專利名稱：一種用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，特別是涉及一種用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的飛秒電子衍射裝置。
背景技術(shù)：
在激光技術(shù)研究中，飛秒激光的出現(xiàn)為科學(xué)家研究物質(zhì)運(yùn)動的超快過程提供強(qiáng)有力的工具。但是激光的波長太長，一般大于200nm，這樣研究物質(zhì)運(yùn)動，其空間分辨是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了得到高空間分辨的信息，一般采用電子和X射線作為探測手段。目前能作為飛秒激光的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，鈦寶石激光可以得到幾個飛秒的激光脈沖。時間分辨技術(shù)是能夠認(rèn)識動態(tài)過程的一種重要的方法。近些年來，光泵浦-電子束探測方法為科學(xué)研究提供一種重要的實驗手段。如文獻(xiàn)1Ihee，V.A.Lobastov，U.M.Gomez，et al Science 2001，291458；文獻(xiàn)2C.-Y.Ruan，V.A.Lobastov，F(xiàn).Vigliotti et al Science 2004，30480；文獻(xiàn)3B.J.Siwick，J.R.Dwyer，et al，Science，2003，3021382；文獻(xiàn)4劉運(yùn)全，張杰等，物理，2005.4。
以往的納秒、皮秒電子衍射的方法，在時間分辨反射高能電子衍射和氣相電子衍射等有關(guān)實驗中，發(fā)揮了重要的作用。飛秒激光的出現(xiàn)，為了進(jìn)一步提高時間分辨率，飛秒電子衍射的方法必將進(jìn)一步發(fā)揮更大的作用。在飛秒電子衍射裝置里，結(jié)合飛秒激光的時間分辨特性和電子束的高空間分辨特性，為微觀世界揭示物質(zhì)瞬態(tài)動力學(xué)的獨(dú)特特性提供強(qiáng)有力的工具。
無論是超短電子脈沖衍射，還是光泵浦-電子束方法，都需要時空性質(zhì)較好的電子束。為了產(chǎn)生脈沖寬度為飛秒量級的電子脈沖，電子學(xué)的方法是做不到的。利用飛秒激光與光陰極相互作用可以產(chǎn)生超短電子束，這樣的電子束復(fù)制了光脈沖的時間特性。這樣電子束經(jīng)過加速聚焦，與樣品相互作用，其衍射信息帶著高空間和時間分辨的特征。其中飛秒電子束產(chǎn)生和控制部分是飛秒電子衍射裝置的核心，該部分結(jié)合了飛秒激光的高時間分辨特性和電子束的高空間分辨特性。目前，一些實驗室陸續(xù)地建立了相關(guān)研究設(shè)備，如文獻(xiàn)1“Femtosecond electron diffraction fordirect measurement of ultrafast atomic motions”，APPLIED PHYSICS LETTERS，VOLUME 83 NUMBER 5，4 AUGUST 2003公開了一種飛秒電子束產(chǎn)生和控制裝置。但是這套裝置的不足在于如圖1所示，電子束從光陰極6產(chǎn)生后，要經(jīng)過陽極7、磁透鏡8、X方向偏轉(zhuǎn)板9、Y方向偏轉(zhuǎn)板10、掃描板11到達(dá)樣品，此過程中電子束經(jīng)歷了較長的運(yùn)動距離；而由于電子束具有空間電荷效應(yīng)，這樣長距離運(yùn)動的電子束的脈沖寬度會相應(yīng)的展寬，從而減小了時間分辨能力。
為了進(jìn)一步提高飛秒電子衍射裝置的時間分辨能力，通過兩點(diǎn)可以做到1)減小輻照光陰極的激光脈沖寬度；2)增大光陰極和陽極之間的加速場的場強(qiáng)，抑制空間電荷效應(yīng)，同時減小電子束的運(yùn)動距離，使電子束在最短的時間內(nèi)到達(dá)樣品表面。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供一種能減小電子束運(yùn)動距離、提高時間和空間性質(zhì)、提高時間分辨能力的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置。
