CN1851843A - 一种电子束产生和控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞秒电子束产生和控制装置。该装置由激光源、光阴极、阳极、磁透镜、X方向偏转板、Y方向偏转板组成。激光源发出飞秒级超短脉冲紫外激光驱动光阴极，可以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；阳极上电压为零，在光阴极上施加负高压；在电场的作用下，电子束被加速到很高的能量，而电子波长具有很高的空间分辨能力；把Y方向偏转板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。本发明提供的装置达到100飞秒以下的时间分辨能力，空间分辨能力可优于0.01埃，适合用于飞秒电子束衍射装置。

Description

一种电子束产生和控制装置
技术领域
本发明涉及一种电子束产生和控制装置，特别是涉及一种飞秒电子束产生和控制装置。
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。但是我们知道激光的波长太长，一般大于200nm，因此利用激光研究物质运动，其空间分辨是远远不够的。为了得到高空间分辨的信息，一般采用电子或X射线作为探测手段。
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。随着飞秒激光的出现，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。飞秒电子衍射装置为揭示物质瞬态动力学的独特特性提供了强有力的工具，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：“Femtosecondelectron diffraction for direct 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1产生后，要经过阳极2、磁透镜4、X方向偏转板5、Y方向偏转板6、扫描板7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，从而降低了时间分辨能力。
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)提高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，提供一种超短电子束的传输和控制电子光学系统。该系统是电子束在较小运动距离下，可以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束产生和控制装置。
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，从而减少电子的运动距离；具体技术方案如下：
一种电子束产生和控制装置，如图2所示，包括：
一激光源8；
一处于所述激光源8的输出光前方光路上的光阴极1；
一与所述光阴极1平行相对的阳极2，该阳极2中心开一小孔3；
一放置在所述阳极2后面的磁透镜4；
一对X方向偏转板5放置在所述磁透镜4的后面；
一对与所述X方向偏转板5互相垂直放置的Y方向偏转板6；
上述各部件均放置在同一个水平轴线9上。
在上述技术方案中，所述Y方向偏转板6或所述X方向偏转板5也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。
在上述技术方案中，所述光阴极6采用银膜材料，或金膜材料。
该装置的工作过程为：
激光源8发出的飞秒级超短脉冲紫外激光驱动光阴极1，激光与光阴极1相互作用后，可以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，也是飞秒量级的；阳极2上电压为零，在光阴极1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，而电子波长具有很高的空间分辨能力；经过磁透镜4聚焦，X方向偏转板5或Y方向偏转板6对电子束进行空间扫描。如把Y方向偏转板6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6的入口时，在Y方向偏转板6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；对于X方向偏转板5采取同样方法实现对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4可以调节电子束的聚焦位置，X方向偏转板5和Y方向偏转板6可以调节电子束的偏转方向。
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6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是文献1公开的飞秒电子束产生和控制装置示意图；
图2是本发明的一种电子束产生和控制装置的示意图；
图3是一种电子束产生和控制装置的实施例示意图。
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：
按照图2、3制作的一电子束产生和控制装置，其中：
激光源8发出的紫外的三倍频的飞秒钛宝石激光，输出波长为266nm，脉宽为30飞秒；
光阴极1采用40nm厚度的银膜，激光源8发出的飞秒激光与光阴极1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2采用常规电极材料，与光阴极1平行面对面平行放置，两者之间的的距离为d1＝5mm；阳极2上开一直径为100微米的小孔3；在光阴极1上加上-50kV的高压，阳极2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4采用常规短磁透镜，该磁透镜4的磁隙到光阴极1的距离为d2＝62.5mm，在磁透镜4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4采用安匝数(NI)为1354时，电子束聚在Y方向偏转板6的入口处，磁透镜4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6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6的入口时，在Y方向偏转板6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6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(相当与电子脉冲宽度)转换为横向可测量的量，由放置在磁透镜4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；在X方向偏转板5上采用同样的方法加随时间瞬变的斜坡电压，可以实现对电子束的二维空间扫描。
当磁透镜4采用安匝数(NI)为636时，电子束聚焦在样品20处，磁透镜4的焦距为F2＝264.5mm，此时用于超短电子脉冲衍射实验。
按照本实施例设计的飞秒电子束产生和控制装置，电子从光阴极1到样品20的运动距离为327mm，结构紧凑，减少电子从光阴极1产生到样品20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 (6)

1.一种电子束产生和控制装置，包括：
一激光源(8)；
一处于所述激光源(8)的输出光前方光路上的光阴极(1)；
一与所述光阴极(1)平行相对的阳极(2)，该阳极(2)中心开一小孔(3)；
一放置在所述阳极(2)后面的磁透镜(4)；
一对X方向偏转板(5)放置在所述磁透镜(4)的后面；
其特征在于，还包括：
一对与所述X方向偏转板(5)互相垂直放置的Y方向偏转板(6)；
上述各部件均放置在同一个水平轴线(9)上。
2.根据权利要求1所述的电子束产生和控制装置，其特征在于，所述Y方向偏转板(6)或所述X方向偏转板(5)作为测量电子束时间特性的扫描板，用于测量飞秒电子束的脉冲宽度。
3.根据权利要求1所述的电子束产生和控制装置，其特征在于，所述光阴极(6)采用银膜材料，或金膜材料。
4.根据权利要求1所述的电子束产生和控制装置，其特征在于，所述激光源(8)发出的激光为三倍频的飞秒钛宝石激光，波长为266nm，脉宽为30飞秒。
5.根据权利要求1所述的电子束产生和控制装置，其特征在于，所述小孔(3)的直径为100微米。
6.根据权利要求1所述的电子束产生和控制装置，其特征在于，所述光阴极(6)是厚度为40nm的银膜。
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