CN117517374A - 一种多电子谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多电子谱仪，包括：脉冲激励源、电子光学系统及若干二维图像型电子探测器；脉冲激励源从待测样品中激励出沿不同方向出射的被激励电子；二维图像型电子探测器用于记录激励粒子激励的一个或多个被激励电子各自到达二维图像型电子探测器的位置和飞行时间；电子光学系统用于将沿不同方向出射的被激励电子成像在二维图像型电子探测器上不同的位置。本发明的多电子谱仪在一个电子光学系统中实现多电子测量，可以实现二维全动量空间符合的多电子谱测量；通过在电子光学系统中引入散射靶，可以研究单、双及多电子的散射过程；特别地，通过引入铁磁性散射靶或具有高自旋‑轨道相互作用的散射靶，可以实现自旋分辨的单、双及多电子谱测量。

Description

一种多电子谱仪

技术领域

本发明涉及电子状态测量领域，特别是涉及一种多电子谱仪。

背景技术

目前，对电子状态进行测量的最直接工具是光电子谱技术。通过测量被光子激励的光电子的能量和动量，通过守恒律就可以得到电子在物质中时的能量和动量。光电子谱技术可以精准测量半导体、金属等弱关联材料及强关联体系单电子平均场近似下的电子状态信息，但是不能够直接测量由多个电子组成的准粒子的能量、动量和自旋。双光电子谱通过同时测量一个光子激发出的一对电子的能量和动量，可以实现对两个电子构成的准粒子能量和动量的测量，并可以实现对两个电子间关联相互作用的直接观测。如图1所示，目前的双光电子谱仪由两台能量分析器12实现，脉冲光源10从待测样品11激励出光电子，然后由两台能量分析器12进行符合测量获得双光电子谱；由于两台分析器测量的光电子沿固定的出射方向，造成极低的双光电子符合效率。为了提高测量效率，只能加大接受角和降低能量分辨率，其动量分辨率和能量分辨率均远远低于常规的光电子谱测量。

因此，如何实现多光电子谱测量及提高现有双光电子谱仪动量分辨率和能量分辨率已经成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多电子谱仪，用于实现多电子谱测量及解决现有双光电子谱仪动量分辨率和能量分辨率低下的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多电子谱仪，包括：脉冲激励源、电子光学系统及若干二维图像型电子探测器；

所述脉冲激励源产生激励粒子，激励粒子从待测样品中激励出沿不同方向出射的被激励电子；

所述二维图像型电子探测器用于记录激励粒子激励出的单个或多个被激励电子各自到达所述二维图像型电子探测器的位置和飞行时间；

所述电子光学系统用于将沿不同方向出射的所述被激励电子成像在所述二维图像型电子探测器上不同的位置。

可选地，所述电子光学系统由一个电子透镜组组成；所述电子透镜组的物平面为所述待测样品，像平面为所述二维图像型电子探测器。

可选地，所述电子光学系统包括第一电子透镜组及偏转磁场；所述被激励电子穿过所述第一电子透镜组后在所述偏转磁场中偏转0°至360°中相隔为5°的所有角度中的一个角度，并在所述二维图像型电子探测器平面上成像。

更可选地，所述电子光学系统还包括第二电子透镜组；经过所述偏转磁场偏转的所述被激励电子穿过所述第二电子透镜组后在所述二维图像型电子探测器平面上成像。

可选地，所述电子光学系统包括散射靶及轴线沿不同方向设置的第一电子透镜组及第二电子透镜组；所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第二电子透镜组轴线所构成的平面内，且所述散射靶法线位于所述第一电子透镜组轴线和所述第二电子透镜组轴线所构成的夹角的平分线上；所述第一电子透镜组的物平面为所述待测样品，像平面与所述第一电子透镜组轴线垂直；所述第二电子透镜组的物平面为所述第一电子透镜组的像平面经所述散射靶反射后的镜像，像平面为所述二维图像型电子探测器。

更可选地，两个电子透镜组轴线间的夹角为(0°，360°)。

更可选地，两个电子透镜组轴线间的夹角为0°至360°中相隔为5°的所有角度中的一个角度。

可选地，所述多电子谱仪包括第一二维图像型电子探测器及第二二维图像型电子探测器，所述电子光学系统包括散射靶及轴线沿不同方向设置的第一电子透镜组、第二电子透镜组及第三电子透镜组；所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第二电子透镜组轴线所构成的平面内，且所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第二电子透镜组轴线所构成的夹角的平分线上，或所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第三电子透镜组轴线所构成的平面内，且所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第三电子透镜组轴线所构成的夹角的平分线上；所述第一电子透镜组的物平面为所述待测样品，像平面与所述第一电子透镜组轴线垂直；所述第二电子透镜组的物平面为所述第一电子透镜组的像平面经所述散射靶反射后的镜像，像平面为所述第一二维图像型电子探测器；所述第三电子透镜组的物平面为所述第一电子透镜组的像平面经所述散射靶反射后的镜像，像平面为所述第二二维图像型电子探测器。