為了達(dá)到上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案如下在實際的電子衍射實驗過程中，首先對電子束脈沖寬度進(jìn)行測量，再進(jìn)行電子衍射實驗，這樣，偏轉(zhuǎn)板和掃描板不會同時使用，本實用新型把偏轉(zhuǎn)板作為掃描板，可以減少電子的運(yùn)動距離，具體技術(shù)方案如下一種用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，如圖2所示，包括一光源5；一電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)31放置在所述光源5的輸出光的前方光路上，通過第二密封固定部件25與一樣品室20連通；一電子測量和成像系統(tǒng)32通過第三密封固定部件26與所述樣品室20連接；一真空系統(tǒng)13通過插板閥12與所述樣品室20連通；一五軸控制系統(tǒng)18，通過第一密封固定部件24與樣品室20相連接，該五軸控制系統(tǒng)18有一個控制桿22伸進(jìn)樣品室20內(nèi)，其頂端有一樣品臺23，所述樣品臺23上固定待測樣品21；在上述技術(shù)方案中，所述電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)31，如圖2所示，包括一光陰極6以垂直于出射光的方向放置在光源5的輸出光的光路中；一陽極7與所述光陰極6平行相對放置，其上開一個電子束出射的小孔3；一磁透鏡8放置在所述陽極7的所述小孔的一側(cè)；一X方向偏轉(zhuǎn)板9放置在所述磁透鏡8之后，一Y方向偏轉(zhuǎn)板10與所述X方向偏轉(zhuǎn)板9互相垂直放置在同一軸線上。
在上述技術(shù)方案中，所述光源5為一飛秒激光三倍頻產(chǎn)生器，如圖3所示，包括一飛秒激光器51，該激光器發(fā)出的激光經(jīng)過一倍頻晶體52，再經(jīng)過第一二向色分束鏡55分束；其中倍頻光經(jīng)過第一反射鏡56、第二反射鏡57、第三反射鏡58后到達(dá)第二二向色分束鏡62；其中基頻光經(jīng)過半波片53和第四反射鏡59，再經(jīng)過第五反射鏡60和第六反射鏡61組成的延遲線，經(jīng)過第二二向色分束鏡62后與上述倍頻光重合入射到一和頻晶體54處進(jìn)行非共線和頻。
在上述技術(shù)方案中，所述電子測量和成像系統(tǒng)32，如圖2所示，包括一微通道板探測器14、一光纖變換器15、一熒光屏16和一圖像探測器17順序地連接組成，并作為一個整體通過第三密封固定部件26與所述樣品室20連接。
在上述技術(shù)方案中，所述真空系統(tǒng)13使得所述樣品室20的真空度優(yōu)于1.0×10-6τ；在上述技術(shù)方案中，所述樣品室20有至少兩個光入射窗口19；在上述技術(shù)方案中，所述圖像探測器17為一個圖像增強(qiáng)探測器；在上述技術(shù)方案中，所述小孔3的直徑為100微米；在上述技術(shù)方案中，所述光陰極6采用40nm厚度的銀膜；在上述技術(shù)方案中，所述飛秒激光器51是指飛秒鈦寶石激光器。
本實用新型裝置的工作過程為飛秒鈦寶石激光器51發(fā)出的激光經(jīng)過三倍頻后入射到電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)31的光陰極6并與其相互作用后，產(chǎn)生電子束，其時間特性復(fù)制了光脈沖的特性，也是飛秒量級的；陽極7上電壓為零，在光陰極6上施加負(fù)高壓；在電場的作用下，電子束被加速到很高的能量，而電子波長具有很高的空間分辨能力；經(jīng)過磁透鏡8聚焦，和X方向偏轉(zhuǎn)板9，Y方向偏轉(zhuǎn)板10對電子束進(jìn)行空間掃描；如把Y方向偏轉(zhuǎn)板10作為測量電子束時間特性的掃描板，用來測量飛秒電子束的脈沖寬度，具體方法是當(dāng)電子束到達(dá)Y方向偏轉(zhuǎn)板10的入口時，在Y方向偏轉(zhuǎn)板10上加隨時間瞬變的斜坡電壓，這樣就可以把電子束的縱向長度(可以換算為電子脈沖寬度)轉(zhuǎn)換為橫向可測量的量，從而實現(xiàn)了電子束脈沖寬度的測量；經(jīng)過脈沖寬度測量的電子束可以用來進(jìn)行對樣品探測；磁透鏡8可以調(diào)節(jié)電子束的聚焦位置，X方向偏轉(zhuǎn)板9和Y方向偏轉(zhuǎn)板10可以調(diào)節(jié)電子束的偏轉(zhuǎn)方向。