[发明专利]基于激光等离子体驱动的超快电子衍射装置

说明书

技术领域

本发明涉及电子衍射装置，具体涉及一种基于激光等离子体驱动的超快电子衍射装置。

背景技术

在原子分子以及物质结构研究中，由于电子的德布罗意波长远小于光波的波长，采用电子衍射作为探测手段代替传统光学显微镜极大的提高了空间分辨率。超快电子衍射由于同时具有高的空间分辨率和时间分辨率，近年来成为结构动力学研究的重要实验手段，在物理、化学以及生命科学领域应用广泛。超快电子衍射实验中，时间分辨率取决于电子束的脉冲宽度，空间分辨率取决于电子束的能量以及能散，而电子束所包含的电荷量决定了是否能获得足够的样品信息。因此，高品质电子束的产生与控制是超快电子衍射实验的核心。

传统的超快电子衍射装置如图1所示，其采用的电子源是利用飞秒激光脉冲与光电阴极1相互作用，产生脉冲宽度为飞秒量级的超快电子脉冲。再经过阳极2加速和磁透镜3的聚焦，以及偏转系统4作用到样品5上，接收系统6记录的衍射信息包含样品时间与空间分辨的特征。然而由于电极产生电场的加速梯度较小，电子束在加速、聚焦、偏转、扫描过程中较长的运动距离将导致严重的空间电荷效应，使电子束的脉宽展宽，发散角增大，从而限制了单发电子束的时间以及空间分辨率；另一方面，通过减小电荷量可以降低空间电荷效应的影响，然而得不到足够的样品信息。同时该飞秒衍射装置整体往往比较庞大，造价高昂，也限制了其使用范围。

田野等人在文献：“Electron Emission at Locked Phases from the Laser-Driven Surface Plasma Wave”，Physics Review Letter,Vol.109,No.11,2012中提出了一种可以应用于超快电子衍射的电子源结构，是将一束飞秒激光与铝靶相互作用，在激光的反射方向将从靶表面的等离子体中加速并发射出电子。在这样的结构中，电子不需要经历阳极的加速以及偏转系统，降低了空间电荷效应的影响。但是由于出射电子能谱宽，电子束能散大，获得的电子束品质并不理想。

因此，本领域迫切需要研发一种可以实现高时间、空间分辨率，并且结构简单，体积小、成本低的超快电子衍射装置，使超快电子衍射进一步实际应用于医疗、科研等领域。

发明内容

本发明的目的是通过优化激光与固体靶作用产生的电子束品质，将其用作超快电子衍射的电子源，从而提供一种高时间分辨率、空间分辨率的超快电子衍射装置。它不仅能解决现有技术中电子源能散大，电子衍射图样变宽、时间分辨率降低的问题，还具有结构紧凑，建造成本低的优点。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于激光等离子体驱动的超快电子衍射装置，其特点在于，该装置包括：飞秒激光光源、靶室、样品控制器、电子束成像系统和真空泵；

所述的靶室是一个具有主脉冲入射窗口的筒状腔室，在所述的靶室中设有固体靶和聚焦系统，该聚焦系统由反射镜和离轴抛物面镜构成，所述飞秒激光光源出射的激光通过主脉冲入射窗口垂直入射到所述靶室中，经所述的反射镜和离轴抛物面镜聚焦到固体靶的表面；

在所述的固体靶激光的反射方向依次是电子束优化系统、控制样品底座和与所述靶室连接的电子束成像系统，在所述的控制样品底座上是样品台，该样品台供设置待测样品，从所述固体靶表面发射的电子束经过所述电子束优化系统入射到待测样品上；

所述的电子束成像系统依次由微通道板、荧光屏和CCD构成，所述的微通道板与所述的靶室相连通；

所述的真空泵通过插板阀与所述靶室连接；

所述的样品控制器通过控制电路经所述的靶室上的电路接口与所述的控制样品底座相连；

所述电子束优化系统包括：第一狭缝垂直放置在所述固体靶输出的电子束出射方向上；第一块二极磁铁的N极朝上，S极朝下，与所述的第一狭缝平行放置在电子入射方向的右侧；第二块二级磁铁的N极朝上，S极朝下，与所述的第一块二极磁铁以顺时针水平旋转5至15度角放置在电子入射方向的右侧，电子束首先入射进入所述的第二块二极磁铁；第二狭缝与所述的第二块二极磁铁平行放置在所述的第一块二极磁铁和第二块二极磁铁间远离入射电子方向的一侧，用于筛选出单能电子；一个磁透镜放置在所述第一块二极磁铁的电子出射方向，用于对出射的电子束进行聚焦。

所述的飞秒激光光源为短脉冲飞秒激光光源，激光束的脉宽为1至100飞秒，激光峰值功率为10-200拍瓦。

所述的飞秒激光光源输出的激光经所述的聚焦系统聚焦后，在所述的固体靶上的焦斑尺寸为3-25微米。

所述固体靶为平面铝靶、钨靶或金靶。