專利名稱：基于x波段光陰極微波電子槍的超快電子衍射系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于超快電子衍射技術領域。
技術背景超快電子衍射(UED)技術是研究化學、生物、材料等學科中的微觀結構變化過程的 有力工具，是超快激光技術與基于光陰極的電子源技術相結合的產物。UED技術自二十世 紀八十年被提出和實現以來，被用于研究諸如化學鍵的形成和斷裂、生物大分子的結構演 變、分子結構與分子功能的聯系、晶格的融化與振動等重要而基礎的科學問題，產生了一 系列重要成果，深化了人類對相關問題的理解。目前，基于直流高壓技術電子源的UED系 統可以達到lps和0. Olnm的時間和空間分辨率。目前，UED系統基本采用直流高壓電子源，電子束動能受限于約為幾十千電子伏。在 這一能量范圍內，電子束內部的空間電荷力使電子束品質迅速變壞，特別是其導致的電子 束團長度的增長要求必須降低每個束團的電荷量，即減弱空間電荷效應，以獲得足夠短 的束團長度，從而實現整個系統更短的時間分辨能力。根據已有的千電子伏量級UED實驗 結果外推，為獲得小于lps的束團長度，每個束團內電子數目約為幾千個；為了獲得足夠 信噪比的衍射樣斑，需要累積疊加多個單個電子束的衍射樣斑。這對總曝光時間、樣品消 耗量、系統穩定性都提出了苛刻的要求，而且無法獲得單發的電子衍射樣斑。為了克服在千電子伏量級上空間電荷效應造成的基本的物理上的限制，可以將電子動 能提高到兆電子伏量級，使得空間電荷效應大大減弱。這不僅使每個束團內的電子數目提 高2到3個數量級，相應地節約大量實驗時間，更重要的是，單發衍射樣斑成為可能。光陰極微波電子槍非常適于作為UED的電子源 一方面，由于它和現有千電子伏UED 中的電子源——直流高壓光陰極電子槍——類似，即電子束初始電荷密度分布由超快激光 系統控制，容易達到百飛秒量級的束團長度和合適的電荷量；另一方面，它很容易產生動 能0. 5MeV到1. 5MeV的高品質電子束，這是直流高壓技術難以實現的。在選擇光陰極槍的工作頻率的時，我們一方面考慮該波段的槍型是否適于產生所需的 電子束動能，另一方面盡量使光陰極槍及配套的功率源系統小型化，使整個UED系統更加緊湊廉價，便于其應用和推廣。 發明內容本發明的目的是實現基于X波段光陰極微波電子槍的超快電子衍射技術。基于x波段光陰極微波電子槍的超快電子衍射系統，其特征在于，含有超快激光單元、 x波段脈沖微波功率單元、x波段光陰極微波電子槍、靜磁場螺線管線圈、微波偏轉腔、探測器、光學延遲線，還有待研究的衍射樣品，其中，所述超快激光單元和X波段脈沖微波功率單元以相同的重復頻率在時間上同步工作， 所述超快激光單元產生的激光脈沖鎖定在所述X波段脈沖微波功率單元產生的微波周期的 設定相位，同步精度至少達百飛秒；所述超快激光單元產生的所述激光脈沖分為兩路pl路激光脈沖入射到所述X波段光 陰極微波電子槍的陰極面，通過光電效應產生電子束團p3， p2路則經所述光學延遲線后 入射到所述待研究衍射樣品的待研究位置；所述X波段脈沖微波功率單元產生的微波脈沖以微波場的形式饋入所述X波段光陰極 微波電子槍，把所述電子束團p3加速，通過改變所述X波段光陰極微波電子槍內所述微 波場的幅值和電子束團p3在陰極面產生時所述微波場的相位，將電子束團p3在所述X波 段光陰極微波電子槍出口處的動能在0.5 MeV至1.5 MeV范圍內調節；所述靜磁場螺線管線圈對所述的電子束團p3進行聚焦，使所述電子束團p3以接近平 行束的狀態入射到所述待研究的衍射樣品，以便反演出此時刻所述待研究衍射樣品中微觀 結構的變化；所述電子束團p3被所述待研究衍射樣品衍射后記為電子束團p4，所述電子束團p4中 包含了所述待研究衍射樣品的結構信息；所述探測器，對于被所述待研究衍射樣品衍射后的電子束團p4，在垂直于所述電子束 團p4的漂移方向上進行電子強度分布探測，并得到衍射樣斑。本發明利用X波段光陰極微波電子槍產生百飛秒甚至更短的高品質電子束，結合超快 激光技術及電子束聚焦、長度測量和成像技術，可實現在百飛秒量級的時間分辨率和 0. Olnm的空間分辨率上研究物質的微觀結構及其演化。本發明的每個電子束團的電荷量比 現有的千電子伏電子衍射中情況高出2 3個數量級，大大節約了實驗時間和樣品數量， 并緩解了對系統長時間穩定性的苛刻要求；更重要的是，單個束團的高電荷量使得單發超快電子衍射有可能實現。本發明選用X波段微波技術，使得系統更加緊湊和廉價，以利于其建造、操作和推廣。
圖1是超快電子衍射系統組成示意圖。
具體實施方式
