CN217334005U - 一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，包含：自上往下依序设置的电子枪、韦氏帽、阳极、第一聚光透镜、第一光圈、第一谐振腔结构、第二聚光镜、第二谐振腔结构和第二光圈，所述电子枪用于作为成像的电子源；所述韦氏帽用于聚焦电子；所述阳极用于产生正吸引力，使电子束加速通过光轴；所述第一聚光透镜用于将电子束聚焦到所述第一谐振腔结构内；所述第一光圈用于限制发射的电子剂量；所述第一谐振腔结构用于沿光轴施加电磁场，使连续的电子束能够在X轴平面振荡；所述第二谐振腔结构用于使电子束能够在Y轴平面振荡。本实用新型可以使光路中的电子产生振荡，而且不会影响发射电子的能级以实现脉冲束发射。

Description

一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器

技术领域

本实用新型涉及电子显微术领域，尤指一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器。

背景技术

电子显微镜(术)利用电子作为光源，具体为：利用热发射或场发射电子枪产生的加速电子，可以从高加速电子与样品中原子的相互作用中观察到图像。

超快电子显微术利用泵浦探针显微术来收集时间和空间分辨率现象。为了达到脉冲发射的效果，光束斩波起着重要的作用。

由于电子携带电荷，通过沿光轴施加电场或磁场，光路将受到偏转效应的控制。通过调节电子束的偏转来获得指定频率的脉冲束，从而可以调制发射到样品上的电子剂量率。

现有技术中已经存在一些实现剂量调制的方法，包括：

1.利用电场进行控制光束偏转，由于电子携带电荷，通过对沿光轴放置的铁电晶体施加电场，可以控制电子路径。通过向铁电器件发送交流电，可以正弦方式偏转电子束的路径作为光束偏转器。通过对偏转波进行光圈切割，可以产生脉冲光束。(参考文献：F.Muhammad等人，“使用铁电器件执行光束转向的多通道±1.1－kV任意波形发生器”，《IEEE光子技术快报》，第14卷第11期，第1605－1607页，2002年11月)

但是，利用电场来控制剂量率会影响电子发射的能级，进而影响发射电流的发射率。

2.利用磁场来控制光束偏转方向(即，利用磁场控制剂量率)，具体包括：

a.磁性线圈可用作光束偏转器，电流通过导线匝时会产生磁场。通过沿行进路径放置磁线圈，可以实现光束偏转。(参考文献：W.Chou，“作为斩波器的光束变换器的设计与测试”，1999年粒子加速器大会，1999年)

然而，使用磁性线圈的缺点是在高频下会产生高线圈电感和分布电容，因此不适用于重复频率高于几MHz的系统。

b.谐振腔也可用于实现光束偏转。利用天线作为激励信号，谐振腔可以沿光路施加电磁场。在腔内采用TM110模式时，电子束将垂直于行进方向传播。通过在腔的出口处设置切割光圈，可以进行脉冲光束发射。(参考文献：Verhoeven，W.，“使用谐振微波腔的高质量超快透射电子显微术”，《超显微》，第188卷，2018年5月)

但是，该谐振腔的频率是固定的。该设计的谐振频率是3GHz，这意味着光束发射仅能在3GHz下进行调整。对于超快电子显微术，普通频闪激光器的频率约为80MHz。为了适应当前的频率范围，谐振腔的大小需要占用大量空间。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的主要目的在于提供一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其可以使光路中的电子产生振荡，而且不会影响发射电子的能级以实现脉冲束发射。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，包含：自上往下依序设置的电子枪、韦氏帽、阳极、第一聚光透镜、第一光圈、第一谐振腔结构、第二聚光镜、第二谐振腔结构和第二光圈，其中，

所述电子枪用于作为成像的电子源；所述韦氏帽用于聚焦电子；所述阳极用于产生正吸引力，使电子束加速通过光轴；所述第一聚光透镜用于将电子束聚焦到所述第一谐振腔结构内；所述第一光圈用于限制发射的电子剂量；所述第一谐振腔结构用于沿光轴施加电磁场，使连续的电子束能够在X轴平面振荡；所述第二聚光镜用于将所述第一谐振腔结构射出的电子束聚焦到第二谐振腔结构内；所述第二谐振腔结构用于使电子束能够在Y轴平面振荡；所述第二光圈用于作为斩波光圈。

