专利名称：基于x波段光阴极微波电子枪的超快电子衍射系统的制作方法
技术领域：
本发明属于超快电子衍射技术领域。
技术背景超快电子衍射(UED)技术是研究化学、生物、材料等学科中的微观结构变化过程的 有力工具，是超快激光技术与基于光阴极的电子源技术相结合的产物。UED技术自二十世 纪八十年被提出和实现以来，被用于研究诸如化学键的形成和断裂、生物大分子的结构演 变、分子结构与分子功能的联系、晶格的融化与振动等重要而基础的科学问题，产生了一 系列重要成果，深化了人类对相关问题的理解。目前，基于直流高压技术电子源的UED系 统可以达到lps和0. Olnm的时间和空间分辨率。目前，UED系统基本采用直流高压电子源，电子束动能受限于约为几十千电子伏。在 这一能量范围内，电子束内部的空间电荷力使电子束品质迅速变坏，特别是其导致的电子 束团长度的增长要求必须降低每个束团的电荷量，即减弱空间电荷效应，以获得足够短 的束团长度，从而实现整个系统更短的时间分辨能力。根据已有的千电子伏量级UED实验 结果外推，为获得小于lps的束团长度，每个束团内电子数目约为几千个；为了获得足够 信噪比的衍射样斑，需要累积叠加多个单个电子束的衍射样斑。这对总曝光时间、样品消 耗量、系统稳定性都提出了苛刻的要求，而且无法获得单发的电子衍射样斑。为了克服在千电子伏量级上空间电荷效应造成的基本的物理上的限制，可以将电子动 能提高到兆电子伏量级，使得空间电荷效应大大减弱。这不仅使每个束团内的电子数目提 高2到3个数量级，相应地节约大量实验时间，更重要的是，单发衍射样斑成为可能。光阴极微波电子枪非常适于作为UED的电子源 一方面，由于它和现有千电子伏UED 中的电子源——直流高压光阴极电子枪——类似，即电子束初始电荷密度分布由超快激光 系统控制，容易达到百飞秒量级的束团长度和合适的电荷量；另一方面，它很容易产生动 能0. 5MeV到1. 5MeV的高品质电子束，这是直流高压技术难以实现的。在选择光阴极枪的工作频率的时，我们一方面考虑该波段的枪型是否适于产生所需的 电子束动能，另一方面尽量使光阴极枪及配套的功率源系统小型化，使整个UED系统更加紧凑廉价，便于其应用和推广。 发明内容本发明的目的是实现基于X波段光阴极微波电子枪的超快电子衍射技术。基于x波段光阴极微波电子枪的超快电子衍射系统，其特征在于，含有超快激光单元、 x波段脉冲微波功率单元、x波段光阴极微波电子枪、静磁场螺线管线圈、微波偏转腔、探测器、光学延迟线，还有待研究的衍射样品，其中，所述超快激光单元和X波段脉冲微波功率单元以相同的重复频率在时间上同步工作， 所述超快激光单元产生的激光脉冲锁定在所述X波段脉冲微波功率单元产生的微波周期的 设定相位，同步精度至少达百飞秒；所述超快激光单元产生的所述激光脉冲分为两路pl路激光脉冲入射到所述X波段光 阴极微波电子枪的阴极面，通过光电效应产生电子束团p3， p2路则经所述光学延迟线后 入射到所述待研究衍射样品的待研究位置；所述X波段脉冲微波功率单元产生的微波脉冲以微波场的形式馈入所述X波段光阴极 微波电子枪，把所述电子束团p3加速，通过改变所述X波段光阴极微波电子枪内所述微 波场的幅值和电子束团p3在阴极面产生时所述微波场的相位，将电子束团p3在所述X波 段光阴极微波电子枪出口处的动能在0.5 MeV至1.5 MeV范围内调节；所述静磁场螺线管线圈对所述的电子束团p3进行聚焦，使所述电子束团p3以接近平 行束的状态入射到所述待研究的衍射样品，以便反演出此时刻所述待研究衍射样品中微观 结构的变化；所述电子束团p3被所述待研究衍射样品衍射后记为电子束团p4，所述电子束团p4中 包含了所述待研究衍射样品的结构信息；所述探测器，对于被所述待研究衍射样品衍射后的电子束团p4，在垂直于所述电子束 团p4的漂移方向上进行电子强度分布探测，并得到衍射样斑。本发明利用X波段光阴极微波电子枪产生百飞秒甚至更短的高品质电子束，结合超快 激光技术及电子束聚焦、长度测量和成像技术，可实现在百飞秒量级的时间分辨率和 0. Olnm的空间分辨率上研究物质的微观结构及其演化。本发明的每个电子束团的电荷量比 现有的千电子伏电子衍射中情况高出2 3个数量级，大大节约了实验时间和样品数量， 并缓解了对系统长时间稳定性的苛刻要求；更重要的是，单个束团的高电荷量使得单发超快电子衍射有可能实现。本发明选用X波段微波技术，使得系统更加紧凑和廉价，以利于其建造、操作和推广。
图1是超快电子衍射系统组成示意图。
具体实施方式