更可选地，三个电子透镜组中任意两个电子透镜组轴线间的夹角为(0°，360°)。

更可选地，每两个电子透镜组的轴线之间的夹角为0°至360°中相隔为5°的所有角度中的一个角度。

可选地，所述电子光学系统包括散射靶、偏转磁场及轴线沿不同方向设置的第一电子透镜组及第二电子透镜组，且两个电子透镜组的轴线位于与磁场方向垂直的平面内；

其中，所述被激励电子穿过所述第一电子透镜组后在所述偏转磁场中偏转第一设定角度，并在所述散射靶平面或所述散射靶平面前/后的任意一个位置成像；经所述散射靶反射后的被激励电子在所述偏转磁场中偏转第二设定角度，然后穿过所述第二电子透镜组并在所述二维图像型电子探测器平面上成像。

更可选地，所述电子光学系统还包括第三电子透镜组，所述第三电子透镜组轴线与所述第一电子透镜组轴线及所述第二电子透镜组轴线方向不同，且三个电子透镜组的轴线均位于与磁场方向垂直的平面内；

其中，在所述偏转磁场中偏转第一设定角度的所述被激励电子，穿过所述第三电子透镜组后在所述散射靶平面或所述散射靶平面前/后的任意一垂直于所述第三电子透镜组轴线的平面成像；经所述散射靶反射后的被激励电子穿过所述第三电子透镜组在所述偏转磁场中偏转第二设定角度。

更可选地，所述第一设定角度及所述第二设定角度为(0°，360°)。

更可选地，所述第一设定角度及所述第二设定角度为0°至360°中相隔为5°的所有角度中任意一个或任意两个角度。

可选地，所述二维图像型电子探测器为延迟线探测器。

更可选地，所述散射靶的材料包括铁磁性材料或具有高自旋-轨道相互作用的材料。

更可选地，所述电子透镜组包括非轴对称电子透镜。

可选地，所述脉冲激励源为脉冲光源或脉冲电子源。

如上所述，本发明的多电子谱仪，具有以下有益效果：

本发明的多电子谱仪，通过设置二维图像型电子探测器并进行飞行时间测量，由飞行时间得到电子的能量，实现对被激励电子能量及二维动量，共三个维度的多通道测量；通过在一个电子光学系统中实现多电子测量，可以实现二维全动量空间符合的多电子谱测量，大幅度增加多电子测量效率，实现毫电子伏和度量级的能量和动量分辨率；通过在电子光学系统中引入散射靶，可以研究单电子、双电子及多电子的散射过程；特别地，通过引入铁磁性散射靶或具有高自旋-轨道相互作用的散射靶，可以实现自旋分辨的单、双及多电子谱测量。

附图说明

图1显示为现有双光电子谱测量原理示意图。

图2显示为本发明的多电子谱仪的第一种实施方式示意图。

图3显示为本发明的四极透镜的结构示意图。

图4显示为本发明的多电子谱仪的第二种实施方式示意图。

图5显示为本发明的多电子谱仪的第三种实施方式示意图。

图6显示为本发明的多电子谱仪的第四种实施方式示意图。

图7显示为本发明的多电子谱仪的第五种实施方式示意图。

元件标号说明

1 脉冲激励源

10 脉冲光源

11 待测样品

12 能量分析器

21a、21b、21c 散射靶/铁磁性散射靶

220 电子透镜组

221a、222、224、227 第一电子透镜组

221b、223、225、228 第二电子透镜组

226、229 第三电子透镜组

23a、23b 偏转磁场

3a、3b、3c、3f 二维图像型电子探测器/延迟线探测器

3d 第一二维图像型电子探测器/延迟线探测器

3e 第二二维图像型电子探测器/延迟线探测器

41 第一成像面

42 第二成像面

e1 第一极板

e2 第二极板

e3 第三极板

e4 第四极板

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图7，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例均可能改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供一种多电子谱仪，如图2所示，所述多电子谱仪包括：脉冲激励源1、电子光学系统220及二维图像型电子探测器3a。

如图2所示，所述脉冲激励源1产生激励粒子，激励粒子从待测样品11中激励出沿不同方向出射的被激励电子。

具体地，作为示例，所述脉冲激励源1为脉冲光源或脉冲电子源。当所述脉冲激励源1为脉冲光源时，所述多电子谱仪可以实现单、双或多光电子谱测量；当所述脉冲激励源1为脉冲电子源时，所述多电子谱仪可以实现单、双或多电子的二次电子谱测量。本实施例中，所述脉冲激励源1采用脉冲光源进行工作。

