超快无透镜相干电子衍射成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超快无透镜相干电子衍射成像方法及装置，通过与过程激发源（如飞秒激光脉冲）精确同步的电子脉冲和无透镜相干衍射成像技术相结合，分析被衍射的相干电子脉冲的强度分布，反演计算确定电子散射相位，实现三维瞬态原子尺度的结构和形貌重构，解决传统的电子显微成像方法不具有高时间分辨能力或目前的超快电子成像时间和空间分辨率受限的技术困境。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及时间分辨的电子显微成像，特别是一种具有优于I皮秒时间分辨率和优于I纳米空间分辨率的超快无透镜相干电子衍射成像方法及其可能的相应装置。
技术介绍
本专利技术涉及的
技术介绍
分为两方面； 一、电子显微镜的时间和空间分辨率问题传统的电子显微成像通过提高电子加速电压、使用电磁透镜、提高电子源的品质三个主要方向，其空间分辨率的提高已经几近极限。 由于传统的电子显微成像一般是时间累积的形貌成像，无法对物理、化学、生物等各领域中的过程进行高时间分辨成像。因此，在传统的电子显微成像技术中引入时间分辨能力，是当今世界科技发展的前沿。已有的时间分辨电子成像系统中，比较典型的有美国加州理工学院(Caltech)Zewail 研究组的超快电子显微镜(ultrafast electron microscopy,UEM)，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)Campbell研究组的动态透射电子显微镜(dynamic transmission electron microscope, DTEM)。在这些时间分辨电子成像系统中，从衍射空间(即倒空间)到实空间的电子成像是通过电磁物镜主导的傅里叶变换实现的，由于电子经过样品后使用电磁物镜进行成像，损失了电子的相位信息，因此这些系统在空间分辨率和时间分辨率的提高上都受限。一方面，电子束的电磁透镜成像的空间分辨率提高有两个重大技术困难一是要求透镜的像差极小，否则相位误差将引入到衍射波中，无法获得清晰像，对于电子透镜成像和X射线波带片成像，实现这一点极端困难；二是整个实验装置必须足够稳定，从而位于衍射平面边缘的大角度电子仍然可以在像平面相干干涉。所以，即使通过复杂的像差矫正，一般电子透镜的可用角度范围也仅仅在1-2度，这种动量空间(换句话说，透镜可以接纳入射电子束的最大散射范围)的限制严重地影响了空间分辨率。另一方面，由于电子作为带电粒子会相互排斥，经过电磁透镜的长距离飞行过程中，电子脉冲宽度会展宽，从而导致时间分辨率降低。二、相干无透镜衍射成像它借助于理论方法和计算机算法解决周期和非周期结构样品中衍射的相位问题，在X射线领域被称为相干X射线衍射成像(coherent x-raydiffractive imaging, CXDI)。人们很早就意识到可见光领域的相位问题,瑞利在给迈克耳逊的一封信中曾经评论说，如果没有数据对称性的相关信息，干涉中的相位问题是无法解决的。相位问题成功解决归功于D. Sayre,他在1952年指出应该考虑Shannon的取样理论和布拉格定律间的关系[Acta Crystallogr. 5, 843(1952)]。其后，Gerchberg和Saxton第一次编写出了恢复相位的算法[Optik 35,237(1972)]。这种算法常被称为hybrid input - output (HIO) algorithm [Appl. Opt. 21, 2758 (1982)]:对一个原函数在实空间和傅里叶空间反复迭代，每一次迭代都对实空间或者傅里叶空间加边界条件。