进一步，所述第一谐振腔结构具有第一腔体，所述第一谐振腔结构的上端设有电子束入射口，所述第一谐振腔结构的下端设有与所述电子束入射口对应的电子束出射口。

进一步，所述第一谐振腔结构设有用于产生激励信号的单极天线。

进一步，所述第一谐振腔结构设有用于调节谐振频率的调谐短截线。

进一步，所述第一腔体设有供电子束穿过的介电通道。

进一步，所述介电通道采用ZrTiO4介电材料。

进一步，所述第二谐振腔结构具有第二腔体，所述第二谐振腔结构的上端设有电子束入射口，所述第二谐振腔结构的下端设有与所述电子束入射口对应的电子束出射口。

进一步，所述第二谐振腔结构设有用于产生激励信号的单极天线。

进一步，所述第二谐振腔结构设有用于调节谐振频率的调谐短截线。

进一步，所述第二腔体设有供电子束穿过的介电通道，所述介电通道采用ZrTiO4介电材料。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型包含：自上往下依序设置的电子枪、韦氏帽、阳极、第一聚光透镜、第一光圈、第一谐振腔结构、第二聚光镜、第二谐振腔结构和第二光圈。本实用新型可以使光路中的电子产生振荡，而且不会影响发射电子的能级以实现脉冲束发射。

附图说明

图1是本实用新型的示意图。

图2是本实用新型所述第一谐振腔结构的剖视图。

图3是本实用新型所述第一谐振腔结构的结构图。

附图标号说明：1.电子枪；2.韦氏帽；3.阳极；4.第一聚光透镜；5.第一光圈；6.第一谐振腔结构；7.第二聚光镜；8.第二谐振腔结构；9.第二光圈；10.第一腔体；11.单极天线；12.电子束入射口；13.介电通道；14.调谐短截线；15.电子束出射口。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实用新型关于一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，包含：自上往下依序设置的电子枪1、韦氏帽2、阳极3、第一聚光透镜4、第一光圈5、第一谐振腔结构6、第二聚光镜7、第二谐振腔结构8和第二光圈9，其中，

所述电子枪1用于作为成像的电子源；所述韦氏帽2用于聚焦电子；所述阳极3用于产生正吸引力，使电子束加速通过光轴；所述第一聚光透镜4用于将电子束聚焦到所述第一谐振腔结构6内；所述第一光圈5用于限制发射的电子剂量；所述第一谐振腔结构6用于沿光轴施加电磁场，使连续的电子束能够在X轴平面振荡；所述第二聚光镜7用于将所述第一谐振腔结构6射出的电子束聚焦到第二谐振腔结构8内；所述第二谐振腔结构8用于使电子束能够在Y轴平面振荡；所述第二光圈9用于作为斩波光圈；

在上述方案中，本申请的设计利用了两个谐振腔，谐振腔沿光轴施加电磁场，可以使光路中的电子产生振荡，谐振腔的谐振频率约为3GHz，使用单极天线作为激励信号，该谐振腔利用高介电常数介电材料实现TM110模式，因此不会影响发射电子的能级以实现脉冲束发射。需要说明的是，TM110模式是其中一款描述在垂直于传播方向的电磁场分布方式。TM是指横磁模式，沿传播方向中是没有受磁场影响，但从横切面观察，电子受磁场影响上下振动，而光路的位置正为电场影响最少的地方，从而避免产生对所发射的电子能量的损耗。

当产生电子时，所述第一谐振腔结构6会改变连续电子束以沿X轴振荡，而所述第二谐振腔结构8会使电子能够沿Y轴振荡。

两个谐振腔之间有轻微的频率差，两个谐振腔之间的频率差使得能够实现可调谐频率。通过垂直放置两个谐振腔的振荡平面，可以将电子束的重复频率从GHz范围降低到MHz范围。

通过在两个谐振腔的出口处设置光圈，可以产生用于超快电子显微术的脉冲光束。需要说明的是，因为电子经过谐振腔后会沿垂直于传播方向的平面振动，通过使用光圈，光圈以外的电子无法进入光路，只有部分符合光圈尺寸的电子束才可留下来。即，光圈在此的作用是作为斩波器，把连续的电子波变作段断续的电子束，排除了多余的电子，留下的电子束作超快显微镜之用。

请参阅图2－3所示，所述第一谐振腔结构6具有第一腔体10(下文中提及的“腔”指的是第一腔体10)，所述第一谐振腔结构6的上端设有电子束入射口12，所述第一谐振腔结构6的下端设有与所述电子束入射口12对应的电子束出射口15；

在上述方案中，所述第一腔体10的尺寸会影响所述第一谐振腔结构6的谐振频率，通过调节腔的尺寸，可以实现指定的谐振频率。

进一步地，所述第一谐振腔结构6设有用于产生激励信号的单极天线11；

在上述方案中，单极天线11用作谐振腔的激励信号，谐振频率可以通过调谐单极天线11的长度和位置来进行调节；通过在腔内施加高频射频，可以实现TM110模式，使电子能够以指定频率振荡。

进一步地，所述第一谐振腔结构6设有用于调节谐振频率的调谐短截线14，其中，所述调谐短截线14用于对腔内进行轻微的频率调谐，腔的谐振频率可以通过修改短截线的尺寸来调节。