如图2所示，所述二维图像型电子探测器3a用于记录激励粒子激励出的单个或多个被激励电子各自到达所述二维图像型电子探测器3a的位置和飞行时间。本发明的多电子谱仪，通过设置所述二维图像型电子探测器并进行飞行时间测量，实现对被激励电子能量及二维动量共三维度的多通道测量。

具体地，作为示例，所述二维图像型电子探测器3a为延迟线探测器；所述二维图像型电子探测器3a可以是任意一种具有单、双和多电子探测能力的器件，且所述二维图像型电子探测器3a可以记录一个激励脉冲激励的各个电子到达所述二维图像型电子探测器3a的位置和飞行时间，从而实现在二维全动量空间的多电子符合测量。作为示例，所述二维图像型电子探测器3a包括半导体探测器阵列。

如图2所示，所述电子光学系统用于将沿不同方向出射的所述被激励电子成像在所述二维图像型电子探测器3a上不同的位置，从而实现二维动量测量。作为示例，所述电子光学系统为电子透镜组220，所述电子透镜组220的物平面为所述待测样品11，像平面为所述二维图像型电子探测器3a。

具体地，所述电子透镜组220可以包括非轴对称电子透镜，所述电子透镜组220包含多个电子透镜，多个电子透镜中可以有一个以上的非轴对称电子透镜。具体地，所述非轴对称电子透镜为圆柱型电透镜一分为多而构筑的电多极透镜；电多极透镜在实现多极透镜功能的同时，可以通过调整所述电多极透镜的电极电压，实现对电子束偏转进行调控的偏转器功能。作为示例，所述非轴对称电子透镜为电四极透镜，所述非轴对称电子透镜包括但不限于四极透镜、六极透镜及八极透镜，不以本实施例为限。

作为示例，如图3所示为一种电四极透镜，将圆柱型电透镜一分为四，分别作为第一极板e1、第二极板e2、第三极板e3及第四极板e4。若所述第一极板e1及所述第二极板e2处于第一电位，所述第三极板e3及所述第四极板e4处于第二电位，则通过调整所述第一电位与所述第二电位的电位差可以调整四极透镜在X方向及Y方向的焦距差。由于加工误差、安装误差及环境磁场的影响，电子束穿过电子透镜时可能会偏离电子透镜轴线，在实际的电子光学系统中需要加装偏转器以补偿这些影响。本发明中的电多极透镜在实现对电子光学系统非轴对称补偿的同时，可以通过调整各极板的电位同时实现偏转器功能。具体地，调整所述第一极板e1与所述第二极板e2间的电压可以实现电子束在Y方向的偏转；同样，调整所述第三极板e3与所述第四极板e4间的电压可以实现电子束在X方向的偏转。

本发明的多电子谱仪在一个光学系统中实现多电子谱测量，可以实现二维全动量空间的符合测量，即多个电子的各种出射角度的符合测量；大幅度增加多电子谱测量的效率，从而可以实现毫电子伏和度量级的能量和动量分辨率；同时，本发明也可以实现高效率的单电子谱测量。

实施例二

如图4所示，本实施例提供一种多电子谱仪，与实施例一中所述多电子谱仪不同的是：所述多电子谱仪包括二维图像型电子探测器3b，所述电子光学系统包括第一电子透镜组221a及偏转磁场23a；所述被激励电子穿过所述第一电子透镜组221a后在所述偏转磁场23a中偏转0°至360°中相隔为5°的所有角度中的一个角度(不包括0°和360°)，并在所述二维图像型电子探测器3b平面上成像。

需要说明的是，本实施例中所述的二维图像型电子探测器3b与实施例一中所述的二维图像型电子探测器3a相同或不同均可，只要具有单、双及多电子探测能力并可记录各个电子到达探测器的飞行时间和二维位置信息即可。本实施例中所述的第一电子透镜组221a与实施例一中所述的电子透镜组220相同或不同，均可包含非对称电子透镜。

需要说明的是，所述偏转磁场23a在垂直磁场方向和平行磁场方向具有不同的电子光学特性。假设电子束在所述偏转磁场23a中偏转180°，若在磁场入口处的电子束为从一点发出的发散束，在垂直磁场方向，由于罗伦茨力提供的向心力，光电子做圆周运动，在偏转180°后，光电子在磁场出口处再一次聚焦；而在平行磁场方向，光电子不受力，维持发散。因此，所述偏转磁场23a在垂直磁场方向和平行磁场方向具有不同的电子光学特性，若与轴对称透镜组相配合，则会导致电子光学系统在垂直磁场方向和平行磁场方向具有不同的焦距，从而不可能在这两个方向同时成像，最终呈现在所述二维图像型电子探测器3b上的像差比较大。

