[实用新型]一种太赫兹驱动电子脉冲加速的飞秒电子衍射装置

说明书

技术领域

本实用新型属于时间分辨电子衍射技术领域，具体涉及一种太赫兹驱动电子脉冲加速的飞秒电子衍射装置。

背景技术

电子自1897年由J.J.汤姆逊实验发现起，就不断地被科学家们研究并应用。1924年，德布罗意预测运动的电子也具有波动性，其波长为λ＝h/mv，短短三年之后(1927年)，分别由G.P.汤姆逊和C.J.戴维森-L.H.革末完成的两个独立的电子衍射实验均证实了电子的波动性(里程碑节点)，其奠定了采用电子探测物质结构的基础。自此，电子以探针的形式出现在历史大舞台。借助于80年代飞秒激光的出现，Williamson等人1984年首次完成了ps级泵浦探测电子衍射实验，观察到了激光诱导薄膜铝在20ps内熔化。随后，1999年诺贝尔奖得主Ahmed H.Zewail开创了气相超快电子衍射在飞秒化学中的应用先河(里程碑节点)。此后，飞秒电子衍射技术全面牢固地被确立为结构动力学研究的关键技术之一，其具有原子尺度的空间和时间分辨率，广泛地应用于化学、材料科学、凝聚态物理以及物理生物学中结构相变、电荷密度波(CDW)、非平衡纳米声子动力学等超快过程的研究。

兼具高亮度和高分辨的超短电子束是飞秒电子衍射技术的关键所在，它决定了可研究的超快过程的极限。该技术的时间分辨限制由能量弥散的程度和空间电荷效应共同决定。由于光电发射带来初始能量弥散，最终导致脉冲展宽，其在电子加速期间起决定性作用；同时，由于电子非中性粒子，不可避免地存在着电子间的库伦排斥，造成电子脉冲横向和纵向同时扩展，其在电子漂移期间尤为显著。为了弥补或者削弱以上两种展宽效应，可以增大加速场强或者缩短电子传播距离以及压缩电子脉冲等，由此出现了不同的飞秒电子衍射装置，当前典型的装置如下：

文献Harb M,Ernstorfer R,Hebeisen C T,et al.Electronically driven structure changes of Si captured by femtosecond electron diffraction[J].Physical review letters,2008,100(15):155504.涉及一种直流场加速飞秒电子衍射装置，采用紧凑型电子枪设计，阴极至样品间距仅为3厘米，极大地减小了电子传播距离，削弱了空间电荷效应的影响。该装置可在样品处获得包含6000电子的大小150微米、脉宽200飞秒的电子脉冲。但其高时间分辨却是以牺牲单脉冲电子数目为代价的，采用该结构很难获得单脉冲电子数目多于10⁴的飞秒电子脉冲。而对于一幅足够信噪比的衍射图像，往往需要10⁶以上个电子，这就需要长时曝光，多次积分。该过程十分耗时，且只适合可逆过程的研究。此外，由于真空击穿，该装置具有约为12MV/m的加速场强限制。

专利CN102592929A提供了一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置，属于射频压缩飞秒电子衍射装置。该装置利用与电子传输的方向平行的射频场使快电子减速、慢电子加速，最终达到压缩电子脉宽的效果。这种方法有效地抑制了空间电荷效应造成的电子脉冲纵向展宽。

文献Van Oudheusden T,Pasmans P,Van Der Geer S B,et al.Compression of subrelat ivist ic space-charge-dominated electron bunches for single-shot femtosecond electron diffraction[J].Physical review letters,2010,105(26):264801.利用射频压缩成功地产生了70飞秒且单脉冲电子数目约10⁶的电子脉冲，较之紧凑型飞秒电子衍射装置，电子亮度提升了约100倍，可进行不可逆过程的研究。但是，射频场与用于触发结构动力学的泵浦激光之间的相位抖动限制了仪器响应时间，导致最终的时间分辨限制在100飞秒以上。同时，射频压缩飞秒电子衍射装置利用高功率射频场，涉及昂贵的辅助系统和复杂的同步方案。