CN1851450A - 一种飞秒电子衍射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞秒电子衍射装置。该装置包括光源、电子产生和控制系统、样品室、电子测量和成像系统、真空系统和五轴控制系统。其中电子产生和控制系统是本发明的核心，包括光阴极、阳极、磁透镜、X方向偏转板和Y方向偏转板。本发明将X方向偏转板或Y方向偏转板用于对飞秒电子脉冲宽度测量的扫描板，减小了电子从光阴极产生运动到达样品的距离，克服了由于空间电荷效应而使得长距离运动的电子束脉冲宽度展宽的问题，提高了该装置的时间分辨能力。本发明的飞秒电子衍射装置具有较高的时间分辨能力和空间分辨能力，可用于测量样品的透射衍射和反射衍射的结构动态信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子衍射装置，特别是涉及一种飞秒电子衍射装置。
背景技术
在激光技术研究中，飞秒激光的出现为科学家研究物质运动的超快过程提供强有力的工具。但是激光的波长太长，一般大于200nm，这样研究物质运动，其空间分辨是远远不够的。为了得到高空间分辨的信息，一般采用电子和X射线作为探测手段。目前能作为飞秒激光的技术已经非常成熟，钛宝石激光可以得到几个飞秒的激光脉冲。时间分辨技术是能够认识动态过程的一种重要的方法。近些年来，光泵浦-电子束探测方法为科学研究提供一种重要的实验手段。如文献1：Ihee，V.A.Lobastov，U.M.Gomez，et al Science 2001，291：458；文献2：C.-Y.Ruan，V.A.Lobastov，F.Vigliotti et al Science 2004，304：80；文献3：B.J.Siwick，J.R.Dwyer，et al，Science，2003，302：1382；文献4：刘运全，张杰等，物理，2005.4。
以往的纳秒、皮秒电子衍射的方法，在时间分辨反射高能电子衍射和气相电子衍射等有关实验中，发挥了重要的作用。飞秒激光的出现，为了进一步提高时间分辨率，飞秒电子衍射的方法必将进一步发挥更大的作用。在飞秒电子衍射装置里，结合飞秒激光的时间分辨特性和电子束的高空间分辨特性，为微观世界揭示物质瞬态动力学的独特特性提供强有力的工具。
无论是超短电子脉冲衍射，还是光泵浦-电子束方法，都需要时空性质较好的电子束。为了产生脉冲宽度为飞秒量级的电子脉冲，电子学的方法是做不到的。利用飞秒激光与光阴极相互作用可以产生超短电子束，这样的电子束复制了光脉冲的时间特性。这样电子束经过加速聚焦，与样品相互作用，其衍射信息带着高空间和时间分辨的特征。其中飞秒电子束产生和控制部分是飞秒电子衍射装置的核心，该部分结合了飞秒激光的高时间分辨特性和电子束的高空间分辨特性。目前，一些实验室陆续地建立了相关研究设备，如文献1：“Femtosecond electron diffraction fordirect measurement of ultrafast atomic motions”，APPLIED PHYSICS LETTERS，VOLUME 83 NUMBER 5，4 AUGUST 2003公开了一种飞秒电子束产生和控制装置。但是这套装置的不足在于：如图1所示，电子束从光阴极6产生后，要经过阳极7、磁透镜8、X方向偏转板9、Y方向偏转板10、扫描板11到达样品，此过程中电子束经历了较长的运动距离；而由于电子束具有空间电荷效应，这样长距离运动的电子束的脉冲宽度会相应的展宽，从而减小了时间分辨能力。
为了进一步提高飞秒电子衍射装置的时间分辨能力，通过两点可以做到：1)减小辐照光阴极的激光脉冲宽度；2)增大光阴极和阳极之间的加速场的场强，抑制空间电荷效应，同时减小电子束的运动距离，使电子束在最短的时间内到达样品表面。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的上述不足，提供一种电子束在较小运动距离下，能达到较好的时间和空间性质，时间分辨能力有较大提高的飞秒电子衍射装置。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