作为本实施例的另一种实现方式，所述电子光学系统还包括第二电子透镜组221b，经过所述偏转磁场23a偏转的所述被激励电子穿过所述第二电子透镜组221b后在所述二维图像型电子探测器3b平面上成像。

本发明通过非轴对称电子透镜的引入，补偿所述偏转磁场23a在垂直磁场方向和平行磁场方向上电子光学特性的不对称性，并使被激励电子在二维探测器平面上在沿垂直磁场方向和平行磁场方向的两个方向上同时成像，减小像差，实现二维动量的高分辨率多通道测量。

实施例三

如图5所示，本实施例提供一种多电子谱仪，与实施例一中所述多电子谱仪不同的是：所述多电子谱仪包括二维图像型电子探测器3c，所述电子光学系统包括散射靶21a及轴线沿不同方向设置的第一电子透镜组222及第二电子透镜组223；所述第一电子透镜组222的物平面为所述待测样品11，像平面与所述第一电子透镜组222轴线垂直并可位于任何位置，若所述像平面位于无穷远处，则不同出射角的被激励电子以不同的角度到达所述散射靶21a，在本实施例中，像平面与所述散射靶21a中心相交；所述第二电子透镜组223的物平面为所述第一透镜组222的像平面经所述散射靶21a反射的镜像，在本实施例中，所述第二电子透镜组223的物平面与所述第二电子透镜组223轴线垂直且与所述散射靶21a中心相交，像平面为所述二维图像型电子探测器3c。本实施例中所述的多电子谱仪通过所述散射靶21a的散射，可以对经过散射的电子进行多电子谱测量。

具体地，所述散射靶21a的材料为铁磁性材料或具有高自旋-轨道相互作用的材料时，可以进行自旋分辨多电子谱测量。作为示例，所述铁磁性材料包括但不限于铁磁性氧化铁，所述铁磁性材料不同的磁化方向可通过配置磁化线圈及改变磁化线圈的通电方向来实现；在本实施例中，所述散射靶21a为铁磁性散射靶。作为本发明的一种实施方式，所述散射靶21a为在氧化镁基板上形成的铁磁性氧化铁薄膜或在钨单晶上形成的铁磁性氧化铁薄膜。作为示例，所述高自旋-轨道相互作用材料包括钨、铱、金、拓扑绝缘体的单晶或非晶材料。

具体地，所述第一电子透镜组222与所述第二电子透镜组223的轴线的夹角为(0°，360°)。作为示例，所述第一电子透镜组222与所述第二电子透镜组223的轴线的夹角为0°至360°中相隔为5°的所有角度中的一个角度。本实施例中，如图5所示，所述第一电子透镜组222与所述第二电子透镜组223的轴线构成90°的夹角，所述第一电子透镜组222的轴线为Y轴，所述第二电子透镜组223的轴线为X轴，X轴与Y轴构成直角坐标系；所述散射靶21a的法线方向在XY平面内且与X轴成315°夹角。

本实施例所述的多电子谱仪的工作流程：如图5所示，所述待测样品11被所述脉冲激励源1激励后，发出沿不同方向出射的被激励电子，不同出射方向的被激励电子被所述第一电子透镜组222成像到与Y轴垂直的第一成像面41上的不同点，然后经所述铁磁性散射靶21a反射，第一成像面41转化为第二成像面42，所述第二透镜组223将所述第二成像面42上的不同点成像在所述二维图像型电子探测器3c上的不同位置。

本实施例所述的多电子谱仪的工作原理：如图5所示，首先，将所述铁磁性散射靶21a沿+X’方向磁化，在所述延迟线探测器3c上记录被所述脉冲激励源1的各个光脉冲激励的各个光电子到达所述延迟线探测器3c的飞行时间及二维位置信息。如果所述延迟线探测器3c记录到的被某个光脉冲激励的光电子为两个，通过各个光电子到达的二维位置可以确定光电子的二维出射角(动量)，通过飞行时间可以确定各个光电子的能量，通过能量守恒可以判断两个光电子的激励源是不是一个光子；若激励源为一个光子，则记录所述两个光电子的能量和动量，从而实现一维能量、二维动量的多通道双光电子谱测量。然后，将所述铁磁性散射靶21a沿-X’方向磁化，再次记录每个被所述脉冲激励源1的各个光脉冲激励的各个光电子到达所述延迟线探测器3c的飞行时间及二维位置信息。基于两个不同磁化方向测量得到的一维能量、二维动量，共三维空间中某个点的双光电子谱强度差正比于对应点的光电子沿X’方向的自旋极化度，从而可以测量双光电子事例中三维能量动量空间中各个点光电子沿X’方向的自旋极化度，得到自旋分辨的双光电子谱。类似地，将所述铁磁性散射靶21a分别沿+Z方向和-Z方向磁化，可以测量沿Z方向的自旋极化度。

