[发明专利]电子压缩感知超快成像装置及制备方法

说明书

本发明公开了一种电子压缩感知超快成像装置及制备方法，属于超快电子显微成像领域，装置包括：依次设置且密封连接的电子枪、测量腔、扫描腔和电子成像记录单元，以及样品架和扫描极板；金属掩模板，位于扫描腔内且介于样品架和扫描极板之间，包括采用伪随机二值矩阵分布的镂空像元和非镂空像元，非镂空像元中各处均连通；电子枪产生电子束并射入样品表面，以生成包含样品结构信息的电子斑；部分电子斑通过镂空像元输出，其余电子斑被非镂空像元阻挡，以对电子斑编码；编码后的电子斑经扫描极板偏转后，在电子成像记录单元中成像；记录的电子斑解码后得到含时间分辨的动态图像。可单次成像获取电子显微成像领域中非可逆过程的超快动态图像信息。

技术领域

本发明属于超快电子显微成像领域，更具体地，涉及一种电子压缩感知超快成像装置及制备方法。

背景技术

在超快成像领域，尤其是光学超快成像领域，压缩感知超快成像技术可实现单次脉冲辐照下对二维空间的超快现象进行高时间分辨成像。压缩感知超快成像技术是用光学方法观测不可逆的瞬态过程，但是，光学方法中成像光场的波长一般为可见光，其空间分辨能力受衍射效应的影响存在阿贝极限，为百纳米量级。

在超快电子显微成像领域的技术中，如超快电子衍射和超快电子显微镜中，脉冲的电子信号直接作用于发生瞬态过程的样品上，而后通过电子成像设备记录具有时间分辨的且有二维空间分布的电子图像信息。为了减少脉冲电子束中因电子间库伦排斥作用而导致的脉宽展宽，在没有脉冲压缩的条件下需要大幅减少每个电子束脉冲中的电子数目，一般为10³个甚至更少；然而，为了获得一幅信噪比高的电子显微图像通常需要累积至少10⁶个电子，因此超快电子显微成像中大量采用“频闪”模式成像，这就要求所观测样品在受泵浦光激发后的过程是可逆的。条纹相机技术是被广泛应用的可单次成像的光学超快成像方法，其记录瞬态过程的光场照射光电阴极产生的光电子经过电极加速，在向记录信号的荧光屏传播的过程中受到垂直于传播方向的时变电压加速而偏转不同的距离，偏转距离正比于光电子的产生时间，从而实现时间分辨。为了保证高的时间分辨能力，需要将入射狭缝调得很窄令光场成为一维分布，由此极大地限制了视场角，令条纹相机技术并不能直接用于超快电子显微成像领域中。

综上可知，现有技术中，虽然压缩感知技术已经应用到光学的超快成像领域中，但是光学成像由于波长的限制与阿贝极限的存在，空间分辨能力仅为百纳米量级。超快电子显微成像利用电子的短波长提高了超快成像的空间分辨能力，但随之而来的问题是为了维持时间分辨能力而降低电子束的亮度，需采用对观测样品某一时刻的状态进行多次成像以提高信号质量的“频闪”模式记录，不适用于观测非可逆的超快过程。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种电子压缩感知超快成像装置及制备方法，其目的在于提供一种基于压缩感知和条纹相机扫描原理的电子压缩感知超快成像装置，从而可以通过单次成像的方式获取电子显微成像领域中非可逆过程的超快动态图像信息。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电子压缩感知超快成像装置，包括：依次设置且密封连接的电子枪、测量腔、扫描腔和电子成像记录单元，以及用于放置样品的一端位于所述测量腔内的样品架，和位于所述扫描腔内的扫描极板，还包括：金属掩模板，位于所述扫描腔内，且介于所述样品架和所述扫描极板之间，包括采用伪随机二值矩阵分布的镂空像元和非镂空像元，所述非镂空像元中的各处均连通；所述电子枪用于产生电子束并射入样品表面，以生成包含样品结构信息的电子斑；部分电子斑通过所述镂空像元后输出，其余电子斑被所述非镂空像元阻挡，以对所述电子斑进行编码；编码后的电子斑经所述扫描极板偏转后，在所述电子成像记录单元中成像。

更进一步地，还包括扫描单元，所述扫描单元包括依次连接的数字延时发生器、扫描电路和所述扫描极板，所述扫描电路为条纹相机扫描电路；所述数字延时发生器用于对外部触发信号进行延时；所述扫描电路基于延时后的触发信号生成脉冲时变电压；所述扫描极板加载所述脉冲时变电压，以将编码后的电子斑偏转到所述电子成像记录单元的不同位置。