进一步地，所述第一腔体10设有供电子束穿过的介电通道13，所述介电通道13采用ZrTiO4介电材料；

在上述方案中，为了实现TM110模式，使用高介电常数介电材料ZrTiO4；在施加激励信号的情况下，连续电子束将沿一个方向振荡。需要说明的是，TM110模式是其中一款描述在垂直于传播方向的电磁场分布方式。TM是指横磁模式，沿传播方向中是没有受磁场影响，但从横切面观察，电子受磁场影响上下振动，而光路的位置正为电场影响最少的地方，从而避免产生对所发射的电子能量的损耗。利用电介质填充振谐振腔的方法是已经测试证实为可行的办法以实现TM110模式，而经模碍测试利用ZrTiO4作高介电常数的材料，可产生所需之电磁场作谐振腔之用。

所述第二谐振腔结构8具有第二腔体，所述第二谐振腔结构8的上端设有电子束入射口，所述第二谐振腔结构8的下端设有与所述电子束入射口对应的电子束出射口。

需要说明的是，所述第二谐振腔结构8与所述第一谐振腔结构6除了产生的振荡面不同之外，其余的结构和功能相同。

进一步地，所述第二谐振腔结构8设有用于产生激励信号的单极天线。

进一步地，所述第二谐振腔结构8设有用于调节谐振频率的调谐短截线。

进一步地，所述第二腔体设有供电子束穿过的介电通道，所述介电通道采用ZrTiO4介电材料。

本申请旨在解决用于电子显微术的电子剂量调制器的以下问题。

1)频闪成像

为了实现超快电子显微术效果，产生脉冲束是频闪成像的关键。频闪成像利用数百万次泵浦激励进行采样，并利用电子脉冲来生成一幅图像。这种方法可生成具有高空间分辨率的图像。

2)不会改变发射电子能级的脉冲发射

当电子从电子枪1加速时，即可确定其能级。本申请的设计旨在在不加速或减速电子束的情况下保持发射电子的能级。

3)可调谐频率

本申请旨在实现一种具有可调谐频率的光束斩波器，使剂量调制器具有灵活性。

在本申请中，引入了一种双谐振腔方法作为电子显微镜中的电子剂量调制器。这种方法可以在不影响发射电子能级的情况下，通过产生可调谐脉冲电子束用于频闪成像。

i)通过垂直放置双谐振腔的振荡平面

单个谐振腔的谐振频率约为3GHz。通过垂直放置振荡平面，电子束可以进行二维振荡，并且频率可以降至100MHz以下。

ii)可调谐频率

利用双谐振腔，通过调节两个腔的频率差，可以实现脉冲电子束的可调谐频率。这种方法提供了作为电子剂量调制器的灵活性，以为样品提供不同的电子剂量。

以上实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于，包含：自上往下依序设置的电子枪、韦氏帽、阳极、第一聚光透镜、第一光圈、第一谐振腔结构、第二聚光镜、第二谐振腔结构和第二光圈，其中，

所述电子枪用于作为成像的电子源；所述韦氏帽用于聚焦电子；所述阳极用于产生正吸引力，使电子束加速通过光轴；所述第一聚光透镜用于将电子束聚焦到所述第一谐振腔结构内；所述第一光圈用于限制发射的电子剂量；所述第一谐振腔结构用于沿光轴施加电磁场，使连续的电子束能够在X轴平面振荡；所述第二聚光镜用于将所述第一谐振腔结构射出的电子束聚焦到第二谐振腔结构内；所述第二谐振腔结构用于使电子束能够在Y轴平面振荡。

2.根据权利要求1所述的一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于：所述第一谐振腔结构具有第一腔体，所述第一谐振腔结构的上端设有电子束入射口，所述第一谐振腔结构的下端设有与所述电子束入射口对应的电子束出射口。

3.根据权利要求2所述的一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于：所述第一谐振腔结构设有用于产生激励信号的单极天线。

4.根据权利要求3所述的一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于：所述第一谐振腔结构设有用于调节谐振频率的调谐短截线。

5.根据权利要求2所述的一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于：所述第一腔体设有供电子束穿过的介电通道。

6.根据权利要求5所述的一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于：所述介电通道采用ZrTiO4介电材料。

7.根据权利要求1所述的一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于：所述第二谐振腔结构具有第二腔体，所述第二谐振腔结构的上端设有电子束入射口，所述第二谐振腔结构的下端设有与所述电子束入射口对应的电子束出射口。

8.根据权利要求7所述的一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于：所述第二谐振腔结构设有用于产生激励信号的单极天线。

9.根据权利要求8所述的一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于：所述第二谐振腔结构设有用于调节谐振频率的调谐短截线。

10.根据权利要求7所述的一种用于超快电子源的可调频谐振腔斩波器，其特征在于：所述第二腔体设有供电子束穿过的介电通道，所述介电通道采用ZrTiO4介电材料。

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