樣品控制系統(tǒng)18通過調(diào)整樣品21的方位，可以測量樣品21的透射衍射或反射衍射的結(jié)構(gòu)動態(tài)信息。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是1)用飛秒量級脈沖激光產(chǎn)生飛秒量級電子束；2)提高時間分辨能力，使其達(dá)到100飛秒以下的時間分辨能力；3)具有高空間分辨能力，可優(yōu)于0.01埃；4)Y方向偏轉(zhuǎn)板10同時做為電子束脈沖寬度測量的掃描板，減少了電子束在電子槍中的運(yùn)動距離，從而減少了電子束在運(yùn)動過程中的時間彌散。


圖1表示文獻(xiàn)1公開的飛秒電子束產(chǎn)生和控制系統(tǒng)示意圖；圖2表示本實用新型的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置示意圖；圖3表示本實用新型的飛秒鈦寶石激光三倍頻產(chǎn)生光路圖；圖面說明↑表示偏振面平行于紙面↓表示偏振面垂直于紙面圖4表示本實用新型的電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)31的實施例示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖2所示，一種用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置包括光源5、電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)31、樣品室20、電子測量和成像系統(tǒng)32、真空系統(tǒng)13和五軸控制系統(tǒng)18；其中如圖3所示，光源5是一個飛秒鈦寶石激光三倍頻產(chǎn)生裝置，其實現(xiàn)方式為飛秒鈦寶石激光器51輸出激光的脈寬為30飛秒，中心波長為800nm，該激光經(jīng)過倍頻晶體52，該倍頻晶體切割角為θ＝29.2°，φ＝0°，激光再經(jīng)過對波長800nm全透、400nm全反的第一二向色分束鏡55分束；其中倍頻光經(jīng)過第一反射鏡56、第二反射鏡57、第三反射鏡58后到達(dá)第二二向色分束鏡62；其中基頻光經(jīng)過半波片53和第四反射鏡59，再經(jīng)過第五反射鏡60和第六反射鏡61組成的延遲線，經(jīng)過第二二向色分束鏡62與倍頻光重合入射到和頻晶體54處和頻，三倍頻激光波長為266nm；該和頻晶體54的切割角為θ＝44.3°，φ＝0°；本實施例的和頻過程采用如文獻(xiàn)1“飛秒摻鈦藍(lán)寶石激光三倍頻理論和實驗研究”，劉運(yùn)全等，物理學(xué)報，Vol.54，No.4，April，2005中公開的非共線的方法，可以減少分光光學(xué)器件對三倍頻紫外激光的吸收。
如圖4所示，電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)31由光陰極6、陽極7、磁透鏡8、X方向偏轉(zhuǎn)板9、Y方向偏轉(zhuǎn)板10順序放置在同一水平軸線上組成，其中光陰極1采用40nm厚度的銀膜，光源5發(fā)出的飛秒激光與光陰極6相互作用后，產(chǎn)生能量彌散度小于1eV的電子束，其時間特性復(fù)制了光脈沖的特性；陽極7采用常規(guī)電極材料，與光陰極6平行面對面平行放置，兩者之間的的距離為d1＝5mm；陽極7上開一直徑為100微米的小孔3；在光陰極6上加上-50kV的高壓，陽極7接地；在電場加速下，電子得到50keV的能量，此時電子波長為0.054828埃。
磁透鏡8的磁隙到光陰極6的距離為d2＝62.5mm，在磁透鏡8上加不同的安匝數(shù)或者勵磁電流可以使電子束聚焦在不同的位置上。
