一种分子四维成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于飞秒电子衍射的分子四维成像系统，其包括飞秒电子枪系统、超声分子束系统、样品室、离子速度成像系统、真空系统和相关校正调节系统。本发明专利技术通过高压电极加速和磁透镜聚焦获得了飞秒电子脉冲，该电子脉冲与超声分子束作用可获得直接的、实时的分子衍射图像。本发明专利技术通过集成离子速度成像技术获得解离碎片的速度分布和角分布参数等辅助分析信息，可以更好地解析和指认复杂的分子动力学过程的电子衍射图像。本发明专利技术具有较高的时间分辨能力和空间分辨能力，在离子速度成像技术的辅助下，可以方便地解析出飞秒时间分辨、原子尺度空间分辨的分子四维动态图像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种成像系统，尤其涉及一种用于研究分子超快反应过程的基于飞秒电子衍射的分子四维成像装置。
技术介绍
自然界中的众多基本物理、化学和生物过程通常在超短时间内完成的。如物质相变通常发生在纳秒或者皮秒量级，化学反应中反应中间体的产生和消失是飞秒量级的，蛋白质分子的裁剪是发生在微秒量级的。而这些超快物理、化学和生物动力学过程中包含大量对于认识微观世界、物质变化规律十分重要的信息。相对于传统光谱学的方法间接的得到物质的结构变化，超快电子衍射和X射线衍射可以直接的获得分子反应的动态过程，有利于直观地的深刻地研究超快动力学过程。 超快时间分辨的电子衍射可以实时提供物理、化学和生物性质方面的直观信息，其可以完全满足研究超快反应过程对于皮秒和飞秒尺度时间分辨和原子尺度空间分辨的结构变化过程的需求。超快电子衍射相对于X射线衍射的优势在于首先，完全复制了入射超快激光时域特性的飞秒量级的电子束可以较容易的通过飞秒激光背入射光阴极产生外光电效应来产生。相较于设备复杂昂贵的X射线衍射，电子束的产生不需要价格昂贵的大型装置，成本低，且准直和聚焦比较简单。一方面，电子受到原子核和散布电子的散射(库仑散射)，而X射线只被散布电子散射(汤姆孙散射)。故电子散射的截面积比X射线散射大约6个数量级，需要较短的曝光时间(I秒相对于X射线的20小时)。另一方面，与X射线相t匕，电子对样品伤害较小。因此，时间分辨的电子衍射是研究表面性质、气体和薄膜的结构、分子结构变化等方面重要的，不可或缺的研究手段。在超快电子衍射领域，加州理工大学的Zewail为飞秒化学奠定了基础并且因此贡献在1999年获得了诺贝尔化学奖。2001年，Zewail小组报道了通过对飞秒气相电子衍射的衍射图的分析，直观揭示了气相分子与飞秒泵浦激光作用的整个过程，并发现了寿命超短(约数皮秒)、以往无法直接判断而只能猜测的气相分子反应中间体，展示了飞秒电子衍射在研究超快反应过程中的显著优势。另一方面，2003年多伦多大学的Miller小组报道了多晶铝薄膜的飞秒固体电子衍射，直观描述了非极性金属薄膜受到飞秒激光激发而熔解的整个过程，发现其固液转换发生在3. 5ps，证明了其熔解过程符合双温模型。目前超快电子衍射的主要困难在于，从光阴级出射的电子束会受到电子之间存在的强烈库仑力作用，其引起的空间电荷效应将导致飞秒电子脉冲的展宽，极大降低了电子衍射的时空分辨率。为了克服这一难关国内外的研究团队提出了数种有效的解决方案加拿大多伦多大学的Miller小组在电子枪阴阳两极施加30_100KeV高电压以减少电子脉冲飞行的时间，并且尽可能减小样品到阳极的距离来减少电子从产生到样品的时间，以减少空间电荷效应对电子脉宽的影响；美国加州理工的Zewail为了避免电子空间电荷效应用飞秒激光产生每个脉冲只有一个电子的电子束。超快电子衍射另一个困难在于，分子与高强度飞秒激光作用后的解离和多光子吸收过程非常的复杂，因此其相关的飞秒电子衍射的图像分析和指认难度非常大，而离子速度成像技术可为图像解析和指认提供丰富的辅助信息以更好的解析分子结构变化。离子成像方法是由David ff. Chandler和Paul L. Houston在1987年发展起来的一种重要实验方法，但是一直受到平动能分辨较低的困扰。而随着Parker和Eppink在1997年提出速度成像技术，离子速度成像成为研究光解动力学的主要方法。该技术是在飞行时间质谱的基础上加上了中间有圆孔的极板组成离子透镜，可以将产生在不同空间位置但是速度相同的离子投影在同一个点，再通过荧光板，最后由CCD相机采集碎片三维分布在二维投影。该投影通过反Abel变化、傅立叶变换、Sheep-Longan过滤器方法和直接反推法可以将二维投影重构为三维图像。在21世纪切片成像法成为新的研究光解动力学的重要方法。通过对“赤道截面”的切片成像可以避免对图像三维的重构，同时也可以避免人工噪声的引入。由于宽频谱、高强度飞秒激光脉冲与分子体系非线性相互作用产生若干复杂分子动力学过程，相关的飞秒电子衍射图像非常复杂，图像解析和指认难度非常大。