在实际的电子衍射实验过程中，首先对电子束脉冲宽度进行测量，再进行电子衍射实验，这样，偏转板和扫描板不会同时使用，本发明把偏转板作为扫描板，可以减少电子的运动距离，具体技术方案如下：
一种飞秒电子衍射装置，如图2所示，包括：
一光源5；
一电子产生和控制系统31放置在所述光源5的输出光的前方光路上，使所述光源5出射的激光垂直入射到所述电子产生和控制系统31；
一样品室20与所述电子产生和控制系统31相连接，从所述电子产生和控制系统31发出的电子束进入所述样品室20，入射到待测样品21上；
一电子测量和成像系统32与所述样品室20连接，用于检测衍射信号；
一真空系统13通过插板阀12与所述样品室20连通；
一五轴控制系统18，该控制系统有一个控制杆22伸进样品室20内，其顶端有一样品台23，所述样品台23上固定待测样品21，使所述样品21处于样品室20中部，并对所述样品21进行三维平动和二维转动的方位控制；
在上述技术方案中，所述电子产生和控制系统31，如图2所示，包括：一光阴极6以垂直于出射光的方向放置在光源5的输出光的光路中；一阳极7与所述光阴极6平行相对放置，其上开一个电子束出射的小孔3；一磁透镜8放置在所述阳极7的所述小孔的一侧，用于对出射的电子束进行聚焦；一X方向偏转板9放置在所述磁透镜8之后，一Y方向偏转板10与所述X方向偏转板9互相垂直放置在同一轴线上。
在上述技术方案中，所述光源5为一飞秒激光三倍频产生器，如图3所示，包括：一飞秒激光器51，该激光器发出的激光经过一倍频晶体52，再经过第一二向色分束镜55分束；其中倍频光经过第一反射镜56、第二反射镜57、第三反射镜58后到达第二二向色分束镜62；其中基频光经过半波片53和第四反射镜59，再经过第五反射镜60和第六反射镜61组成的延迟线，经过第二二向色分束镜62后与上述倍频光重合入射到一和频晶体54处进行和频，和频过程采用非共线的方法，减少分光光学器件对三倍频激光的吸收。
在上述技术方案中，所述电子测量和成像系统32，如图2所示，包括：一微通道板探测器14、一光纤变换器15、一荧光屏16和一图像探测器17顺序地以常规方式连接组成，并作为一个整体与所述样品室20连接。
在上述技术方案中，所述真空系统13使得所述样品室20的真空度优于1.0×10-6τ：
在上述技术方案中，所述样品室20有至少两个光入射窗口19，作为泵浦光入射窗口，可以增加泵浦-延迟系统；
在上述技术方案中，所述图像探测器17为一个图像增强探测器。
本发明装置的工作过程为：
飞秒钛宝石激光器51发出的激光经过三倍频后入射到电子产生和控制系统31的光阴极6并与其相互作用后，产生电子束，其时间特性复制了光脉冲的特性，也是飞秒量级的；阳极7上电压为零，在光极6上施加负高压；在电场的作用下，电子束被加速到很高的能量，而电子波具有很高的空间分辨能力；经过磁透镜8聚焦，和X方向偏转板9，Y方向偏转板10对电子束进行空间扫描；如把Y方向偏转板10作为测量电子束时间特性的扫描板，用来测量飞秒电子束的脉冲宽度，具体方法是：当电子束到达Y方向偏转板10的入口时，在Y方向偏转板10上加随时间瞬变的斜坡电压，这样就可以把电子束的纵向长度(可以换算为电子脉冲宽度)转换为横向可测量的量，从而实现了电子束脉冲宽度的测量；经过脉冲宽度测量的电子束可以用来进行对样品探测；磁透镜8可以调节电子束的聚焦位置，X方向偏转板9和Y方向偏转板10可以调节电子束的偏转方向。样品控制系统18通过调整样品21的方位，可以测量样品21的透射衍射或反射衍射的结构动态信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)用飞秒量级脉冲激光产生飞秒量级电子束；
2)提高时间分辨能力，使其达到100飞秒以下的时间分辨能力；
3)具有高空间分辨能力，可优于0.01埃；