此领域在1990年前后开始得到快速发展，其中苗建伟等人1999年首次在软X射线波段进行了实验验证[Nature 400, 342(1999)];随后左建明等人2003年率先发表了电子相干无透镜衍射成像的实验研究成果[Science 300, 1419(2003)], 2008年朱溢眉等人提出“位置敏感衍射成像”(position-sensitive diffractive imaging, PSDI)用于电子的相干无透镜衍射成像。在过去的20年间，这项技术从结晶学外延到对非晶样品的高分辨率成像，并得到广泛应用[Adv. Phys. 59，I (2010)]。相干电子衍射成像的基本原理是利用拟合电子衍射的衍射强度，通过逆向演算找回由于缺少物镜所丢失的样品相位信息。基于电子衍射的相干无透镜成像，对装置的高稳定性的要求和对入射束的能散要求相对放松。相干成像无需物镜，直接利用光敏薄膜或者电荷耦合元件(CCD)探测器记录衍射图样的强度。衍射成像的优势在于干涉条件是否满足仅仅决定于样品内部本身的散射，不要求电子束流在传输系统中长距离漂移后再干涉。然而与传统电子显微成像类似，该方法还不具有时间分辨能力。因此传统的电子显微成像技术，主要存在如下技术问题I.无时间分辨能力或时间分辨率受限。2.空间分辨率低实空间像的空间分辨率受物镜的质量(如像差和色差等)制约， 通过采用高质量的电磁物镜提高空间分辨率的成本高。3.提高时间分辨率的成本高尽管可以通过采用兆电子伏特电子脉冲来抑制电子脉冲飞行过程中的展宽问题，从而提高时间分辨率，但电磁物镜的成本与聚焦电子束的能量一般成正比关系(大约人民币40元每电子伏特)，将极大程度地增加成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种超快无透镜相干电子衍射成像方法及装置。超快指相对于传统的电子显微成像技术，具有高时间分辨率，特指可实现优于I皮秒的时间分辨率。它通过与过程激发源(如飞秒激光脉冲)精确同步的电子脉冲和无透镜相干衍射成像技术相结合，分析被衍射的相干电子脉冲的强度分布，反演计算确定电子散射相位，实现三维瞬态原子尺度的结构和形貌重构，解决传统的电子显微成像方法不具有高时间分辨能力或目前的超快电子成像时间和空间分辨率受限的技术困境。本专利技术的技术解决方案如下 一种超快无透镜相干电子衍射成像方法，其特点在于该方法结合泵浦-探测技术和无透镜相干电子衍射成像，以同时实现超高时间分辨和超高空间分辨的瞬态成像；该方法采用与过程激发脉冲精确同步的高亮度相干电子脉冲作为探测源；探测电子经过样品后不经过任何电子光学系统(即电磁透镜)，直接由探测系统收集相干电子衍射成像图样，从而保持电子的散射相位信息；该方法从所述的相干电子衍射成像通过数据处理和三维重构系统利用现有的反演计算方法计算电子的散射相位信息，实现三维瞬态原子尺度的结构和形貌重构。实施上述超快无透镜相干电子衍射成像方法的超快无透镜相干电子衍射成像装置，由过程激发源、脉冲电子系统、脉冲电子控制系统、样品、探测系统、数据处理和三维重构系统和高真空样品靶室组成，上述元部件的功能和位置关系如下 所述的脉冲电子系统、脉冲电子控制系统、样品和探测系统置于所述的高真空样品靶室内，样品置于高真空样品靶室内的五维调整架上，其中所述的脉冲电子系统由脉冲电子源及其加速、整形元件组成；所述的过程激发源产生过程激发脉冲，输入所述的高真空样品靶室激发位于所述的五维调整架上的样品。所述的脉冲电子源产生与所述的过程激发脉冲精确同步的电子脉冲，该脉冲电子经过加速、整形成为高亮度相干的脉冲电子束，其中空间相干长度优于50纳米，时间相干长度优于50纳米；经过所述的脉冲电子控制系统聚焦照射在处于高真空样品靶室内的被过程激发脉冲激发的样品区域，被所述的样品衍射后，形成一系列相互耦合的、或者相互重叠的衍射图样；该衍射图样由所述的探测系统接收，包括布拉格衍射峰以及布拉格峰间的干涉信息；输入所述的数据处理和三维重构系统，通过在线快速傅里叶方法，从衍射图样中找回相位。 