一种基于激光等离子体尾波场加速的电子衍射装置的制作方法

本实用新型属于电子衍射技术领域，具体涉及一种基于激光等离子体尾波场加速的电子衍射装置。

背景技术：

超快电子衍射技术具有极高的空间(亚纳米)和时间(亚皮秒)分辨能力，是实时观察物质内部原子运动动态过程的重要手段，可用于研究样品内部晶格的膨胀与收缩、声子的传播、化学键的形成与断裂、材料的结构相变等，在材料、物理、化学、生物等诸多领域有重要的应用。

超快电子衍射技术的工作过程如下：将一束超快激光分为两束，其中一束作为泵浦光激发样品，使样品的结构发生变化；另一束激光用来轰击电子枪的光电阴极材料产生光电子，光电子被加速和整形后形成超快电子束与样品相互作用，形成衍射图样。通过改变两束光之间的光学延迟，可以得到在不同时间延迟条件下飞秒激光激发样品时超快电子与样品相互作用的衍射图样。分析这些随时间变化的衍射图样的强度、峰值位置、形貌等信息，就可以实现对样品的晶格动力学过程的研究。由于材料的内部变化过程通常发生在皮秒甚至飞秒的时间尺度，因此超快电子衍射系统的激光束和电子束的时间尺度都必须小于样品动力学变化过程的时间尺度。

目前主要有以下两类超快电子衍射装置：

专利ZL 200510066313.8提出了一种飞秒电子衍射装置，其工作原理是利用飞秒激光轰击光电阴极产生光电子，光电子在直流高压的驱动下被加速，通常加速电压达5万伏特，加速梯度接近10兆伏特每米。由于电子束复制了光脉冲的时间特性，可实现脉冲宽度约500飞秒的超快电子束。在这种装置中，电子束的动能由加速电压决定，受到击穿电压的限制，电子束的动能很难进一步提高。同时，由于受到空间电荷效应的影响，电子束脉冲在传播过程中会逐渐展宽。因此，利用上述原理形成的超快电子衍射系统的时间分辨能力最高约为300飞秒，不能满足更快时间分辨的实验要求。此外，这种装置中每个电子束团的电子数目一般在10⁴量级，为了获得高信噪比的衍射图样，需要相当长的曝光时间才能获得高质量的衍射图案。

专利CN101403714B提出了一种基于X波段光阴极微波电子枪的超快电子衍射系统，即阴极产生的光电子被射频场加速。由于微波电子源的加速梯度非常高，可降低空间电荷效应的影响，并可在空间上压缩电子束脉冲的宽度，因此可实现100飞秒的时间分辨能力，电子束的能量可达兆电子伏特，单个电子束团内的电子数目可达10⁶量级，使在更快的时间尺度内利用单次电子束团获得样品的衍射图样成为可能。然而这种方法的缺点是需要强大的电源辅助系统，且需要电子与加速场同步，因此会引入额外的时间抖动，使超快电子衍射系统的时间分辨能力限制在100飞秒，这对于有些物理过程的研究，例如石墨烯的声子弛豫过程在10飞秒左右，是无法观察的。此外，这种方法产生的电子束的能散较大，使得电子衍射图样变宽，空间分辨率变差。

因此，在超快电子衍射技术领域迫切需要研发一种时空分辨率更高、工作方式更灵活且简单易行、稳定性高的超快电子衍射装置，可观察到更多的新现象和新物理，使其能服务于物理、化学、生物、医学等各个领域。目前还没有时间分辨能力小于100飞秒的超快电子衍射实验系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的是实现一种基于激光等离子体尾波场加速的电子衍射装置，该装置与现有电子衍射装置相比具有更高的时间分辨能力，在电子衍射实验中泵浦光与探测电子束具有很好的时间同步，且无需光电阴极、高压电极或微波源等组件，使装置更加简易和紧凑，可广泛应用于超快动力学过程的科学研究中。

本实用新型采取的技术方案如下：

本实用新型提供了一种基于激光等离子体尾波场加速的电子衍射装置，包括激光器、光学入射窗口、真空室、气体产生装置、第一微孔、第二微孔、磁透镜、五维调节系统、样品架、探测系统以及真空供应系统；