需要说明的是，本实施例中所述多电子谱仪与实施例一中所述的多电子谱仪可以整合在一起实现多电子谱测量。作为示例，将所述二维图像型电子探测器3a设置在所述第一电子透镜组222的轴线上，所述第一电子透镜组222相当于实施例一中所述电子透镜组220。当所述铁磁性散射靶21a位于所述二维图像型电子探测器3a及所述第一电子透镜组222之间时，将所述铁磁性散射靶21a移进移出，可以实现自旋积分和自旋分辨模式的切换；当所述二维图像型电子探测器3a位于所述铁磁性散射靶21a及所述第一电子透镜组222之间时，将所述二维图像型电子探测器3a移进移出，可以实现自旋积分和自旋分辨模式的切换。在自旋积分模式下，所述被激励电子不经所述铁磁性散射靶21a散射，直接在所述二维图像型电子探测器3a上成像，实现高测量效率的非散射多电子谱测量。

本实施例的多电子谱仪通过飞行时间测量的引入，可以实现一维能量和二维动量，共三个维度的多通道自旋分辨单光电子谱测量，测量效率比现有的基于半球形能量分析器的一维能量一维动量共两个维度的多通道自旋分辨光电子谱仪高两个量级左右；同时，本发明也可以很方便地进行自旋积分光电子谱的测量。

实施例四

如图6所示，本实施例提供一种多电子谱仪，本实施例中的多电子谱仪与实施例三不同的是，所述多电子谱仪包括第一二维图像型电子探测器3d及第二二维图像型电子探测器3e，所述电子光学系统包括散射靶21b及轴线沿不同方向设置的第一电子透镜组224、第二电子透镜组225及第三电子透镜组226。所述第一电子透镜组224的物平面为所述待测样品11，像平面与所述第一电子透镜组224轴线垂直并可位于任何位置；在本实施例中，所述第一电子透镜组224的像平面与所述散射靶21b中心相交。所述第二电子透镜组225的物平面为所述第一透镜组224的像平面经所述散射靶21b反射的镜像，像平面为所述第一图像型电子探测器3d；在本实施例中，所述第二电子透镜组225的物平面与所述第二电子透镜组225轴线垂直并与所述散射靶21b中心相交。所述第三电子透镜组226的物平面为所述第一透镜组224的像平面经散射靶反射的镜像，像平面为所述第二二维图像型电子探测器3e；在本实施例中，所述第三电子透镜组226的物平面与所述第三电子透镜组226轴线垂直并与所述散射靶21b中心相交。

需要说明的是，本实施例中的所述第一二维图像型电子探测器3d及所述第二二维图像型电子探测器3e与实施例一中的所述二维图像型电子探测器3a相同或不同均可，只要具有单、双及多电子探测能力并可测量各个电子到达探测器的时间和二维位置即可。本实施例中的所述散射靶21b与实施例三中所述的散射靶21a相同或不同均可。本实施例中的所述第一电子透镜组224、所述第二电子透镜组225及所述第三电子透镜组226，与实施例一中所述的电子透镜组220的功能及作用相同，均可包含非轴对称电子透镜。

具体地，三个电子透镜组(第一电子透镜组224、第二电子透镜组225及第三电子透镜组226)中的任意两个电子透镜组轴线间的夹角为(0°，360°)。作为示例，每两个电子透镜组的轴线之间的夹角为0°至360°中相隔为5°的所有角度中的一个角度。本实施例中，每两个所述电子透镜组轴线之间的夹角为90°，如图6所示，X轴、Y轴及Z轴构成空间直角坐标系，所述第一电子透镜组224轴线沿X轴设置，所述第二电子透镜组225轴线沿Y轴设置，所述第三电子透镜组226轴线沿Z轴设置，在实际情况中，不以本实施例为限。

