一種基於雷射等離子體尾波場加速的電子衍射裝置的製作方法

2023-06-21 05:25:51 1

本實用新型屬於電子衍射技術領域，具體涉及一種基於雷射等離子體尾波場加速的電子衍射裝置。

背景技術：

超快電子衍射技術具有極高的空間(亞納米)和時間(亞皮秒)分辨能力，是實時觀察物質內部原子運動動態過程的重要手段，可用於研究樣品內部晶格的膨脹與收縮、聲子的傳播、化學鍵的形成與斷裂、材料的結構相變等，在材料、物理、化學、生物等諸多領域有重要的應用。

超快電子衍射技術的工作過程如下：將一束超快雷射分為兩束，其中一束作為泵浦光激發樣品，使樣品的結構發生變化；另一束雷射用來轟擊電子槍的光電陰極材料產生光電子，光電子被加速和整形後形成超快電子束與樣品相互作用，形成衍射圖樣。通過改變兩束光之間的光學延遲，可以得到在不同時間延遲條件下飛秒雷射激發樣品時超快電子與樣品相互作用的衍射圖樣。分析這些隨時間變化的衍射圖樣的強度、峰值位置、形貌等信息，就可以實現對樣品的晶格動力學過程的研究。由於材料的內部變化過程通常發生在皮秒甚至飛秒的時間尺度，因此超快電子衍射系統的雷射束和電子束的時間尺度都必須小於樣品動力學變化過程的時間尺度。

目前主要有以下兩類超快電子衍射裝置：

專利ZL 200510066313.8提出了一種飛秒電子衍射裝置，其工作原理是利用飛秒雷射轟擊光電陰極產生光電子，光電子在直流高壓的驅動下被加速，通常加速電壓達5萬伏特，加速梯度接近10兆伏特每米。由於電子束複製了光脈衝的時間特性，可實現脈衝寬度約500飛秒的超快電子束。在這種裝置中，電子束的動能由加速電壓決定，受到擊穿電壓的限制，電子束的動能很難進一步提高。同時，由於受到空間電荷效應的影響，電子束脈衝在傳播過程中會逐漸展寬。因此，利用上述原理形成的超快電子衍射系統的時間分辨能力最高約為300飛秒，不能滿足更快時間分辨的實驗要求。此外，這種裝置中每個電子束團的電子數目一般在104量級，為了獲得高信噪比的衍射圖樣，需要相當長的曝光時間才能獲得高質量的衍射圖案。

專利CN101403714B提出了一種基於X波段光陰極微波電子槍的超快電子衍射系統，即陰極產生的光電子被射頻場加速。由於微波電子源的加速梯度非常高，可降低空間電荷效應的影響，並可在空間上壓縮電子束脈衝的寬度，因此可實現100飛秒的時間分辨能力，電子束的能量可達兆電子伏特，單個電子束團內的電子數目可達106量級，使在更快的時間尺度內利用單次電子束團獲得樣品的衍射圖樣成為可能。然而這種方法的缺點是需要強大的電源輔助系統，且需要電子與加速場同步，因此會引入額外的時間抖動，使超快電子衍射系統的時間分辨能力限制在100飛秒，這對於有些物理過程的研究，例如石墨烯的聲子弛豫過程在10飛秒左右，是無法觀察的。此外，這種方法產生的電子束的能散較大，使得電子衍射圖樣變寬，空間解析度變差。

因此，在超快電子衍射技術領域迫切需要研發一種時空解析度更高、工作方式更靈活且簡單易行、穩定性高的超快電子衍射裝置，可觀察到更多的新現象和新物理，使其能服務於物理、化學、生物、醫學等各個領域。目前還沒有時間分辨能力小於100飛秒的超快電子衍射實驗系統。

技術實現要素：

本實用新型的目的是實現一種基於雷射等離子體尾波場加速的電子衍射裝置，該裝置與現有電子衍射裝置相比具有更高的時間分辨能力，在電子衍射實驗中泵浦光與探測電子束具有很好的時間同步，且無需光電陰極、高壓電極或微波源等組件，使裝置更加簡易和緊湊，可廣泛應用於超快動力學過程的科學研究中。

本實用新型採取的技術方案如下：

本實用新型提供了一種基於雷射等離子體尾波場加速的電子衍射裝置，包括雷射器、光學入射窗口、真空室、氣體產生裝置、第一微孔、第二微孔、磁透鏡、五維調節系統、樣品架、探測系統以及真空供應系統；