技术实现思路
本专利技术提供一种分子四维成像系统，由集成的离子速度成像技术获得的解离碎片 的速度分布和角分布参数，可以为图像解析和指认提供丰富的信息，从而大大提高仪器解析能力。飞秒电子衍射系统获得直接的、实时的分子结构变化的衍射图像，同时结合离子速度成像系统获得用于辅助图像解析指认的丰富信息，可以较容易的解析出飞秒时间分辨、原子尺度空间分辨的分子四维动态图像。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下 本专利技术提出了一种分子四维成像系统，其包括样品室，其分别与电子枪、离子速度成像装置、超声分子束产生装置连通； 所述样品室与分子泵连通，所述分子泵与前极干泵连通； 所述样品室设置有至少I个入射窗口； 其中所述电子枪、所述离子速度成像装置、所述超声分子束产生装置分别的入射轴相交在所述样品室的同一点上； 设直在样品室外的中心波长800nm的飞秒激光束，所述中心波长800nm的飞秒激光束入射到所述电子枪、所述离子速度成像装置、所述超声分子束产生装置分别的入射轴相交的所述样品室中的所述点上。本专利技术的分子四维成像系统中，所述电子枪、所述离子速度成像装置、所述中心波长SOOnm的飞秒激光束在同一平面上，所述超声分子束产生装置与所述电子枪、离子速度成像装置、中心波长SOOnm的飞秒激光束三者所在的平面垂直；所述电子枪与所述离子速度成像装置呈45度角设置，所述中心波长SOOnm的飞秒激光束与所述电子枪呈90度角设置。本专利技术的分子四维成像系统中，所述电子枪包括中心波长266nm的飞秒激光束，设置在所述中心波长266nm的飞秒激光束前的入射窗口 ；与所述入射窗口连通的真空腔体，所述真空腔体连通设置有分子泵，所述分子泵连通有前极干泵；相对所述入射窗口，由近及远，在所述真空腔体中，依次平行设置有光阴极、栅网、阳极，所述入射窗口、所述真空腔体、所述光阴极、所述栅网、所述阳极同轴设置；真空腔体，其两端分别与真空腔体和所述真空腔体同轴连通；磁透镜，其同轴套接在所述真空腔体外，可沿所述真空腔体轴向移动；相对所述真空腔体，由近及远，在所述真空腔体中，依次平行设置有一对X方向偏转板、一对Y方向偏转板、一对电子扫描板，且与所述真空腔体同轴设置，所述真空腔体与所述样品室连通。本专利技术的分子四维成像系统中，所述离子速度成像装置，包括飞行腔，与分子泵连通设置，所述分子泵与前极干泵连通设置；设置在飞行腔一端的与之连通的真空腔体，设置在所述真空腔体外侧的波纹管及可调节模块； 在所述真空腔体中，相对飞行腔，由远及近，依次平行设置第一极板、第二极板、第三极板、第四极板、漂移极极板组，且与所述真空腔体同轴设置，所述真空腔体与所述样品室连通， 所述波纹管通过所述可调节模块调节位置以控制所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板、所述第四极板、所述漂移极极板组的相对位置。本专利技术的分子四维成像系统中，所述超声分子束产生装置，包括样品气源，通过 第一减压阀与载气管连通；惰性气体载气源，通过第二减压阀与所述载气管连通，所述载气管插入真空腔体中，与脉冲阀连通；漏勺相对所述脉冲阀平行设置，设置在所述真本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分子四维成像系统，其特征在于，包括：样品室（21），其分别与电子枪（44）、离子速度成像装置（45）、超声分子束产生装置（46）连通；所述样品室（21）与分子泵（19）连通，所述分子泵（19）与前极干泵（20）连通；所述样品室（21）设置有至少1个入射窗口；其中所述电子枪（44）、所述离子速度成像装置（45）、所述超声分子束产生装置（46）分别的入射轴相交在所述样品室（21）的同一点（47）上；设置在样品室（21）外的中心波长800nm的飞秒激光束（18），所述中心波长800nm的飞秒激光束（18）入射到所述电子枪（44）、所述离子速度成像装置（45）、所述超声分子束产生装置（46）分别的入射轴相交的所述样品室（21）中的所述点（47）上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江熠峰，曹琦，李静，杨岩，仝艳丽，裴敏洁，周彬，陈瑜婷，邓莉，张诗按，孙真荣，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：