本实施例所述的多电子谱仪的一种工作方式：如图6所示，所述铁磁性散射靶21b法线方向在XY平面内且与X方向成45°夹角；被所述脉冲激励源1激励的从所述待测样品11沿不同出射方向发出的被激励电子，经所述第一电子透镜组224二维成像在与X轴垂直的第一成像面的不同的点，经所述铁磁性散射靶21b反射，所述第一成像面转换成与Y轴垂直的第二成像面，所述第二电子透镜组225将所述第二成像面上不同位置的电子成像到所述延迟线探测器3d上的不同的点(为图示简洁，所述第一成像面及所述第二成像面未示出)。将所述铁磁性散射靶21b分别沿+Z方向和-Z方向磁化，记录每个激励脉冲激励的被激励电子各自到达所述延迟线探测器3d的时间及二维位置信息，可以测量被激励电子在能量及二维动量，三维空间中特定点沿Z方向的自旋极化度。类似地，将所述铁磁性散射靶21b分别沿在XY平面内与Y轴成45°角方向进行两次方向相反的磁化，记录每个激励脉冲激励的被激励电子各自到达所述延迟线探测器3d的时间及二维位置信息，可以测量被激励电子在能量及二维动量，三维空间中特定点沿Y轴方向的自旋极化度。

作为本实施例的另一种工作方式，当使所述铁磁性散射靶21b法线方向在XZ平面内且与X方向成45°夹角时，从所述待测样品11沿不同出射方向发出的被激励电子，经所述第一电子透镜组224二维成像在与X轴垂直的所述第一成像面的不同的点；经所述铁磁性散射靶21b反射，与X轴垂直的所述第一成像面转换成与Z轴垂直的第三成像面，所述第三电子透镜组226将与Z轴垂直的所述第三成像面上不同位置的被激励电子成像到所述延迟线探测器3e上。将所述铁磁性散射靶21b分别沿+Y方向和-Y方向磁化，记录每个被激励电子各自到达所述延迟线探测器3e的时间及二维位置信息，可以测量被激励电子沿Y轴的自旋极化度。类似地，将所述铁磁性散射靶21b分别沿在XZ平面内与Z轴成45°角方向进行两次方向相反的磁化，记录每个被激励电子各自到达所述延迟线探测器3e的时间及二维位置信息，可以测量被激励电子沿此方向的自旋极化度。

本发明的多电子谱仪通过使所述铁磁性散射靶21b法线沿两个不同的方向，可以最终得到被激励电子沿Z轴及Y轴方向的自旋极化度，并通过联立方程解出被激励电子沿X方向的自旋极化度，并最终获得三维多通道自旋分辨单、双及多电子谱。

需要说明的是，本实施例中所述的多电子谱仪也可以与实施例一中所述的多电子谱仪整合在一起，只需要将实施例一中所述的二维图像型电子探测器3a设置在所述第一电子透镜组224的轴线上，将所述铁磁性散射靶21b或所述二维图像型电子探测器3a移进移出，可以实现自旋积分和自旋分辨模式的切换。

实施例五

如图7所示，本实施例提供一种多电子谱仪，与实施例二中所述的多电子谱仪不同的是，所述多电子谱仪包括二维图像型电子探测器3f，所述电子光学系统包括散射靶21c、偏转磁场23b及轴线沿不同方向设置的第一电子透镜组227及第二电子透镜组228，且两个电子透镜组的轴线位于与磁场方向垂直的平面内。

需要说明的是，本实施例中所述的二维图像型电子探测器3f与实施例二中的所述二维图像型电子探测器3b相同或不同均可，只要具有单、双及多电子探测能力并可记录各个电子到达探测器的时间和二维位置信息即可。本实施例中的所述散射靶21c与实施例三中所述的散射靶21a相同或不同均可。本实施例中的所述第一电子透镜组227及所述第二电子透镜组228，与实施例一中所述的电子透镜组220的功能及作用相同，均可包含非轴对称电子透镜。本实施例中所述的偏转磁场23b与实施例二中所述的偏转磁场23a相同或不同均可，只要能实现电子偏转即可。

具体地，如图7所示，所述被激励电子穿过所述第一电子透镜组227后在所述偏转磁场23b中偏转第一设定角度，在所述散射靶21c平面或所述散射靶21c平面前/后的任意一个位置成像；经所述散射靶21c反射后的被激励电子在所述偏转磁场21c中偏转第二设定角度，然后穿过所述第二电子透镜组228并在所述二维图像型电子探测器3f平面上成像。

具体地，所述第一设定角度为(0°，360°)，所述第二设定角度为(0°，360°)。

作为示例，所述第一设定角度及所述第二设定角度为0°至360°中相隔为5°的所有角度值中任意一个或任意两个角度，在本实施例中，第一设定角度及第二设定角度均为120°。