當(dāng)磁透鏡8采用安匝數(shù)(NI)為1354時，電子束聚在Y方向偏轉(zhuǎn)板10的入口處，磁透鏡8的焦距為F1＝58.5mm，此時用于電子束脈沖寬度的測量。本實施例把Y方向偏轉(zhuǎn)板10同時作為測量電子束時間特性的掃描板，用來測量飛秒電子束的脈沖寬度。具體方法是，當(dāng)電子束到達(dá)Y方向偏轉(zhuǎn)板10的入口時，在Y方向偏轉(zhuǎn)板10上加隨時間瞬變的斜坡電壓6kV/ns；當(dāng)電子束從Y方向偏轉(zhuǎn)板10中出射時，電子束就在斜坡電壓形成的掃描電場方向上離散開來，這樣就可以把電子束的縱向長度(相當(dāng)與電子脈沖寬度)轉(zhuǎn)換為橫向可測量的量，由放置在磁透鏡8后面d3＝464.5mm處的微通道板探測器14進(jìn)行探測，從而實現(xiàn)了電子束脈沖寬度的測量。
當(dāng)磁透鏡4采用安匝數(shù)(NI)為636時，電子束聚焦在樣品21處，磁透鏡8的焦距為F2＝264.5mm，此時用于超短電子脈沖衍射實驗。經(jīng)過加速和聚焦后的電子束到達(dá)樣品21后，與其作用，可以產(chǎn)生電子衍射信號，由于電子束的脈沖寬度是30飛秒的，所以得到的衍射信號就帶有30飛秒內(nèi)的動態(tài)信息，從而實現(xiàn)高空間分辨和時間分辨的測量。
電子測量和成像系統(tǒng)32由微通道板探測器14、光纖變換器15、熒光屏16、圖像探測器17順序地以常規(guī)方式連接組成，并作為一個整體與樣品室20連接。當(dāng)電子到達(dá)微通道板探測器14時，對信號進(jìn)行放大，然后經(jīng)過光纖變換器15進(jìn)行圖像縮放，到達(dá)熒光屏16，再經(jīng)過圖像探測器17對圖像進(jìn)一步增強(qiáng)放大；本實施例的圖像探測器17采用圖像增強(qiáng)電荷耦合探測器。
五軸控制系統(tǒng)18，可以對樣品進(jìn)行X，Y，Z，θ和φ五維的高精度控制，實現(xiàn)測量待測樣品21的透射衍射或反射衍射的結(jié)構(gòu)動態(tài)信息。
樣品室20與真空系統(tǒng)13通過插板閥12連接，使得樣品室20的真空度優(yōu)于1.0×10-6τ。
樣品室20上設(shè)置有兩個泵浦光入射窗口19，使得該裝置可以增加泵浦-延遲系統(tǒng)。
裝置中的密封固定部件，如第一密封固定部件24、第二密封固定部件25、第三密封固定部件26均采用市場所售的相應(yīng)的常規(guī)產(chǎn)品。
按照本實施例設(shè)計的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，電子從光陰極6到樣品21的運(yùn)動距離為327mm，結(jié)構(gòu)緊湊，減少電子從光陰極6產(chǎn)生到樣品21的運(yùn)動距離，從而提高時間分辨能力，使其達(dá)到100飛秒以下的時間分辨能力，其空間分辨能力可優(yōu)于0.01埃。
權(quán)利要求1.一種用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，包括一光源(5)；一電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)(31)放置在所述光源(5)的輸出光的前方光路上，通過第二密封固定部件(25)與樣品室(20)連通；一電子測量和成像系統(tǒng)(32)通過第三密封固定部件(26)與所述樣品室(20)連接；一真空系統(tǒng)(13)通過插板閥(12)與所述樣品室(20)連通；一五軸控制系統(tǒng)(18)，通過第一密封固定部件(24)與樣品室(20)相連接，該五軸控制系統(tǒng)(18)有一個控制桿(22)伸進(jìn)樣品室(20)內(nèi)，所述控制桿(22)頂端有一樣品臺(23)，所述樣品臺(23)上固定待測樣品(21)；其特征在于，所述電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)(31)，包括一光陰極(6)以垂直于出射光的方向放置在光源(5)的輸出光的光路中；一陽極(7)與所述