所述激光器用于产生激光脉冲并通过光学入射窗口将激光脉冲打入真空室；

所述真空室内沿着激光脉冲的方向依次设置有气体产生装置、第一微孔、第二微孔、样品架以及探测系统；

所述真空室外部设置有多个真空法兰，用于对真空室内部进行观察和外部设备的连接；

所述气体产生装置与外部连接，用于重复产生气体靶；激光脉冲与气体靶相互作用，使气体靶中的分子被电离，产生电子束团；

所述电子束团依次经过第一微孔和第二微孔将电子束团准直；

所述磁透镜位于第一微孔和第二微孔之间用于压缩和聚焦电子束团；所述磁透镜可沿电子束团出射的方向移动，用于将电子束团聚焦于不同的位置；

所述样品架用于放置衍射样品，电子束团与衍射样品发生作用后会产生电子衍射图样；

所述五维调节系统与样品架连接，用于对衍射样品进行位置和方向进行调节；

所述探测系统用于对电子衍射图样进行收集、放大和探测；

所述真空供应系统用于给真空室提供真空环境，所述真空供应系统为多个真空泵级联组成。

本专利中的探测系统分为两种：

其中，一种探测系统为微通道型图像增强器；微通道型图像增强器包括沿着电子衍射图样的出射方向依次设置的双微通道板、荧光屏、透镜和相机。

另外一种探测系统为背照式有源像素传感器；所述背照式有源像素传感器包括硅衬底、像素单元以及布线单元；硅衬底正对衍射样品，像素单元和布线单元依次构造于硅衬底上。

具体来说，多个真空法兰为六个，包括第一真空法兰、第二真空法兰、第三真空法、第四真空法兰、第五真空法兰以及第六真空法；所述第一真空法兰用于安装光学观察窗口观察气体靶的状态；第二真空法兰用于连接气体产生装置；第三真空法兰用于样品架的固定及五维调节系统的连接；第四真空法兰用于安装光学观察窗口观察样品的状态；第五真空法兰作为预留的盲板法兰可用于对系统的升级；第六真空法兰用于连接真空供应系统。

上述衍射样品通过网孔放置在样品架上；所述网孔直径20微米至200微米；衍射样品的厚度小于200纳米。

上述激光脉冲功率密度大于10¹⁸瓦特每平方厘米，宽度小于100飞秒。

上述气体生产装置的气体源为氢气或氦气或氮气或氩气；气体源中的气体分子所含电子数密度大于10¹⁸个每立方厘米。

上述真空供应系统由机械泵、分子泵和离子泵或钛泵组成，真空供应系统的本底真空度可达10^-6Pa以下。

本实用新型的优点：

1、本实用新型与基于直流电子枪的超快电子衍射装置相比，去掉了光电阴极、高压电源等组件，简化了实验装置，且利用激光等离子尾波长加速产生的单个电子束团所含的电子数目大于10⁶个，可进行单发超快电子衍射的实验研究，节约了实验所需的时间；

2、本实用新型与基于射频电子枪的超快电子衍射装置相比，无需光电阴极、微波电源等组件，使装置更加紧凑，且不会产生额外的时间抖动，因此超快电子衍射实验装置更加稳定。

3.本实用新型具有可产生更高时间分辨率的电子束的特点，具体来说电子束团的脉冲宽度可至10飞秒量级，因此可进行更高时间尺度的超快动力学实验的研究。此外，本实用新型中产生的超快电子束与泵浦激光束自然地同步，无需复杂的时间同步过程。

4、本实用新型提出利用背照式有源像素传感器作为超快电子衍射实验的探测系统，可进一步简化装置并降低系统噪声。

附图说明

图1是超快电子衍射装置结构示意图

图2是样品架结构示意图

图3是背照式有源像素传感器结构示意图。

1-激光器、2-真空室、3-光学入射窗口、4-第一真空法兰、5-第二真空法兰、6-气体产生装置、7-出射气体、8-第一微孔、9-电子束团、10-磁透镜、11-第二微孔、12-第三真空法兰、13-五维调节系统、14-样品架、15-第四真空法兰、16-第五真空法兰、17-第六真空法兰、18-双微通道板、19-荧光屏、20-透镜、21-相机、22-网孔、23-衍射样品、24-硅衬底、25-像素单元、26-布线单元、27-真空系统。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型做进一步的说明。应理解的是，附图所示的实施例并不是本实用新型的限制，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。