作为本实施例的另一种实现方式，：所述电子光学系统还包括第三电子透镜组229，所述第三电子透镜组229轴线与所述第一电子透镜组227轴线及所述第二电子透镜组228轴线方向不同，且三个电子透镜组的轴线均位于与磁场方向垂直的平面内。具体地，在所述偏转磁场23b中偏转第一设定角度的所述被激励电子，穿过所述第三电子透镜组229后在所述散射靶平面或所述散射靶平面前/后的任意一垂直于所述第三电子透镜组229轴线的平面成像；经所述散射靶21c反射后的被激励电子穿过所述第三电子透镜组229在所述偏转磁场23b中偏转第二设定角度。

本实施例的多电子谱仪的工作流程：如图7所示，从所述待测样品11以不同出射角出射的被激励电子经所述第一电子透镜组227、所述偏转磁场23b及所述第三电子透镜组229成像在所述散射靶21c平面或所述散射靶21c平面前/后的一个特定平面上的不同点。在本实施例中，所述特定平面为所述铁磁性散射靶21c平面。不同出射角的被激励电子经所述铁磁性散射靶21c反射，经所述第三电子透镜组229、所述偏转磁场23b及所述第二电子透镜组228，最终成像在所述延迟线探测器3f上的不同点。

本实施例所述的多电子谱仪的工作原理：如图7所示，首先，将所述铁磁性散射靶21c沿+X方向磁化，在所述延迟线探测器3f上记录每个激励脉冲激励的被激励电子各自到达所述延迟线探测器3f的时间及二维位置信息。然后，将所述铁磁性散射靶21c沿-X方向磁化，再次记录每个激励脉冲激励的被激励电子各自到达所述延迟线探测器3f的时间及二维位置信息。通过一维动量二维动量共三维空间中各个点记录到的电子强度差，可以确定各个点被激励电子沿X方向的自旋极化度，得到极化方向沿X方向的自旋分辨单、双及多电子谱。类似地，将所述铁磁性散射靶21c分别沿+Y方向和-Y方向磁化，可以确定被激励电子沿Y方向的自旋极化度，得到极化方向沿Y方向的自旋分辨单、双及多电子谱。将所述铁磁性散射靶21c相对于动能的电压(既0V对应于零动能)设为-1V，则被激励电子无法到达所述铁磁性散射靶21c，通过调整所述第三电子透镜组229中各个电极的电压，可以将从所述待测样品11出发，沿不同方向出射的被激励电子成像到所述延迟线探测器3f上的不同位置，实现自旋积分的单、双及多电子谱测量。

综上所述，本发明提供一种多电子谱仪，包括：脉冲激励源、电子光学系统及若干二维图像型电子探测器；所述脉冲激励源产生激励粒子，激励粒子从所述待测样品中激励出沿不同方向出射的被激励电子；所述二维图像型电子探测器用于记录被激励粒子激励出的单个或多个被激励电子各自到达所述二维图像型电子探测器的位置和飞行时间；所述电子光学系统用于将所述沿不同方向出射的被激励电子成像在所述二维图像型电子探测器上不同的位置。本发明的多电子谱仪通过设置二维图像型电子探测器并引进飞行时间测量，实现对被激励电子能量及二维动量，共三个维度的多通道测量；通过在一个电子光学系统中实现多电子测量，可以实现二维全动量空间符合的多电子谱测量，大幅度增加多电子谱测量效率，实现毫电子伏和度量级的能量和动量分辨率；通过在电子光学系统中引入散射靶，可以研究单电子、双电子及多电子的散射过程；特别地，通过引入铁磁性散射靶或具有高自旋-轨道相互作用的散射靶，可以实现自旋分辨的单、双及多电子谱测量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种多电子谱仪，其特征在于，所述多电子谱仪包括：脉冲激励源、电子光学系统及若干二维图像型电子探测器；

所述脉冲激励源产生激励粒子，激励粒子从待测样品中激励出沿不同方向出射的被激励电子；

所述二维图像型电子探测器用于记录激励粒子激励出的单个或多个被激励电子各自到达所述二维图像型电子探测器的位置和飞行时间；

所述电子光学系统用于将沿不同方向出射的所述被激励电子成像在所述二维图像型电子探测器上不同的位置。

2.根据权利要求1所述的多电子谱仪，其特征在于：所述电子光学系统由一个电子透镜组组成；所述电子透镜组的物平面为所述待测样品，像平面为所述二维图像型电子探测器。

3.根据权利要求1所述的多电子谱仪，其特征在于：所述电子光学系统包括第一电子透镜组及偏转磁场；所述被激励电子穿过所述第一电子透镜组后在所述偏转磁场中偏转0°至360°中相隔为5°的所有角度中的一个角度，并在所述二维图像型电子探测器平面上成像。

