一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置制造方法及图纸

技术编号:23514068 阅读:100 留言:0更新日期:2020-03-18 00:54
本发明专利技术公开了一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置,包括:真空腔,以及设置于真空腔内且中轴线重合并依次间隔排列的光电阴极、栅极、阳极、电会聚镜和电物镜;光电阴极用于在飞秒激光脉冲激励下产生飞秒脉冲电子束;光电阴极和阳极之间加电压,用于对电子束加速;电会聚镜和电物镜的电压均可调,用于两次对加速后的电子束会聚,得到平行束或实际所需会聚角的会聚束电子脉冲。本发明专利技术采用电会聚镜和电物镜来对脉冲电子束进行两次聚焦,电会聚镜和电物镜的电压灵活可调,从而可得到不同会聚程度和束斑尺寸的脉冲电子束。另外,本发明专利技术采用静电透镜能大幅减少电子源装置的尺寸,结构简单,进而能够提高所需电子束的质量以及灵活可控性。

A non magnetic femtosecond electronic source with adjustable convergence angle

【技术实现步骤摘要】
一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置
本专利技术属于电子显微成像领域,更具体地,涉及一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置。
技术介绍
电子衍射和超短激光脉冲相结合而成的超快电子衍射成为电子显微成像领域的新技术。超快电子衍射具备原子运动尺度的时间和空间分辨能力,能够实现同时在时间和空间结构上对超快动力学过程进行实时观测,在结构相变、化学反应、材料科学、蛋白质功能等物理、化学、材料和生物领域的研究中都有广泛应用。超快电子衍射的关键在于获得高质量的超短电子脉冲,它决定了这种技术的时间、空间分辨能力以及获取所研究对象的动力学过程信息的能力。超短电子脉冲的产生一般利用飞秒激光脉冲,照射光电阴极,通过光电效应释放电子,这些电子从光电阴极出射的瞬间,完全复制了入射的飞秒激光的时域特性。然而脉冲电子束在后续传播的过程中会因为电子之间的库仑排斥作用而令脉冲在时间上和空间上展宽,目前在超快电子显微领域一般通过减少电子束的密度、减少电子束的飞行距离,或者引入射频脉冲压缩和兆电子伏等方法来抑制脉冲电子束的展宽。调控超短电子脉冲的另一个特性是调节电子脉冲入射到待研究样品上的束斑大小以及会聚角度。超快电子衍射研究的对象形貌包括薄膜、块体、表面以及纳米微晶;样品的形态包括了单晶、多晶、非晶等固相,而且还有气相及液相。不同的研究对象以及不同的研究目标要求超快电子衍射装置能提供具有相应特性的电子脉冲,例如研究薄膜的晶格热振动要求脉冲电子以平行束入射,通过布拉格衍射获取晶格热运动的变化;研究块体样品中瞬态应变时要求脉冲电子以会聚束入射,利用菊池衍射提供晶格形变的高灵敏度观测;样品晶粒的大小要求脉冲电子的束斑尺寸可作相应调整。以往的超快电子源设计中,光电子的产生通过飞秒激光脉冲以背照明的方式激励光电阴极薄膜,由此方法产生的脉冲电子束的束斑大小受限于飞秒激光脉冲的束斑尺寸。在调控飞秒电子束束斑尺寸及会聚角特性方面,以往的超快电子源设计采用磁线圈作聚焦镜,用于会聚飞秒电子脉冲。受限于磁线圈的体积、发热以及材料放气等特性,超快电子源的磁线圈被设计在电子源腔体外部。因为上述的传播距离带来的脉冲展宽效应,外置磁线圈的设计难以在较短的范围内安装足够的磁聚焦镜同时调节脉冲电子束的束斑尺寸以及会聚角度。此外,因为运动电子受磁场中洛伦兹力的指向,磁透镜约束下的电子被引入绕传播方向为轴线的旋转运动,相比受电场约束沿电场方向作直线运动的运动轨迹更复杂,在实验调节中增加复杂性。
技术实现思路
本专利技术提供一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置,用以解决现有电子源装置因采用磁元件聚焦而存在系统复杂进而导致在实际应用中会聚角调节困难的技术问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下:一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置,包括:真空腔,其腔体上设置有激励光窗口,以及设置于所述真空腔内且中轴线重合并依次间隔排列的光电阴极、栅极、阳极、电会聚镜和电物镜;所述光电阴极用于在与通过所述激励光窗口照射过来的飞秒激光脉冲发生光电效应后,产生飞秒脉冲电子束;所述光电阴极和所述阳极之间加电压,用于对所述电子束加速;所述电会聚镜和所述电物镜的电压均可调,用于两次对所述加速的电子束会聚,得到平行束或实际所需会聚角的会聚束电子脉冲。本专利技术的有益效果是:本专利技术采用电会聚镜和电物镜构成双静电透镜来对脉冲电子束进行两次聚焦,通过调节电会聚镜和电物镜的电压以及光电加速组件的电压,可得到不同会聚程度和束斑尺寸的脉冲电子束,从而可以实现会聚角灵活可调的脉冲电子束生产装置。另外,本专利技术采用静电透镜能大幅减少电子源装置的尺寸,避免了在装置中使用磁性元件(例如磁线圈)所带来的电子源装置体积大的问题,结构简单,进而能够提高所需电子束的质量以及灵活可控性。因此,本专利技术适用于多种样品以及多种衍射模式,例如薄膜样品的布拉格衍射、菊池衍射,样品表面的反射式电子衍射等,为观测物理、化学以及生物的超快过程提供了一种多功能的实用研究工具。上述技术方案的基础上,本专利技术还可以做如下改进。进一步,所述装置还包括:设置于所述真空腔内的电偏转组件,其中,所述光电阴极、所述栅极、所述阳极、所述电会聚镜、所述电偏转组件和所述电物镜的中轴线重合并依次间隔排列;所述电偏转组件用于对经所述电会聚镜一次会聚得到的电子束的传播方向及形状进行微调,以使电子束经所述电物镜二次会聚后在样品处形成所需形状的会聚束电子脉冲。本专利技术的进一步有益效果是:本专利技术电子源装置还包括无磁的电偏转组件,其与其它元件中轴线重合且间隔排列,用于调节电子束传输路径,以实现电子束的准直或电子束在所需方向飞行,结构简单,调控灵活,进一步能够适用于不同的样品几何形状和物质形态,从而实现对物理、化学、材料、生物等领域的多种研究体系的超快结构动力学过程的实时探测。进一步,所述电偏转组件包括:中轴线重合并依次间隔排列的第一准直组件、第二准直组件和第三准直组件;所述第一准直组件用于为使得经所述电会聚镜一次会聚得到的电子束的方向与中轴线重合而对该电子束的方向粗调;所述第二准直组件用于使得所述粗调后的电子束的方向与所述中轴线重合;所述第三准直组件用于根据实际需要,精调所述电子束的传播方向及形状,以使电子束经所述电物镜二次会聚后在样品处形成所需形状的电子脉冲。本专利技术的进一步有益效果是:本专利技术对电偏转组件分成三个部分,第一个部分先对电子束的方向进行粗调,之后再采用第二部分进行精调,最后根据实际需要进行进一步调节,以生成实际所需形状的电子脉冲,调节精度和效率较高。进一步,第一准直组件包括中轴线重合并间隔排列的准直孔和电压可调的第一四极校准镜;与所述准直孔相邻的所述第二准直组件包括电压可调的至少两个第二四极校准镜;所述第三准直组件包括电压可调的至少两个八极校准镜。本专利技术的进一步有益效果是:电会聚镜第一次将电子束会聚,会聚后的电子束由第一四极校准镜准直之后通过准直孔,以便滤去杂散的电子,被准直孔约束后的电子束进入至少两个第二四极校准镜,通过不断调节每个第二四极校准镜的电压,以使得电子束经过至少两个第二四极校准镜之后,能够与中轴线尽可能重合,之后最后一个第二四极校准镜输出的电子束依次经过至少两个八极校准镜,通过精调每个八极校准镜的电压,使得由最后一个八极校准镜射出的电子束能够经电物镜、出射小孔之后在样品上形成预设形状和尺寸的电子束,所有元件不产生磁场,可靠性高,实用性强。进一步,所述光电阴极的材料为LaB6单晶颗粒。本专利技术的进一步有益效果是:由于LaB6单晶的功函数低,在激光照射下性能稳定,延长使用寿命。进一步,所述真空腔内壁设置有磁场屏蔽金属罩。本专利技术的进一步有益效果是:设置磁场屏蔽金属罩,可避免地磁场等外部磁场干扰,提高电子束的调节可控性、灵活性,进一步提高电子束形状和方向的控制精度。进一步,所述间隔排列具体为毫米级的间隔排列,所述真空腔内的真空度小于10-7Torr,且所述真空腔内所有元件的表面平整度在微米级或以下。本专利技术的进一步有益效果是:各相邻元件的间隔在毫米级,结构紧凑,整个电子源本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置,其特征在于,包括:真空腔,其腔体上设置有激励光窗口,以及设置于所述真空腔内且中轴线重合并依次间隔排列的光电阴极、栅极、阳极、电会聚镜和电物镜;/n所述光电阴极用于在与通过所述激励光窗口照射过来的飞秒激光脉冲发生光电效应后,产生飞秒脉冲电子束;所述光电阴极和所述阳极之间加电压,用于对所述电子束加速;所述电会聚镜和所述电物镜的电压均可调,用于两次对所述加速的电子束会聚,得到平行束或实际所需会聚角的会聚束电子脉冲。/n