本实用新型的电子衍射装置如图1所示。

该装置包括激光器1、光学入射窗口3、真空室2、气体产生装置6、第一微孔8、第二微孔11、磁透镜10、五维调节系统13、样品架14、探测系统以及真空供应系统27；

真空室2内沿着激光脉冲的方向依次设置有气体产生装置6、第一微孔8、第二微孔11、样品架14以及探测系统；

其中，激光器1可产生小于100飞秒的超快激光脉冲，激光脉冲的波长为800纳米，能量小于100毫焦耳，重复频率小于1千赫兹，聚焦后光斑尺寸小于5微米。该激光器通过真空室2前端的光学入射窗口3进入真空室内，与从气体产生装置6产生的高密度、高重复频率的出射气体7发生反应，产电子束团9。

其中，气体产生装置6通过第二真空法兰5与外部连接，气体产生装置6的出射口可选择矩形结构或者图圆形结构，圆形结构的直径小于1毫米，矩形结构的典型宽度为1毫米，长度为3毫米。气体生产装置的气体源为氢气或氦气或氮气或氩气；气体源中的气体分子所含电子数密度大于10¹⁸个每立方厘米。

强激光与气体相互作用会产生等离子体尾波场，等离子体通过有质动力将电子束束缚，形成电子束团。电子束团的动能为十万电子伏特到1兆电子伏特，能散小于3％，电子束团的脉冲宽度与入射激光束的脉冲宽度一致。

在距离电子束出射5厘米处放置第一微孔8，用于对电子束准直，微孔的直径小于2毫米。

电子束经过第一微孔8后向前传播，为了对电子束进行进一步聚焦以便入射到样品上，在传播过程中有磁透镜10，磁透镜10由线圈、保护层、极靴、冷却等部分组成，在对线圈施加电流后，会产生磁场，约束电子束的尺寸和路径。聚焦后电子束的典型尺寸为500微米，磁场小于100毫特斯拉。

在电子束的焦点位置处，设置有样品架14。为了进一步提高入射电子束的质量，在样品架前5厘米处放置第二微孔11，第二微孔的直径小于2毫米。

样品架14通过第三真空法兰12固定，并可在外部控制的情况下通过五维调节架13进行位置和方向的调节。样品架距离激光距离气体产生装置10-100厘米，以防止强激光损坏样品。

样品架的详细结构如图2所示，在样品架上设置有多个直径为3毫米的网孔22，网孔直径20微米至200微米，在网孔上放置有超薄电子衍射样品23，样品的厚度小于200纳米。

电子束与衍射样品发生相互作用，会产生电子衍射图样。电子衍射图样经过探测系统后被收集。其中探测系统由双微通道板18、荧光屏19、透镜20和相机21组成。

此外，由于本实用新型中电子束具有非常高的动能，还可采用另一种探测器，即背照式电荷耦合器件或背照式有源像素传感器。在图3中，为探测器的背面，材料为硅衬底24，厚度小于50纳米。像素单元25和布线单元26依次构造于硅衬底24上。电子从硅衬底24入射到像素单元25上产生电子-空穴对，在电子轰击作用下会产生电子轰击增益，可将微弱的电子衍射信号放大，通过布线单元26后被收集。与微通道板探测器系统相比结构更加紧凑。

另外，真空室2前端相对于气体生产装置位置还设置有第一真空法兰15，第一真空法兰15用于安装光学观察窗口对电子束团进行观察；真空室2上相对于衍射样品位置还设置有第四真空法兰15，第四真空法兰15用于安装光学观察窗口对样品观察样品的状态；真空室2的末段还设置有第五真空法兰16和第六真空法兰17；第五真空法兰16作为预留的盲板法兰可用于对系统的升级；第六真空法兰17用于连接真空供应系统27。