【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电子显微镜系统，特别是涉及一种基于高重频微波加速的高能电子显微系统。
技术介绍
1、电子显微镜是一种能够达到亚纳米水平空间分辨率的显微探测设备。其基本系统组成包括电子源、电子枪、磁透镜系统、样品以及探测模块。电子经过产生、加速、调制过程后在样品上和晶格发生散射，经过中间镜和投影镜后成像在探测屏上。不同原子类型、晶格结构、晶轴角度对应了不同成像结果。由于电子显微镜对材料结构的高度敏感性，在材料学和生物学等领域的研究中有着不可替代的作用。
2、电镜的理论空间分辨率由电子德布罗意波的波长决定。对于确定的相机，像素点的数量n和每个像素点的尺寸d不变；对于固定的样品和相机长度l，辐射源的德布罗意波长λ与相机的倒空间分辨率1/r成反比例关系。辐射源发出的辐射(例如电子束)能量提高，德布罗意波长λ会相应减小。因此，随着辐射源能量的提高，空间分辨率r相应地升高。
3、传统商用电子显微镜使用的电子源大部分为场致发射电子源，属于直流电子源。这种直流电子源的优势在于电子束品质高。由于直流电子显微镜能量较低，配合电子枪内的栅极帽和准直系统可使电子的发射度降低到皮米水平，平均流强也可达到ma量级；另外，近年来，为了进一步提高电子显微镜的空间分辨率，逐渐发展出色差校正电子显微镜、球差校正电子显微镜等减小成像过程中像散的电子显微系统。但现有商用直流电子显微镜的电子束流能量不超过300kev，受限于电子能量，其分辨率的提升有限，且由于能量低，其穿透能力较差，无法对厚度较大的材料、芯片、生物细胞等样品进行成像。
5、第二种方案是用微波加速电子枪替代传统的直流电子枪，这种方案很好地解决了电子源体积庞大的问题，但是由于其工作在脉冲模式下，电子的平均流强低、发射度和能散都显著大于直流电子枪。该方案的一个代表是上海交通大学建造的u-tem电镜，该电镜使用热阴极作为电子源，使用传统常温微波电子枪，其重复频率约为几十～一百hz，虽然在该方案中选择了单发长电子脉冲以提高信噪比，且加入了高次谐波腔以降低能散，但成像信噪比仍远低于直流电镜，该电镜的主要目标是实现高能电镜的单电子成像模式以降低空间电荷力对束流品质的破坏。
6、在此前的专利中已经提到使用高重复频率的电子源提高成像系统信噪比，但该方案提出的成像系统在束流品质优化和成像的控制上相对简单，主要依靠后续的迭代算法优化成像质量。
7、目前为提升成像电子能量的方案均有一些不可避免的缺点。为了保留直流特性，则必然要牺牲设备的紧凑型和成本；为了保持设备的紧凑型，则需要牺牲成像过程的信噪比和束流品质。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
2、为此，本专利技术提出一种基于高重频微波加速的高能电子显微系统。本专利技术的电子发射方式为激光驱动光阴极或场致发射，在束线中配合加速管和能量选择器，可解决商用直流电镜能量低、传统高能直流电镜体积大、微波加速电子显微系统流强低、能散大的问题。同时，由于专利技术中的高能电子显微镜在光阴极发射模式下保留了脉冲式的电子发射模式，故除空间分辨能力外，同时具备时间分辨能力，在静态成像的基础上可开展动态的泵浦-探测过程。而且相比直流电子显微镜，本专利技术的微博加速高能电子成像系统使样品受到的电子照射损伤的累计效应更小，因而减小了成像过程中的辐射损伤，也降低了束团对样品的破坏。
3、本专利技术的另一个目的在于提出基于高重频微波加速的高能电子显微系统的应用方法。
4、为达上述目的，本专利技术一方面提出一种基于高重频微波加速的高能电子显微系统，包括：
5、同步定时模块，用于提供系统的时间同步；
6、功率源模块，用于提供电子加速所需的电磁场；
7、电子枪模块，用于在所述电磁场下利用电子枪产生初始电子束；
8、电子束加速模块，用于对初始电子束进行压缩和加速，得到第一电子束；
9、能量选择模块，用于降低所述第一电子束中电子的能散，得到第二电子束；
10、磁透镜模块，用于对第二电子束电子的横向尺寸进行整形，得到第三电子束；
11、探测器模块，用于利用探测器对所述第三电子束中经过待探测的样品后散射的电子进行成像。
12、另外，根据本专利技术上述实施例的基于高重频微波加速的高能电子显微系统还可以具有以下附加的技术特征：
13、进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：激光模块，所述激光模块，包括驱动激光模块和泵浦激光模块，所述驱动激光模块和泵浦激光模块共用一个激光源，所述驱动激光模块包括倍频系统、压缩系统、展宽系统和脉冲堆积系统；
14、当所述电子枪为高重频电子枪时，所述激光源产生的分束激光传输至所述驱动激光模块产生驱动激光，所述驱动激光通过由透镜组成的像传递系统照射在所述高重频电子枪的阴极位置产生所述初始电子束，并基于光电发射原理产生电子；当所述电子枪为直流电子枪时，无需驱动激光模块，直接通过场致发射产生电子；
15、所述泵浦激光模块，用于将所述激光源产生的分束激光通过所述泵浦激光模块产生泵浦激光并聚焦到待探测的样品上，通过调整延迟线使得所述泵浦激光和初始电子束在到达样品时同步。
16、进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述同步定时模块，包括信号分布系统、低电平系统以及激光微波同步系统；
17、所述参考信号分布系统，用于为基于高重频微波加速的高能电子显微系统提供时钟信号；