【技术特征摘要】
1.一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置,其特征在于,包括:真空腔,其腔体上设置有激励光窗口,以及设置于所述真空腔内且中轴线重合并依次间隔排列的光电阴极、栅极、阳极、电会聚镜和电物镜;
所述光电阴极用于在与通过所述激励光窗口照射过来的飞秒激光脉冲发生光电效应后,产生飞秒脉冲电子束;所述光电阴极和所述阳极之间加电压,用于对所述电子束加速;所述电会聚镜和所述电物镜的电压均可调,用于两次对所述加速的电子束会聚,得到平行束或实际所需会聚角的会聚束电子脉冲。


2.根据权利要求1所述的一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置,其特征在于,所述装置还包括:设置于所述真空腔内的电偏转组件,其中,所述光电阴极、所述栅极、所述阳极、所述电会聚镜、所述电偏转组件和所述电物镜的中轴线重合并依次间隔排列;
所述电偏转组件用于对经所述电会聚镜一次会聚得到的电子束的传播方向及形状进行微调,以使电子束经所述电物镜二次会聚后在样品处形成所需形状的会聚束电子脉冲。


3.根据权利要求2所述的一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置,其特征在于,所述电偏转组件包括:中轴线重合并依次间隔排列的第一准直组件、第二准直组件和第三准直组件;
所述第一准直组件用于为使得经所述电会聚镜一次会聚得到的电子束的方向与中轴线重合而对该电子束的方向粗调;所述第二准直组件用于使得所述粗调后的电子束的方向与所述中轴线重合;所述第三准直组件用于根据实际需要,精调所述电子束的传播方向及形状,以使电子束经所述电物镜二次会聚后在样品处形成所需形状的电子脉冲。


4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员:梁文锡胡春龙叶昶
申请(专利权)人:华中科技大学
类型:发明
国别省市:湖北;42

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1