[发明专利]一种电子脉冲压缩系统

说明书

技术领域

本发明属于超快电子动力学研究领域，尤其涉及一种基于射频压缩技术的电子脉冲压缩系统。 

背景技术

在原子尺度下实现对物质微观瞬态结构的直接、实时探测是物理、化学以及生物学中的重要课题，它在时间和空间尺度上对所采用的研究方法和手段提出了极高的要求。目前可以同时满足高时间和空间分辨能力的仪器只有超快电子衍射和超快X射线衍射系统，其中超快电子衍射系统有着散射截面大、对样品伤害小以及造价低等优势受到了越来越多的青眯。时间分辨能力是超快电子衍射系统最重要的指标，其主要受限于电子脉宽。由于电子之间的库仑排斥作用，即空间电荷效应的存在，使得电子脉冲在传播过程中沿其飞行方向发生显著展宽，且电子密度越大，展宽效应越明显。降低脉冲电子个数可以减小空间电荷效应的影响，但较低的电子个数下要获得具有高信噪比的衍射图样，需要较长的积分时间，降低了实验效率，特别不利于非可逆动力学的研究。如何获得具有高亮度、窄脉宽的超快电子脉冲成为了超快电子衍射系统的核心难点和研究热点。 

加拿大多伦多大学Miller工作组采用超紧凑结构电子枪，缩短电子脉冲的传播距离，同时将阴阳极之间的加速电压提高至100～300keV以减小空间电荷力的影响(Rep.Prog.Phys.74：096101)。然而在短枪结构上施加过高的电压极易引起放电现象，使得实验难以顺利开展。美国布鲁克海文国家实验室王西杰工作组提出了利用微波电子枪将电子能量提高到MeV，使得电子速度趋于光速，达到相对论量级，从而实现对空间电荷效应的抑制(J.Korean Phys.Soc.48：390)。但MeV能量下电子的德布罗意波长过短，导致其与样品散射截面较小，所产生的衍射图样质量明显不如keV能量的电子，且高能电子脉冲本身会对衍射样品以及探测器造成不可逆的损害。南非斯坦陵布什大学Schwoerer等人设计了反射式色散补偿电子脉冲压缩枪(J.Appl.Phys.105：113111)，在传统的直流加速电子枪中引入了两个弯转磁铁和一个电场反射器，使得脉冲前沿的快电子经历的行程最长而后端的慢电子经历的行程最短，从而在后续传播过程中实现对电子脉冲的压缩。然而该方法需要引入较多的电磁场元件，对电子枪结构的设计提出了较高的要求。 

德国马克斯普朗克量子光学研究所Veisz等人提出了采用时变电磁场实现对电子脉冲的压缩、设计了柱形结构的射频压缩腔、并模拟了电子脉宽随传播距离的演化(New J.Phys.9：451)。这种传统柱形射频腔结构简单、制作便捷，然而其品质因数低，需要＞2kW的输入功率才能获得足够强度的轴向压缩电场，为信号源的设计带来了困难。 

发明内容

本发明克服了现有技术中上述缺陷，提出了一种电子脉冲压缩系统。本发明电子脉冲压缩系统优化了射频腔的结构，使其品质因数增加了一倍，提高了功率转换效率，节约了其激励源的成本。此外，射频电场与电子脉冲间的时间抖动是影响压缩效果的主要因素，本发明电子脉冲压缩系统将射频信号的相位锁定于飞秒激光振荡器，更方便地实现了射频电场与飞秒激光脉冲的相位锁定。 

本发明提供一种电子脉冲压缩系统，包括：相位锁定射频信号装置，其产生正弦连续射频信号；大功率脉冲固态射频放大装置，其与所述相位锁定射频信号装置连接，用于对所述正弦连续射频信号进行功率调节、脉冲调制、移相以及功率放大处理，产生高功率脉冲射频信号；及射频压缩腔，所述高功率脉冲射频信号以磁耦合的方式耦合至所述射频压缩腔内，在所述高功率脉冲射频信号的激励下产生时变电场，对通过其内部的电子脉冲实现预补偿压缩。 

本发明提供一种电子脉冲压缩系统，所述相位锁定射频信号装置包括：基频信号源，其提供基频信号及其系列谐波信号；倍频带通放大器，其对所述基频信号进行倍频，滤波与带通放大处理，产生所述正弦连续射频信号传输至所述大功率脉冲固态射频放大装置。所述相位锁定射频信号装置利用五倍频信号锁定于飞秒激光振荡器，可实现射频信号相位与飞秒激光脉冲的精密锁定。 

本发明提供一种电子脉冲压缩系统，所述基频信号的频率范围为76～82MHz，所述系列谐波信号的带宽为1GHz。 

本发明提供一种电子脉冲压缩系统，所述正弦连续射频信号的频率范围为3040～3280MHz，功率为+10dBm。 

本发明提供一种电子脉冲压缩系统，所述倍频带通放大器包括五倍频带通放大单元与八倍频带通放大单元。