18、所述低电平系统，用于利用电子枪的信号采集端口将监测到的电子枪的微波相位和幅值作为低电平的反馈信号，调节低电平输出种子微波的相位和幅值；
19、所述激光微波同步系统，用于使得所述激光模块中的驱动激光和泵浦激光与馈入电子枪的微波相位同步。
20、进一步地，在本专利技术的一个实施例中，当所述电子枪为高重频电子枪时所述功率源模块包含为微波系统，所述微波系统包括固态放大器、高压调制器和速调管；所述低电平系统输出低功率的种子微波，经固态放大器放大产生第一微波，将第一微波和调制器的高压同时馈入速调管中，经速调管输出兆第二微波，所述第二微波经波导、四端环流器、波导耦合器后馈入电子枪或加速管，形成谐振的加速电场以加速电子；
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【技术保护点】
1.一种基于高重频微波加速的高能电子显微系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：激光模块，所述激光模块，包括驱动激光模块和泵浦激光模块，所述驱动激光模块和泵浦激光模块共用一个激光源，所述驱动激光模块包括倍频系统、压缩系统、展宽系统和脉冲堆积系统；
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述同步定时模块，包括信号分布系统、低电平系统以及激光微波同步系统；
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当所述电子枪为高重频电子枪时所述功率源模块包含为微波系统，所述微波系统包括固态放大器、高压调制器和速调管；所述低电平系统输出低功率的种子微波，经固态放大器放大产生第一微波，将第一微波和调制器的高压同时馈入速调管中，经速调管输出兆第二微波，所述第二微波经波导、四端环流器、波导耦合器后馈入电子枪或加速管，形成谐振的加速电场以加速电子；
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子束加速模块电子束加速模块，包括多段的加速管；所述加速管工作在高重频模式下；
6.根据权利要求1所述的系统，其特征
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁透镜模块，包括聚光镜、物镜、投影镜和偏转线圈，其中，
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括样品支撑模块，所述样品支撑模块，用于对样品进行支撑、移动和冷却；
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器模块，包括多种可选探测器；在衍射模式下，使用磷光屏配合EMCCD相机记录电子信息；在STEM极低电荷量模式下，使用EMPAD探测器记录电子信息。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述束测模块，还用于在提拉装置上安装磷光屏和预设角度金属反射镜，并利用相机对电子横向分布状态进行观测，得到不同电子束横向分布情况；采用法拉第筒，通过示波器进行信号分析得到不同电子束的电荷量信息。
11.根据权利要求1-10任一一项所述的系统，其特征在于，电子枪模块、电子束加速模块、样品支撑模块和探测器模块处于超高真空环境中；其中，所述超高真空环境通过分子泵、离子泵和吸气泵构建。
12.一种应用于权利要求1所述的基于高重频微波加速的高能电子显微系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于高重频微波加速的高能电子显微系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：激光模块，所述激光模块，包括驱动激光模块和泵浦激光模块，所述驱动激光模块和泵浦激光模块共用一个激光源，所述驱动激光模块包括倍频系统、压缩系统、展宽系统和脉冲堆积系统；
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述同步定时模块，包括信号分布系统、低电平系统以及激光微波同步系统；
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当所述电子枪为高重频电子枪时所述功率源模块包含为微波系统，所述微波系统包括固态放大器、高压调制器和速调管；所述低电平系统输出低功率的种子微波，经固态放大器放大产生第一微波，将第一微波和调制器的高压同时馈入速调管中，经速调管输出兆第二微波，所述第二微波经波导、四端环流器、波导耦合器后馈入电子枪或加速管，形成谐振的加速电场以加速电子；
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子束加速模块电子束加速模块，包括多段的加速管；所述加速管工作在高重频模式下；
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量选择模块，包括二极铁组合和可...
【专利技术属性】
技术研发人员：李任恺，杜应超，王翼安，施嘉儒，李雪明，邓智，唐传祥，黄文会，陈怀璧，王宏伟，朱静，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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