4)Y方向偏转板10同时做为电子束脉冲宽度测量的扫描板，减少了电子束在电子枪中的运动距离，从而减少了电子束在运动过程中的时间弥散。
附图说明
图1表示文献1公开的飞秒电子束产生和控制系统示意图；
图2表示本发明的飞秒电子衍射装置示意图；
图3表示本发明的飞秒钛宝石激光三倍频产生光路图；
图面说明：
表示偏振面平行于纸面表示偏振面垂直于纸面
图4表示本发明的电子产生和控制系统31的实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图2所示，一种飞秒电子衍射装置包括光源5、电子产生和控制系统31、样品室20、电子测量和成像系统32、真空系统13和五轴控制系统18；其中：
如图3所示，光源5是一个飞秒钛宝石激光三倍频产生装置，其实现方式为：飞秒钛宝石激光器51输出激光的脉宽为30飞秒，中心波长为800nm，该激光经过倍频晶体52，该BBO倍频晶体切割角为θ＝29.2°，φ＝0°，激光再经过对波长800nm全透、波长400nm全反的第一二向色分束镜55分束；其中倍频光经过第一反射镜56、第二反射镜57、第三反射镜58后到达第二二向色分束镜62；其中基频光经过半波片53和第四反射镜59，再经过第五反射镜60和第六反射镜61组成的延迟线，经过第二二向色分束镜62与倍频光重合入射到和频晶体54处和频，三倍频激光波长为266nm；该BBO和频晶体54的切割角为θ＝44.3°，φ＝0°；本实施例的和频过程采用非共线的方法，可以减少分光光学器件对三倍频紫外激光的吸收。
如图4所示，电子产生和控制系统31由光阴极6、阳极7、磁透镜8、X方向偏转板9、Y方向偏转板10顺序放置在同一水平轴线上组成，其中：
光阴极1采用40nm厚度的银膜，光源5发出的飞秒激光与光阴极6相互作用后，产生能量弥散度小于1ev的电子束，其时间特性复制了光脉冲的特性；
阳极7采用常规电极材料，与光阴极6面对面平行放置，两者之间的的距离为d1＝5mm；阳极7上开一直径为100微米的小孔3；在光阴极6上加上-50kV的高压，阳极7接地；在电场加速下，电子得到50kev的能量，此时电子波长为0.054828埃。
磁透镜8的磁隙到光阴极6的距离为d2＝62.5mm，在磁透镜8上加不同的安匝数或者励磁电流可以使电子束聚焦在不同的位置上。
当磁透镜8采用安匝数(NI)为1354时，电子束聚在Y方向偏转板10的入口处，磁透镜8的焦距为F1＝58.5mm，此时用于电子束脉冲宽度的测量。本实施例把Y方向偏转板10同时作为测量电子束时间特性的扫描板，用来测量飞秒电子束的脉冲宽度。具体方法是，当电子束到达Y方向偏转板10的入口时，在Y方向偏转板10上加随时间瞬变的斜坡电压6kV/ns；当电子束从Y方向偏转板10中出射时，电子束就在斜坡电压形成的扫描电场方向上离散开来，这样就可以把电子束的纵向长度(相当于电子脉冲宽度)转换为横向可测量的量，由放置在磁透镜8后面d3＝464.5mm处的微通道板探测器14进行探测，从而实现了电子束脉冲宽度的测量。
当磁透镜4采用安匝数(NI)为636时，电子束聚焦在样品21处，磁透镜8的焦距为F2＝264.5mm，此时用于超短电子脉冲衍射实验。经过加速和聚焦后的电子束到达样品21后，与其作用，可以产生电子衍射信号，由于电子束的脉冲宽度是30飞秒的，所以得到的衍射信号就带有30飞秒内的动态信息，从而实现高空间分辨和时间分辨的测量。
电子测量和成像系统32由微通道板探测器14、光纤变换器15、荧光屏16、图像探测器17顺序地以常规方式连接组成，并作为一个整体与样品室20连接。当电子到达微通道板探测器14时，对信号进行放大，然后经过光纤变换器15进行图像缩放，到达荧光屏16，再经过图像探测器17对图像进一步增强放大；本实施例的图像探测器17采用图像增强探测器。
五轴控制系统18，可以对样品21进行X，Y，Z，θ和φ五维的高精度控制，实现测量待测样品21的透射衍射或反射衍射的结构动态信息。
样品室20与真空系统13通过插板阀12连接，使得样品室20的真空度优于1.0×10-6τ。
