沿多个路径运动的电子，并在约束离开所述第一二极磁铁的第二电子束的横向发散后，使所述第二电子束进入所述第二二极磁铁；

通过所述第二二极磁铁使第二电子束的多个电子的路径偏转至所述预设运动路径，获得第三电子束。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述多弯消色散组件之后，在所述预设位置之前，所述系统还包括：

第二聚焦组件，用于捕获所述第三电子束，并使所述第三电子束聚焦，获得聚焦后的第三电子束。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

狭缝组件，设置在所述预设运动路径上的设定位置，所述预设运动路径穿过所述狭缝组件的狭缝，所述狭缝组件用于阻挡运动至狭缝之外的电子。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设运动路径所处的环境为真空环境。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设位置处设置待测样品，

其中，所述系统还包括：

探测组件，用于接收所述第三电子束穿过所述待测样品后形成的第四电子束，并根据第四电子束确定所述待测样品的材料信息。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子源包括激光等离子体加速器、Thz加速器、激光打靶电子源中的任意一种。

Images