[發明專利]一種基于激光等離子體尾波場加速的電子衍射裝置

有效

• 申請號: 201610847216.0
• 申請日: 2016-09-23
• 公開（公告）號: CN106356272B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 王興;羅端;田進壽
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: H01J37/295
• 分類號: H01J37/295
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司61211
• 代理人: 倪金榮

技術領域

本發明屬于電子衍射技術領域，具體涉及一種基于激光等離子體尾波場加速的電子衍射裝置。

背景技術

超快電子衍射技術具有極高的空間(亞納米)和時間(亞皮秒)分辨能力，是實時觀察物質內部原子運動動態過程的重要手段，可用于研究樣品內部晶格的膨脹與收縮、聲子的傳播、化學鍵的形成與斷裂、材料的結構相變等，在材料、物理、化學、生物等諸多領域有重要的應用。

超快電子衍射技術的工作過程如下：將一束超快激光分為兩束，其中一束作為泵浦光激發樣品，使樣品的結構發生變化；另一束激光用來轟擊電子槍的光電陰極材料產生光電子，光電子被加速和整形后形成超快電子束與樣品相互作用，形成衍射圖樣。通過改變兩束光之間的光學延遲，可以得到在不同時間延遲條件下飛秒激光激發樣品時超快電子與樣品相互作用的衍射圖樣。分析這些隨時間變化的衍射圖樣的強度、峰值位置、形貌等信息，就可以實現對樣品的晶格動力學過程的研究。由于材料的內部變化過程通常發生在皮秒甚至飛秒的時間尺度，因此超快電子衍射系統的激光束和電子束的時間尺度都必須小于樣品動力學變化過程的時間尺度。

目前主要有以下兩類超快電子衍射裝置：

專利ZL 200510066313.8提出了一種飛秒電子衍射裝置，其工作原理是利用飛秒激光轟擊光電陰極產生光電子，光電子在直流高壓的驅動下被加速，通常加速電壓達5萬伏特，加速梯度接近10兆伏特每米。由于電子束復制了光脈沖的時間特性，可實現脈沖寬度約500飛秒的超快電子束。在這種裝置中，電子束的動能由加速電壓決定，受到擊穿電壓的限制，電子束的動能很難進一步提高。同時，由于受到空間電荷效應的影響，電子束脈沖在傳播過程中會逐漸展寬。因此，利用上述原理形成的超快電子衍射系統的時間分辨能力最高約為300飛秒，不能滿足更快時間分辨的實驗要求。此外，這種裝置中每個電子束團的電子數目一般在10⁴量級，為了獲得高信噪比的衍射圖樣，需要相當長的曝光時間才能獲得高質量的衍射圖案。

專利CN101403714B提出了一種基于X波段光陰極微波電子槍的超快電子衍射系統，即陰極產生的光電子被射頻場加速。由于微波電子源的加速梯度非常高，可降低空間電荷效應的影響，并可在空間上壓縮電子束脈沖的寬度，因此可實現100飛秒的時間分辨能力，電子束的能量可達兆電子伏特，單個電子束團內的電子數目可達10⁶量級，使在更快的時間尺度內利用單次電子束團獲得樣品的衍射圖樣成為可能。然而這種方法的缺點是需要強大的電源輔助系統，且需要電子與加速場同步，因此會引入額外的時間抖動，使超快電子衍射系統的時間分辨能力限制在100飛秒，這對于有些物理過程的研究，例如石墨烯的聲子弛豫過程在10飛秒左右，是無法觀察的。此外，這種方法產生的電子束的能散較大，使得電子衍射圖樣變寬，空間分辨率變差。

因此，在超快電子衍射技術領域迫切需要研發一種時空分辨率更高、工作方式更靈活且簡單易行、穩定性高的超快電子衍射裝置，可觀察到更多的新現象和新物理，使其能服務于物理、化學、生物、醫學等各個領域。目前還沒有時間分辨能力小于100飛秒的超快電子衍射實驗系統。

發明內容

本發明的目的是實現一種基于激光等離子體尾波場加速的電子衍射裝置，該裝置與現有電子衍射裝置相比具有更高的時間分辨能力，在電子衍射實驗中泵浦光與探測電子束具有很好的時間同步，且無需光電陰極、高壓電極或微波源等組件，使裝置更加簡易和緊湊，可廣泛應用于超快動力學過程的科學研究中。

本發明采取的技術方案如下：

本發明提供了一種基于激光等離子體尾波場加速的電子衍射裝置，包括激光器、光學入射窗口、真空室、氣體產生裝置、第一微孔、第二微孔、磁透鏡、五維調節系統、樣品架、探測系統以及真空供應系統；

所述激光器用于產生激光脈沖并通過光學入射窗口將激光脈沖打入真空室；

所述真空室內沿著激光脈沖的方向依次設置有氣體產生裝置、第一微孔、第二微孔、樣品架以及探測系統；

所述真空室外部設置有多個真空法蘭，用于對真空室內部進行觀察和外部設備的連接；

所述氣體產生裝置與外部連接，用于重復產生氣體靶；激光脈沖與氣體靶相互作用，使氣體靶中的分子被電離，產生電子束團；

所述電子束團依次經過第一微孔和第二微孔將電子束團準直；

所述磁透鏡位于第一微孔和第二微孔之間用于壓縮和聚焦電子束團；所述磁透鏡可沿電子束團出射的方向移動，用于將電子束團聚焦于不同的位置；