[發(fā)明專利]一種超緊湊型飛秒電子衍射裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710764232.8
• 申請日: 2017-08-30
• 公開（公告）號: CN107449792B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅端;田進(jìn)壽;惠丹丹;王興;溫文龍;盧裕
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G01N23/20058
• 分類號: G01N23/20058
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 倪金榮

本發(fā)明涉及電子衍射技術(shù)領(lǐng)域，針對現(xiàn)有超快電子衍射裝置難以突破100飛秒級時(shí)間分辨的技術(shù)問題，提供一種超緊湊型飛秒電子衍射裝置，包括飛秒激光源、分束鏡、三倍頻裝置、光學(xué)延遲線、真空腔室、飛秒電子槍、圖像增強(qiáng)模塊和圖像采集系統(tǒng)；飛秒電子槍和圖像增強(qiáng)模塊沿紫外激光脈沖出射的方向依次設(shè)置于真空腔室內(nèi)；圖像采集系統(tǒng)設(shè)置在真空腔室的外部且正對圖像增強(qiáng)模塊；飛秒電子槍包括陰極和與陰極平行相對設(shè)置的陽極；陽極包括陽極電極和樣品支撐網(wǎng)；陽極電極的中心開設(shè)完全貫穿陽極電極的中心階梯孔，中心階梯孔的大孔位于遠(yuǎn)離陰極的陽極表面；樣品支撐網(wǎng)固定安裝在中心階梯孔內(nèi)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子衍射技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超緊湊型飛秒電子衍射裝置。

背景技術(shù)

在上世紀(jì)90年代Ahmed?Zewail等人的大量開創(chuàng)性工作基礎(chǔ)上，具備原子級時(shí)空分辨能力的超快電子衍射(UED)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)、結(jié)構(gòu)相變、電荷密度波以及蛋白質(zhì)功能等超快結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究。

這項(xiàng)技術(shù)最主要的特性是系統(tǒng)的時(shí)間分辨能力，其影響因素有：泵浦激光脈寬、速度失配和探測電子脈寬等，其中空間電荷引起的超快探測電子脈沖的縱向展寬Δt對系統(tǒng)的時(shí)間分辨起到?jīng)Q定性作用，可表示為下式：

式中m為電子質(zhì)量，e為電子電荷量，N為電子脈沖中電子個(gè)數(shù)，v是電子脈沖速度，t為電子漂移時(shí)間，r為電子脈沖橫向半徑，ε₀是介電常數(shù)。

盡管近年來各國研究人員一直致力于提高超快電子衍射(UED)的時(shí)間分辨率，其性能和潛力仍受到空間電荷引起的超快電子脈沖縱向展寬的限制。

從式中可以看出減小空間電荷效應(yīng)的方法有：

其一，減少單脈沖電子數(shù)目以削弱或者消除這一展寬，如文獻(xiàn)Lahme?S,KealhoferC,Krausz?F,et?al.Structural?Dynamics,2014,1(3):034303.，然而，為了獲得足夠信噪比的衍射圖像，必須要收集到大量的電子(典型地10⁶)，極少的單脈沖電子數(shù)目會導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取時(shí)間過長。

其二，增加電子能量至MeV范圍來提升電子脈沖速度以最小化電子漂移時(shí)間從而減小庫倫相互作用時(shí)間，如文獻(xiàn)Zhu?P,Zhu?Y,Hidaka?Y,et?al.New?Journal?of?Physics,2015,17(6):063004.，然而，如此高能量的電子不僅會造成散射截面減小，還會引起許多樣品的輻射損傷。

其三，目前降低空間電荷效應(yīng)的主要且最實(shí)用的方法是減小電子脈沖傳播距離以降低電子脈沖漂移時(shí)間。

多倫多大學(xué)Miller課題組采用基于此思想的緊湊型電子槍設(shè)計(jì)，將原本在真空腔室外部真空管道上的磁透鏡引入到真空腔室內(nèi)部且壓縮其電子傳播方向的長度最終將陰極至樣品間距縮短至3厘米以下，相較于傳統(tǒng)的UED裝置陰極至樣品之間大于10厘米的間距，大幅地減小了電子傳播距離，削弱了空間電荷效應(yīng)的影響。該裝置可在樣品處獲得包含6000電子的大小150微米、脈寬200飛秒的電子脈沖，如文獻(xiàn)Sciaini?G,Miller?R?JD.Reports?on?Progress?in?Physics,2011,74(9):096101.。

又如中國專利ZL?200510066313.8提出的一種飛秒電子衍射裝置，其具有簡單的電子光學(xué)結(jié)構(gòu)和較好的時(shí)空分辨。

但磁透鏡存在于陰極和樣品之間限制了其性能的進(jìn)一步提升，磁透鏡本身以及磁透鏡本身所占的空間均會造成電子脈沖展寬。