所述的过程激发源包括飞秒激光光源、分束镜、由第一激光伺服反射镜、第二激光伺服反射镜和第一平移台构成的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超快无透镜相干电子衍射成像方法，其特征在于：该方法结合泵浦？探测技术和无透镜相干电子衍射成像，以同时实现超高时间分辨和超高空间分辨的瞬态成像；该方法采用与过程激发脉冲精确同步的高亮度相干电子脉冲作为探测源；探测电子经过样品后直接由探测系统收集相干电子衍射成像图样，从而保持电子的散射相位信息；该方法从所述的相干电子衍射成像通过数据处理和三维重构系统利用现有的反演计算方法计算电子的散射相位信息，实现三维瞬态原子尺度的结构和形貌重构。

【技术特征摘要】
1.一种超快无透镜相干电子衍射成像方法，其特征在于该方法结合泵浦-探测技术和无透镜相干电子衍射成像，以同时实现超高时间分辨和超高空间分辨的瞬态成像；该方法采用与过程激发脉冲精确同步的高亮度相干电子脉冲作为探测源；探测电子经过样品后直接由探测系统收集相干电子衍射成像图样，从而保持电子的散射相位信息；该方法从所述的相干电子衍射成像通过数据处理和三维重构系统利用现有的反演计算方法计算电子的散射相位信息，实现三维瞬态原子尺度的结构和形貌重构。2.根据权利要求I所述的超快无透镜相干电子衍射成像方法，其特征在于采用高亮度的相干电子束，其空间相干长度优于50纳米，时间相干长度优于50纳米，作为探测源和紧聚焦电子光学，保证电子散射相位的反演，从而使该技术可实现优于I纳米的空间分辨率。3.根据权利要求I所述的超快无透镜相干电子衍射成像方法，其特征在于，采用与过程激发脉冲精确同步的超短电子脉冲作为探测源；通过控制过程激发脉冲、探测电子脉冲宽度以及两者之间的同步精度均在I皮秒以下，可以实现优于I皮秒的时间分辨率。4.电子脉冲的脉冲宽度、过程激发源的脉冲宽度、电子脉冲是与过程激发源的同步精度等决定了该方法的时间分辨率。5.实施权利要求1-3任一项所述的超快无透镜相干电子衍射成像方法的超快无透镜相干电子衍射成像装置，其特征在于，该装置由过程激发源(01)、脉冲电子系统(02)、脉冲电子控制系统(03)、样品(04)、探测系统(05)、数据处理和三维重构系统(06)和高真空样品靶室(07)组成，上述元部件的功能和位置关系如下 所述的脉冲电子系统(02)、脉冲电子控制系统(03)、样品(04)和探测系统(05)置于所述的高真空样品靶室(07)内，样品(04)置于高真空样品靶室(07)内的五维调整架上，所述的脉冲电子系统(02)由脉冲电子源及其加速、整形机构组成，所述的过程激发源(01)产生过程激发脉冲，输入所述的高真空样品靶室(07)激发位于所述的五维调整架上的样品(04)； 所述的脉冲电子源产生与所述的过程激发脉冲精确同步的电子脉冲，该脉冲电子经过加速、整形成为高亮度相干的脉冲电子束，经过所述的脉冲电子控制系统(03)聚焦照射在处于高真空样品靶室(07)内的被过程激发脉冲激发的样品区域，被所述的样品衍射后，形成一系列相互耦合的、或者相互重叠的衍射图样；该衍射图样由所述的探测系统(05)接收，包括布拉格衍射峰以及布拉格峰间的干涉信息；输入所述的数据处理和三维重构系统(06)，通过在线快速傅里叶方法，从衍射图样中找回相位。6.根据权利要求2所述的超快无透镜相干电子衍射成像装置，其特征在于所述的过程激发源(01)包括飞秒激光光源(I)、分束镜(2)、由第一激光伺服反射镜(3)、第二激光伺...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洁，王西杰，陈明伟，朱溢眉，朱鹏飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：