本發明的系統組成示意圖如圖l所示。其中l為超快激光系統，可產生幾十fs到幾ps的激光脈沖，分別用于激發樣品中的微觀結構變化和通過光電效應在光陰極槍中產生電子束。2為X波段脈沖微波功率系統，支持光陰極槍3和微波偏轉腔6的工作。l與2之 間有精確的時間同步，利用高次諧波鎖相環控制方法可以實現的同步精度為百飛秒甚至更 優。3為X波段光陰極槍。4為靜磁場螺線管線圈，用于聚焦電子束團，控制電子束團束 斑和發射度沿束流線的變化。5為待研究的衍射樣品。6為微波偏轉腔，可用于電子束團 的長度和到達時間測量。7為探測器，用于測量衍射樣斑。8為光學延遲線，用于調整激 光脈沖p2從激光系統到樣品的光程。用于調整整個系統的工作過程描述如下1) 激光系統1和X波段脈沖微波功率系統2分別以一定的重復頻率工作，l產生 的激光脈沖和2產生的微波脈沖在時間上同步，使激光脈沖鎖定在微波周期的特定相位， 同步精度可以達到百飛秒甚至更優。2) 激光系統1產生兩路激光脈沖pl和p2， pl入射到光陰極槍的陰極面，通過光 電效應產生電子束團，p2入射到樣品中待研究位置，激發樣品中的微觀結構變化。3) 微波功率系統2產生的微波場饋入X波段光陰極槍3，在3中建立起微波場， 將激光脈沖pl產生的電子束團p3迅速加速。電子束團p3在光陰極槍3出口位置的動能 通過改變槍內微波場的幅值和電子在陰極面產生時微波場的相位在0. 5 MeV至1. 5 MeV的 范圍內進行調解。4) 調整靜磁場螺線管線圈4的軸上磁場強度，即調整靜磁場螺線管線圈4對電子 束的聚焦程度，使電子束以接近平行束的狀態入射樣品，以便于從衍射樣斑反演樣品結構{曰息。5) 激光脈沖p2和電子束團p3到達樣品5中同一待研究位置的時間間隔，可通過 調節光學延遲線8，即調節激光脈沖p2的光程進行調整，即可在樣品的微觀結構被激發后 不同時刻，用電子束團探測樣品的微觀結構。6) 系統中不放入樣品時，微波偏轉腔6中饋入微波功率，用于測量電子束團長度；系統中放入樣品時，微波偏轉腔6中不饋入微波功率，等效于自由漂移段，對衍射樣斑的測量沒有影響。7) 探測器7記錄下被衍射的電子束團在垂直于束流線平面上的強度分布，即衍射 樣斑。探測器7可輸出單個電子束團的衍射樣斑，也可輸出多次累積的衍射樣斑。
權利要求
1.基于X波段光陰極微波電子槍的超快電子衍射系統，其特征在于，含有超快激光單元、X波段脈沖微波功率單元、X波段光陰極微波電子槍、靜磁場螺線管線圈、微波偏轉腔、探測器、光學延遲線，還有待研究的衍射樣品，其中，所述超快激光單元和X波段脈沖微波功率單元以相同的重復頻率在時間上同步工作，所述超快激光單元產生的激光脈沖鎖定在所述X波段脈沖微波功率單元產生的微波周期的設定相位，同步精度至少達百飛秒；所述超快激光單元產生的所述激光脈沖分為兩路p1路激光脈沖入射到所述X波段光陰極微波電子槍的陰極面，通過光電效應產生電子束團p3，p2路則經所述光學延遲線后入射到所述待研究衍射樣品的待研究位置；所述X波段脈沖微波功率單元產生的微波脈沖以微波場的形式饋入所述X波段光陰極微波電子槍，把所述電子束團p3加速，通過改變所述X波段光陰極微波電子槍內所述微波場的幅值和電子束團p3在陰極面產生時所述微波場的相位，將電子束團p3在所述X波段光陰極微波電子槍出口處的動能在0.5MeV至1.5MeV范圍內調節；所述靜磁場螺線管線圈對所述的電子束團p3進行聚焦，使所述電子束團p3以接近平行束的狀態入射到所述待研究的衍射樣品，以便反演出此時刻所述待研究衍射樣品中微觀結構的變化；所述電子束團p3被所述待研究衍射樣品衍射后記為電子束團p4，所述電子束團p4中包含了所述待研究衍射樣品的結構信息；所述探測器，對于被所述待研究衍射樣品衍射后的電子束團p4，在垂直于所述電子束團p4的漂移方向上進行電子強度分布探測，并得到衍射樣斑。
2. 根據權利要求1所述的基于X波段光陰極微波電子槍的超快電子衍射系統，其特 征在于，在不放入所屬待研究衍射樣品時，所述X波段脈沖微波功率單元向所述微波偏轉 腔饋入微波功率，用于測量進入所述微波偏轉腔的所述電子束團的長度。
3. 根據權利要求1所述的光學延遲線用于調整所述激光脈沖p2從所述超快激光單元 到所述待研究衍射樣品間的光程，從而調節所述激光脈沖p2與所述電子束團p3到達所述 待研究衍射樣品的時間間隔，使得所述電子束團p4可以包含所述待研究衍射樣品被所述 激光脈沖p2激發后不同時刻的結構信息。
4.根據權利要求1所述的基于X波段光陰極微波電子槍的超快電子衍射系統，其特 征在于，所述的衍射樣斑是單個電子束團形成，或是多個電子束團累積形成的。
全文摘要
基于X波段光陰極微波電子槍的超快電子衍射系統屬于超快電子衍射技術領域，其特征在于用X波段光陰極微波電子槍代替現有千電子伏超快電子衍射系統中的直流高壓光陰極微波電子槍作為電子源，相應地采用X波段脈沖微波功率單元，很容易地得到了0.5MeV到1.5MeV的高品質電子束，從而使每個電子束團內的電子數目提高2到3個量級，相應地節約了大量的待研究衍射樣品和實驗時間，更使得獲取單發衍射樣斑成為可能。
文檔編號G01N23/207GK101403714SQ200810226178
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月14日 優先權日2008年11月14日
發明者唐傳祥, 李任愷, 王西杰, 陳懷璧, 黃文會 申請人:清華大學