[实用新型]一种超紧凑型飞秒电子衍射装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及电子衍射技术领域，具体涉及一种超紧凑型飞秒电子衍射装置。

背景技术

在上世纪90年代Ahmed Zewail等人的大量开创性工作基础上，具备原子级时空分辨能力的超快电子衍射(UED)已被广泛应用于化学反应、结构相变、电荷密度波以及蛋白质功能等超快结构动力学研究。

这项技术最主要的特性是系统的时间分辨能力，其影响因素有：泵浦激光脉宽、速度失配和探测电子脉宽等，其中空间电荷引起的超快探测电子脉冲的纵向展宽Δt对系统的时间分辨起到决定性作用，可表示为下式：

式中m为电子质量，e为电子电荷量，N为电子脉冲中电子个数，v是电子脉冲速度，t为电子漂移时间，r为电子脉冲横向半径，ε₀是介电常数。

尽管近年来各国研究人员一直致力于提高超快电子衍射(UED)的时间分辨率，其性能和潜力仍受到空间电荷引起的超快电子脉冲纵向展宽的限制。

从式中可以看出减小空间电荷效应的方法有：

其一，减少单脉冲电子数目以削弱或者消除这一展宽，如文献Lahme S,Kealhofer C,Krausz F,et al.Structural Dynamics,2014,1(3):034303.，然而，为了获得足够信噪比的衍射图像，必须要收集到大量的电子(典型地>10⁶)，极少的单脉冲电子数目会导致数据获取时间过长。

其二，增加电子能量至MeV范围来提升电子脉冲速度以最小化电子漂移时间从而减小库伦相互作用时间，如文献Zhu P,Zhu Y,Hidaka Y,et al.New Journal of Physics,2015,17(6):063004.，然而，如此高能量的电子不仅会造成散射截面减小，还会引起许多样品的辐射损伤。

其三，目前降低空间电荷效应的主要且最实用的方法是减小电子脉冲传播距离以降低电子脉冲漂移时间。

多伦多大学Miller课题组采用基于此思想的紧凑型电子枪设计，将原本在真空腔室外部真空管道上的磁透镜引入到真空腔室内部且压缩其电子传播方向的长度最终将阴极至样品间距缩短至3厘米以下，相较于传统的UED装置阴极至样品之间大于10厘米的间距，大幅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，如文献Sciaini G,Miller R J D.Reports on Progress in Physics,2011,74(9):096101.。

又如中国专利ZL 200510066313.8提出的一种飞秒电子衍射装置，其具有简单的电子光学结构和较好的时空分辨。

但磁透镜存在于阴极和样品之间限制了其性能的进一步提升，磁透镜本身以及磁透镜本身所占的空间均会造成电子脉冲展宽。

再如Ernstorfer课题组在Miller课题组的基础上进行了进一步的优化，将磁透镜放置在样品之后，如文献Waldecker L,Bertoni R,Ernstorfer R.Journal of Applied Physics,2015,117(4):044903.，电子脉冲未经聚焦就直接入射到样品发生衍射，而后经位于样品后的磁透镜聚焦至探测器，该设计进一步减小了电子束传播距离，使得库伦排斥造成的展宽大幅减小。但是阳极本身的厚度以及阳极与样品之间的间距使得该装置的阴极至样品之间仍有相当的距离，同时很难实现将磁透镜耦合进真空腔室后仍保持超高真空环境。

综上所述，尽管过去三十年发展了多种超快电子衍射装置用于减小电子脉冲纵向扩展以提高时间分辨能力，但是目前仍然难以突破100飞秒级时间分辨。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有超快电子衍射装置难以突破100飞秒级时间分辨的技术问题，提供一种超紧凑型飞秒电子衍射装置。