光陰極(6)平行相對放置，其上開一個電子束出射的小孔(3)；一磁透鏡(8)放置在所述陽極(7)的所述小孔的一側(cè)；一對X方向偏轉(zhuǎn)板(9)放置在所述磁透鏡(8)之后，一對Y方向偏轉(zhuǎn)板(10)與所述X方向偏轉(zhuǎn)板(9)互相垂直放置在同一軸線上；所述光陰極(6)采用銀膜，或金膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，其特征在于，所述光源(5)為一飛秒激光三倍頻產(chǎn)生器，包括一飛秒激光器(51)，該激光器發(fā)出的激光經(jīng)過一倍頻晶體(52)，再經(jīng)過第一二向色分束鏡(55)分束；其中倍頻光經(jīng)過第一反射鏡(56)、第二反射鏡(57)、第三反射鏡(58)后到達(dá)第二二向色分束鏡(62)；其中基頻光經(jīng)過半波片(53)和第四反射鏡(59)，再經(jīng)過第五反射鏡(60)和第六反射鏡(61)組成的延遲線，經(jīng)過第二二向色分束鏡(62)后與上述倍頻光重合入射到一和頻晶體(54)處進(jìn)行非共線和頻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，其特征在于，所述電子測量和成像系統(tǒng)(32)，包括一微通道板探測器(14)、一光纖變換器(15)、一熒光屏(16)和一圖像探測器(17)順序地連接組成，并作為一個整體通過第三密封固定部件(26)與所述樣品室(20)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，其特征在于，所述真空系統(tǒng)(13)使得所述樣品室(20)的真空度優(yōu)于1.0×10-6τ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，其特征在于，所述樣品室(20)有至少兩個泵浦光入射窗口(19)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，其特征在于，所述圖像探測器(17)為一個圖像增強(qiáng)探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，其特征在于，所述小孔(3)的直徑為100微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，其特征在于，所述光陰極(6)采用40nm厚度的銀膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置，其特征在于，所述飛秒激光器(51)是指飛秒鈦寶石激光器。
專利摘要本實用新型公開了一種用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置。該裝置包括光源、電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)、樣品室、電子測量和成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和樣品控制系統(tǒng)。其中電子產(chǎn)生和控制系統(tǒng)是本實用新型的核心，包括光陰極、陽極、磁透鏡、X方向偏轉(zhuǎn)板和Y方向偏轉(zhuǎn)板。本實用新型將X方向偏轉(zhuǎn)板或Y方向偏轉(zhuǎn)板用于對飛秒電子脈沖寬度測量的掃描板，減小了電子從光陰極產(chǎn)生運(yùn)動到達(dá)樣品的距離，克服了由于空間電荷效應(yīng)而使得長距離運(yùn)動的電子束脈沖寬度展寬的問題，提高了該裝置的時間分辨能力。本實用新型用于研究物質(zhì)運(yùn)動超快過程的電子衍射裝置具有較高的時間分辨能力和空間分辨能力，可用于測量樣品的投射衍射和反射衍射的結(jié)構(gòu)動態(tài)信息。
文檔編號G01N23/20GK2793723SQ20052001803
公開日2006年7月5日 申請日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者張 杰, 劉運(yùn)全, 梁文錫 申請人:中國科學(xué)院物理研究所