[发明专利]一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置

说明书

技术领域

本发明涉及超快电子束动力学研究领域，尤其涉及一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置。

背景技术

自20世纪80年代开始，飞秒激光器的诞生使得超快分子反应动力学成为研究的热点，起初对于这些超快过程的探究大多采用时间分辨反射/透射光谱或拉曼光谱等全光学方法。这些方法固然能探测到原子分子结构变化的信息，但光谱与原子分子结构信息之间的关系至今仍未有全面的解释，这无疑增大了对瞬态快速反应动力学中结构变化信息的分析难度。此外，受到材料光学性质的影响，这些方法的适用范围有很大的局限性。而X射线衍射和超快电子衍射技术恰恰弥补了这一不足，衍射信息是分子结构的直观反映，它为直接研究某些复杂的超快反应过程提供了强有力的工具。其中超快电子衍射技术利用超快电子束作为探针，有着散射截面大、对样品损伤小以及易于控制等多重优点，近年来吸引了越来越多的关注并已在分子反应动力学、凝聚态物理以及材料科学方面显示出了其巨大的应用潜力。

超快电子衍射技术的关键在于如何获得超快电子脉冲，它决定了我们对微观世界的探测精度。一般，产生超短电子束最常见的方法是利用激光照射光电阴极发生外光电效应，释放电子。所产生的电子脉冲的电子束密度取决于激光脉冲的功率密度。这些电子从光阴极出射的瞬间，完全复制了入射激光的时域特性。但是随着电子束在空间的传播，电子之间的库仑斥力（空间电荷效应）开始发挥作用，使得电子束因彼此之间的排斥作用在横向和纵向上发生严重的展宽，如包含有10⁶电子数的电子脉冲经过几厘米的距离，其脉冲宽度将会由几百飞秒展宽至几个到几十个皮秒，脉冲横截面积从几十微米上升到几毫米，这无疑大大降低了探测的时空分辨率。为克服这一难关，国内外诸多研究小组（A.H.Zewail、R.J.Miller等）都在致力于进一步提高超快电子衍射系统的时间分辨率和空间分辨率，如Zewail小组采用减少脉冲电子束密度的方法获得了脉冲宽度在亚皮秒量级（100fs-500fs）的电子束 ，Miller工作组通过减小电子枪的长度以减少电子束的飞行距离的方法达到抑制电子束脉冲展宽的目的。虽然利用这些方法可以获得脉冲宽度较窄甚至飞秒量级的电子脉冲，但却是以牺牲脉冲电子数密度为代价的，如Zewail小组采用的每脉冲电子数只有3000-5000。而要获得一张清晰的衍射图像，至少需要10⁶个电子，这就需要采用多张图像积分的方法，且至少要对1000张图像进行积分处理，才能获得较好的信噪比。这无疑是浪费时间的，而且对于某些非可逆过程是不适用的，这就迫切要求电子脉冲不仅在时域上要达到要求，同时也要有足够的亮度来获得可供分析的衍射图像。

现有技术中，在电子束飞行过程中，空间电荷效应的存在使得电子束发散度逐渐增加，导致其在三维空间扩散开来，严重影响了电子束在横向和纵向上的脉冲宽度。传统装置中通过减少每脉冲电子数的方法抑制空间电荷效应，容易造成图像模糊和时间浪费，是研究超快物理化学以及生物过程的阻碍。

发明内容

本发明提供了一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置。该装置通过采用适当的加速电压、会聚磁透镜和射频电子压缩获得高时空分辨率且高亮度的电子束，使电子脉冲获得最佳状态，节省实验时间，并提高分别率。本发明克服了传统装置中通过减少每脉冲电子数的方法抑制空间电荷效应而造成的图像模糊和时间浪费，为研究超快物理化学以及生物过程提供了强有力的实验基础。

本发明提供一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置，包括：

入射窗片；

真空腔体与入射窗片通过密封部件连通；加速电极，加速电极固定于真空腔体内，由光阴极、栅网、阳极依次排列构成；

其中，入射窗片、光阴极、阳极和真空腔体同轴设置；

观察窗片设置在真空腔体的腔壁上；真空腔体的腔壁上还通过密封部件连通设置有分子泵，及与分子泵连通的前级干泵；

同轴套接有电子聚焦磁透镜的真空腔体，与上述真空腔体通过密封部件同轴连通，另一端与射频电子压缩腔通过密封部件同轴连通；

射频电子压缩腔的另一端与真空腔体通过密封部件同轴连通；

成对的X电子偏转板、成对的Y电子偏转板、成对的电子扫描板，从左至右依次固定于所述真空腔体内，且与真空腔体同轴设置；

电子聚焦磁透镜，其同轴套接在真空腔体外，可沿真空腔体轴向移动，电子聚焦磁透镜沿真空腔体轴向移动的距离为0-20mm；

射频信号发生装置，其与射频电子压缩腔连接。