样品室20上设置有两个泵浦光入射窗口19，使得该装置可以增加泵浦-延迟系统。
按照本实施例设计的飞秒电子衍射装置，电子从光阴极6到样品21的运动距离为327mm，结构紧凑，减少电子从光阴极6产生到样品21的运动距离，从而提高时间分辨能力，使其达到100飞秒以下的时间分辨能力，其空间分辨能力可优于0.01埃。
Claims (9)
1.一种飞秒电子衍射装置，包括：
一光源(5)；
一电子产生和控制系统(31)放置在所述光源(5)的输出光的前方光路上，使所述光源(5)出射的激光垂直入射到所述电子产生和控制系统(31)；
一样品室(20)与所述电子产生和控制系统(31)相连接，从所述电子产生和控制系统(31)发出的电子束进入所述样品室(20)，入射到待测样品(21)上；
一电子测量和成像系统(32)与所述样品室(20)连接，用于检测衍射信号；
一真空系统(13)通过插板阀(12)与所述样品室(20)连通；
一五轴控制系统(18)，该控制系统有一个控制杆(22)伸进样品室(20)内，其顶端有一样品台(23)，所述样品台(23)上固定待测样品(21)，使所述样品(21)处于样品室(20)的中部，并对所述样品(21)进行三维平动和二维转动的方位控制；
其特征在于，
所述电子产生和控制系统(31)，包括：一光阴极(6)以垂直于出射光的方向放置在光源(5)的输出光的光路中；一阳极(7)与所述光阴极(6)平行相对放置，其上开一个电子束出射的小孔(3)；一磁透镜(8)放置在所述阳极(7)的所述小孔的一侧，用于对出射的电子束进行聚焦；一对X方向偏转板(9)放置在所述磁透镜(8)之后，一对Y方向偏转板(10)与所述X方向偏转板(9)互相垂直放置在同一轴线上；所述X方向偏转板(9)或Y方向偏转板(10)也用作测量飞秒电子束脉冲宽度的扫描板；
所述光阴极(6)采用银膜，或金膜。
2.根据权利要求1所述的飞秒电子衍射装置，其特征在于，所述光源(5)为一飞秒激光三倍频产生器，包括：一飞秒激光器(51)，该激光器发出的激光经过一倍频晶体(52)，再经过第一二向色分束镜(55)分束；其中倍频光经过第一反射镜(56)、第二反射镜(57)、第三反射镜(58)后到达第二二向色分束镜(62)；其中基频光经过半波片(53)和第四反射镜(59)，再经过第五反射镜(60)和第六反射镜(61)组成的延迟线，经过第二二向色分束镜(62)后与上述倍频光重合入射到一和频晶体(54)处进行和频，和频过程采用非共线的方法，减少分光光学器件对三倍频激光的吸收。
3.根据权利要求1所述的飞秒电子衍射装置，其特征在于，所述电子测量和成像系统(32)，包括：一微通道板探测器(14)、一光纤变换器(15)、一荧光屏(16)和一图像探测器(17)顺序地以常规方式连接组成，并作为一个整体与所述样品室(20)连接。
4.根据权利要求1所述的飞秒电子衍射装置，其特征在于，所述真空系统(13)使得所述样品室(20)的真空度优于1.0×10-6τ。
5.根据权利要求1所述的飞秒电子衍射装置，其特征在于，所述样品室(20)有至少两个光入射窗口(19)，作为泵浦光入射窗口。
6.根据权利要求1所述的飞秒电子衍射装置，其特征在于，所述图像探测器(17)为一个图像增强探测器。
7.根据权利要求1所述的飞秒电子衍射装置，其特征在于，所述小孔(3)的直径为100微米。
8.根据权利要求1所述的飞秒电子衍射装置，其特征在于，所述光阴极(6)采用40nm厚度的银膜。
9.根据权利要求2所述的飞秒电子衍射装置，其特征在于，所述飞秒激光器(51)是指飞秒钛宝石激光器。
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| C06 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090715 Termination date: 20150422 |
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