[发明专利]一种超快电子脉冲宽度测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及超快电子动力学研究领域，尤其涉及一种超快电子脉冲宽度测量系统。

背景技术

自然界中许多物理、化学、以及生物学的现象都具有微观、超快的特点，探测这些现象发生的过程需要同时具有极高的空间分辨率和时间分辨率的探测仪器，超快电子衍射就是非常有效的手段之一。其空间和时间的分辨率分别取决于电子的德布罗意波长和纵向脉冲宽度，因此测量电子脉宽对于超快电子衍射的时间分辨率具有重要意义。

最传统的电子脉宽测量方法是条纹相机法(Rev.Sci.lnstrum.71,3627)。在需要测定电子脉宽的场合，利用光导开关，当电子到达偏转板位置时，在偏转板上加载一快速上升的斜坡扫描电压，使得电子脉冲在纵向上的时间特性转化为空间上的距离进行测量。该方法虽然设计结构简单，但是也有是有弊端存在的。首先，扫描板长度通常为几个厘米，高亮度的电子脉冲在经过扫描板的过程中会发生显著展宽，使得测量结果的准确度下降。其次，对于经过射频压缩的电子脉冲，最佳压缩位置与偏转版不在同一位置，测量结果需要通过合理计算才能得出，无法实现对脉宽的直接测量。最后，受到光导开关自身性能的影响，使得扫描电压难以达到测量要求。加拿大多伦多大学Miller工作组提出了利用有质动力的方法进行电子脉冲宽度的测量(Opt.Express20,12048)，该方法通过激光有质动力直接与电子脉冲相互作用实现，可用于射频压缩后高亮度电子脉冲宽度测量，但是对激光功率密度有极高的要求，很多实验室的激光器无法达到要求。加州理工学院Zewail课题组于2006年提出了采用自相关的方法实现电子脉宽的测量(Proc.Nalt.Acad.Sci.USA103,16105)，该方法将电子分成两路具有相同时域特性的电子脉冲，改变两者的时间延迟观察电子相互作用的现象来测量电子的脉宽。该方法实现起来比较方便，可以测量低亮度和高亮度的电子脉冲宽度，但是由于改变时间延迟使得两路电子过射频压缩腔时的相位不同导致压缩效果不同，因此不能测量射频压缩后的电子脉冲宽度。

发明内容

本发明克服了传统的条纹相机受限于光导开关的工作效率使得电压上升不够快或不够强的缺点以及自相关法不能测压缩后电子脉宽的缺陷，提出了一种超快电子脉冲宽度测量系统。

本发明提出了一种超快电子脉冲宽度测量系统，包括：基频信号装置、脉冲射频发射装置和射频偏转腔；所述基频信号装置生成一个相位锁定的正弦连续波信号；所述脉冲射频发射装置与所述基频信号装置连接，其对所述正弦连续波信号进行放大与调制，得到大功率脉冲射频信号；所述射频偏转腔与所述脉冲射频发射装置连接，所述大功率脉冲射频信号通过电耦合的方式被耦合至所述射频偏转腔中形成时变磁场；超快电子脉冲被发射为穿过所述时变磁场，所述超快电子脉冲的传播方向与所述时变磁场的传播方向垂直，使得所述超快电子脉冲的纵向脉宽转化为横向偏转距离，以实现测量所述超快电子脉冲的脉宽。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述基频信号装置包括激光信号源、同步电信号转换单元及前置放大单元；所述激光信号源用于射出相位锁定的激光信号；所述同步电信号转换单元与所述激光信号源连接，用于将所述激光信号转换为同步电信号；所述前置放大单元与所述同步电信号转换单元连接，用于将所述同步电信号放大为相位锁定的正弦连续波信号。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述正弦连续波信号的带通频率为380～410MHz和760～820MHz。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述脉冲射频发射装置包括调制信号单元、变频及前级驱动单元与功率放大合成单元；所述调制信号单元生成脉冲电信号作为调制信号；所述变频及前级放大单元与所述调制信号单元连接，用于将所述正弦连续波信号进行变频及预放大之后，根据所述调制信号对所述正弦连续波信号进行调制得到脉冲射频信号；所述功率放大合成单元与所述变频及前级放大单元连接，用于将所述脉冲射频信号进行放大得到大功率脉冲射频信号。

本发明提出的超快电子脉冲宽度测量系统中，所述大功率脉冲射频信号的频率带宽为6080～6450MHz，输出峰值功率范围0.01kW～1kW，相位范围0～360°，脉冲宽度范围0.2μs～100μs，输出功率稳定度≤1％，脉冲相位稳定度≤0.1°，脉冲抖动≤1％，相位移动粗调精度为10°，相位移动细调精度为0.2°，脉宽调节精度为0.05μs，占空比≤10％，脉冲上升沿和下降沿均≤100ns。