4.根据权利要求3所述的多电子谱仪，其特征在于：所述电子光学系统还包括第二电子透镜组；经过所述偏转磁场偏转的所述被激励电子穿过所述第二电子透镜组后在所述二维图像型电子探测器平面上成像。

5.根据权利要求1所述的多电子谱仪，其特征在于：所述电子光学系统包括散射靶及轴线沿不同方向设置的第一电子透镜组及第二电子透镜组；所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第二电子透镜组轴线所构成的平面内，且所述散射靶法线位于所述第一电子透镜组轴线和所述第二电子透镜组轴线所构成的夹角的平分线上；所述第一电子透镜组的物平面为所述待测样品，像平面与所述第一电子透镜组轴线垂直；所述第二电子透镜组的物平面为所述第一电子透镜组的像平面经所述散射靶反射后的镜像，像平面为所述二维图像型电子探测器。

6.根据权利要求5所述的多电子谱仪，其特征在于：两个电子透镜组轴线间的夹角为(0°，360°)。

7.根据权利要求6所述的多电子谱仪，其特征在于：两个电子透镜组轴线间的夹角为0°至360°中相隔为5°的所有角度中的一个角度。

8.根据权利要求1所述的多电子谱仪，其特征在于：所述多电子谱仪包括第一二维图像型电子探测器及第二二维图像型电子探测器，所述电子光学系统包括散射靶及轴线沿不同方向设置的第一电子透镜组、第二电子透镜组及第三电子透镜组；

所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第二电子透镜组轴线所构成的平面内，且所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第二电子透镜组轴线所构成的夹角的平分线上，或所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第三电子透镜组轴线所构成的平面内，且所述散射靶法线在所述第一电子透镜组轴线和所述第三电子透镜组轴线所构成的夹角的平分线上；

所述第一电子透镜组的物平面为所述待测样品，像平面与所述第一电子透镜组轴线垂直；所述第二电子透镜组的物平面为所述第一电子透镜组的像平面经所述散射靶反射后的镜像，像平面为所述第一二维图像型电子探测器；所述第三电子透镜组的物平面为所述第一电子透镜组的像平面经所述散射靶反射后的镜像，像平面为所述第二二维图像型电子探测器。

9.根据权利要求8所述的多电子谱仪，其特征在于：三个电子透镜组中任意两个电子透镜组轴线间的夹角为(0°，360°)。

10.根据权利要求9所述的多电子谱仪，其特征在于：每两个电子透镜组的轴线之间的夹角为0°至360°中相隔为5°的所有角度中的一个角度。

11.根据权利要求1所述的多电子谱仪，其特征在于：所述电子光学系统包括散射靶、偏转磁场及轴线沿不同方向设置的第一电子透镜组及第二电子透镜组，且两个电子透镜组的轴线位于与磁场方向垂直的平面内；

其中，所述被激励电子穿过所述第一电子透镜组后在所述偏转磁场中偏转第一设定角度，并在所述散射靶平面或所述散射靶平面前/后的任意一个位置成像；经所述散射靶反射后的被激励电子在所述偏转磁场中偏转第二设定角度，然后穿过所述第二电子透镜组并在所述二维图像型电子探测器平面上成像。

12.根据权利要求11所述的多电子谱仪，其特征在于：所述电子光学系统还包括第三电子透镜组，所述第三电子透镜组轴线与所述第一电子透镜组轴线及所述第二电子透镜组轴线方向不同，且三个电子透镜组的轴线均位于与磁场方向垂直的平面内；

其中，在所述偏转磁场中偏转第一设定角度的所述被激励电子，穿过所述第三电子透镜组后在所述散射靶平面或所述散射靶平面前/后的任意一垂直于所述第三电子透镜组轴线的平面成像；经所述散射靶反射后的被激励电子穿过所述第三电子透镜组在所述偏转磁场中偏转第二设定角度。

13.根据权利要求12所述的多电子谱仪，其特征在于：所述第一设定角度及所述第二设定角度为(0°，360°)。

14.根据权利要求13所述的多电子谱仪，其特征在于：所述第一设定角度及第二设定角度为0°至360°中相隔为5°的所有角度中的任意一个或任意两个角度。

15.根据权利要求1～14任意一项所述的多电子谱仪，其特征在于：所述二维图像型电子探测器为延迟线探测器。

16.根据权利要求5～14任意一项所述的多电子谱仪，其特征在于：所述散射靶的材料包括铁磁性材料或具有高自旋-轨道相互作用的材料。

17.根据权利要求2～14任意一项所述的多电子谱仪，其特征在于：所述电子透镜组包括非轴对称电子透镜。

18.根据权利要求1～14任意一项所述的多电子谱仪，其特征在于：所述脉冲激励源为脉冲光源或脉冲电子源。