本发明的系统组成示意图如图l所示。其中l为超快激光系统，可产生几十fs到几ps的激光脉冲，分别用于激发样品中的微观结构变化和通过光电效应在光阴极枪中产生电子束。2为X波段脉冲微波功率系统，支持光阴极枪3和微波偏转腔6的工作。l与2之 间有精确的时间同步，利用高次谐波锁相环控制方法可以实现的同步精度为百飞秒甚至更 优。3为X波段光阴极枪。4为静磁场螺线管线圈，用于聚焦电子束团，控制电子束团束 斑和发射度沿束流线的变化。5为待研究的衍射样品。6为微波偏转腔，可用于电子束团 的长度和到达时间测量。7为探测器，用于测量衍射样斑。8为光学延迟线，用于调整激 光脉冲p2从激光系统到样品的光程。用于调整整个系统的工作过程描述如下1) 激光系统1和X波段脉冲微波功率系统2分别以一定的重复频率工作，l产生 的激光脉冲和2产生的微波脉冲在时间上同步，使激光脉冲锁定在微波周期的特定相位， 同步精度可以达到百飞秒甚至更优。2) 激光系统1产生两路激光脉冲pl和p2， pl入射到光阴极枪的阴极面，通过光 电效应产生电子束团，p2入射到样品中待研究位置，激发样品中的微观结构变化。3) 微波功率系统2产生的微波场馈入X波段光阴极枪3，在3中建立起微波场， 将激光脉冲pl产生的电子束团p3迅速加速。电子束团p3在光阴极枪3出口位置的动能 通过改变枪内微波场的幅值和电子在阴极面产生时微波场的相位在0. 5 MeV至1. 5 MeV的 范围内进行调解。4) 调整静磁场螺线管线圈4的轴上磁场强度，即调整静磁场螺线管线圈4对电子 束的聚焦程度，使电子束以接近平行束的状态入射样品，以便于从衍射样斑反演样品结构{曰息。5) 激光脉冲p2和电子束团p3到达样品5中同一待研究位置的时间间隔，可通过 调节光学延迟线8，即调节激光脉冲p2的光程进行调整，即可在样品的微观结构被激发后 不同时刻，用电子束团探测样品的微观结构。6) 系统中不放入样品时，微波偏转腔6中馈入微波功率，用于测量电子束团长度；系统中放入样品时，微波偏转腔6中不馈入微波功率，等效于自由漂移段，对衍射样斑的测量没有影响。7) 探测器7记录下被衍射的电子束团在垂直于束流线平面上的强度分布，即衍射 样斑。探测器7可输出单个电子束团的衍射样斑，也可输出多次累积的衍射样斑。
权利要求
1.基于X波段光阴极微波电子枪的超快电子衍射系统，其特征在于，含有超快激光单元、X波段脉冲微波功率单元、X波段光阴极微波电子枪、静磁场螺线管线圈、微波偏转腔、探测器、光学延迟线，还有待研究的衍射样品，其中，所述超快激光单元和X波段脉冲微波功率单元以相同的重复频率在时间上同步工作，所述超快激光单元产生的激光脉冲锁定在所述X波段脉冲微波功率单元产生的微波周期的设定相位，同步精度至少达百飞秒；所述超快激光单元产生的所述激光脉冲分为两路p1路激光脉冲入射到所述X波段光阴极微波电子枪的阴极面，通过光电效应产生电子束团p3，p2路则经所述光学延迟线后入射到所述待研究衍射样品的待研究位置；所述X波段脉冲微波功率单元产生的微波脉冲以微波场的形式馈入所述X波段光阴极微波电子枪，把所述电子束团p3加速，通过改变所述X波段光阴极微波电子枪内所述微波场的幅值和电子束团p3在阴极面产生时所述微波场的相位，将电子束团p3在所述X波段光阴极微波电子枪出口处的动能在0.5MeV至1.5MeV范围内调节；所述静磁场螺线管线圈对所述的电子束团p3进行聚焦，使所述电子束团p3以接近平行束的状态入射到所述待研究的衍射样品，以便反演出此时刻所述待研究衍射样品中微观结构的变化；所述电子束团p3被所述待研究衍射样品衍射后记为电子束团p4，所述电子束团p4中包含了所述待研究衍射样品的结构信息；所述探测器，对于被所述待研究衍射样品衍射后的电子束团p4，在垂直于所述电子束团p4的漂移方向上进行电子强度分布探测，并得到衍射样斑。
2. 根据权利要求1所述的基于X波段光阴极微波电子枪的超快电子衍射系统，其特 征在于，在不放入所属待研究衍射样品时，所述X波段脉冲微波功率单元向所述微波偏转 腔馈入微波功率，用于测量进入所述微波偏转腔的所述电子束团的长度。
3. 根据权利要求1所述的光学延迟线用于调整所述激光脉冲p2从所述超快激光单元 到所述待研究衍射样品间的光程，从而调节所述激光脉冲p2与所述电子束团p3到达所述 待研究衍射样品的时间间隔，使得所述电子束团p4可以包含所述待研究衍射样品被所述 激光脉冲p2激发后不同时刻的结构信息。
4.根据权利要求1所述的基于X波段光阴极微波电子枪的超快电子衍射系统，其特 征在于，所述的衍射样斑是单个电子束团形成，或是多个电子束团累积形成的。
全文摘要
基于X波段光阴极微波电子枪的超快电子衍射系统属于超快电子衍射技术领域，其特征在于用X波段光阴极微波电子枪代替现有千电子伏超快电子衍射系统中的直流高压光阴极微波电子枪作为电子源，相应地采用X波段脉冲微波功率单元，很容易地得到了0.5MeV到1.5MeV的高品质电子束，从而使每个电子束团内的电子数目提高2到3个量级，相应地节约了大量的待研究衍射样品和实验时间，更使得获取单发衍射样斑成为可能。
文档编号G01N23/207GK101403714SQ200810226178
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者唐传祥, 李任恺, 王西杰, 陈怀璧, 黄文会 申请人:清华大学