所述雷射器用於產生雷射脈衝並通過光學入射窗口將雷射脈衝打入真空室；

所述真空室內沿著雷射脈衝的方向依次設置有氣體產生裝置、第一微孔、第二微孔、樣品架以及探測系統；

所述真空室外部設置有多個真空法蘭，用於對真空室內部進行觀察和外部設備的連接；

所述氣體產生裝置與外部連接，用於重複產生氣體靶；雷射脈衝與氣體靶相互作用，使氣體靶中的分子被電離，產生電子束團；

所述電子束團依次經過第一微孔和第二微孔將電子束團準直；

所述磁透鏡位於第一微孔和第二微孔之間用於壓縮和聚焦電子束團；所述磁透鏡可沿電子束團出射的方向移動，用於將電子束團聚焦於不同的位置；

所述樣品架用於放置衍射樣品，電子束團與衍射樣品發生作用後會產生電子衍射圖樣；

所述五維調節系統與樣品架連接，用於對衍射樣品進行位置和方向進行調節；

所述探測系統用於對電子衍射圖樣進行收集、放大和探測；

所述真空供應系統用於給真空室提供真空環境，所述真空供應系統為多個真空泵級聯組成。

本專利中的探測系統分為兩種：

其中，一種探測系統為微通道型圖像增強器；微通道型圖像增強器包括沿著電子衍射圖樣的出射方向依次設置的雙微通道板、螢光屏、透鏡和相機。

另外一種探測系統為背照式有源像素傳感器；所述背照式有源像素傳感器包括矽襯底、像素單元以及布線單元；矽襯底正對衍射樣品，像素單元和布線單元依次構造於矽襯底上。

具體來說，多個真空法蘭為六個，包括第一真空法蘭、第二真空法蘭、第三真空法、第四真空法蘭、第五真空法蘭以及第六真空法；所述第一真空法蘭用於安裝光學觀察窗口觀察氣體靶的狀態；第二真空法蘭用於連接氣體產生裝置；第三真空法蘭用於樣品架的固定及五維調節系統的連接；第四真空法蘭用於安裝光學觀察窗口觀察樣品的狀態；第五真空法蘭作為預留的盲板法蘭可用於對系統的升級；第六真空法蘭用於連接真空供應系統。

上述衍射樣品通過網孔放置在樣品架上；所述網孔直徑20微米至200微米；衍射樣品的厚度小於200納米。

上述雷射脈衝功率密度大於1018瓦特每平方釐米，寬度小於100飛秒。

上述氣體生產裝置的氣體源為氫氣或氦氣或氮氣或氬氣；氣體源中的氣體分子所含電子數密度大於1018個每立方釐米。

上述真空供應系統由機械泵、分子泵和離子泵或鈦泵組成，真空供應系統的本底真空度可達10-6Pa以下。

本實用新型的優點：

1、本實用新型與基於直流電子槍的超快電子衍射裝置相比，去掉了光電陰極、高壓電源等組件，簡化了實驗裝置，且利用雷射等離子尾波長加速產生的單個電子束團所含的電子數目大於106個，可進行單發超快電子衍射的實驗研究，節約了實驗所需的時間；

2、本實用新型與基於射頻電子槍的超快電子衍射裝置相比，無需光電陰極、微波電源等組件，使裝置更加緊湊，且不會產生額外的時間抖動，因此超快電子衍射實驗裝置更加穩定。

3.本實用新型具有可產生更高時間解析度的電子束的特點，具體來說電子束團的脈衝寬度可至10飛秒量級，因此可進行更高時間尺度的超快動力學實驗的研究。此外，本實用新型中產生的超快電子束與泵浦雷射束自然地同步，無需複雜的時間同步過程。

4、本實用新型提出利用背照式有源像素傳感器作為超快電子衍射實驗的探測系統，可進一步簡化裝置並降低系統噪聲。

附圖說明

圖1是超快電子衍射裝置結構示意圖

圖2是樣品架結構示意圖

圖3是背照式有源像素傳感器結構示意圖。

1-雷射器、2-真空室、3-光學入射窗口、4-第一真空法蘭、5-第二真空法蘭、6-氣體產生裝置、7-出射氣體、8-第一微孔、9-電子束團、10-磁透鏡、11-第二微孔、12-第三真空法蘭、13-五維調節系統、14-樣品架、15-第四真空法蘭、16-第五真空法蘭、17-第六真空法蘭、18-雙微通道板、19-螢光屏、20-透鏡、21-相機、22-網孔、23-衍射樣品、24-矽襯底、25-像素單元、26-布線單元、27-真空系統。

具體實施方式

下面結合附圖對實用新型做進一步的說明。應理解的是，附圖所示的實施例並不是本實用新型的限制，而只是為了說明本實用新型技術方案的實質精神。

本實用新型的電子衍射裝置如圖1所示。

該裝置包括雷射器1、光學入射窗口3、真空室2、氣體產生裝置6、第一微孔8、第二微孔11、磁透鏡10、五維調節系統13、樣品架14、探測系統以及真空供應系統27；

真空室2內沿著雷射脈衝的方向依次設置有氣體產生裝置6、第一微孔8、第二微孔11、樣品架14以及探測系統；

其中，雷射器1可產生小於100飛秒的超快雷射脈衝，雷射脈衝的波長為800納米，能量小於100毫焦耳，重複頻率小於1千赫茲，聚焦後光斑尺寸小於5微米。該雷射器通過真空室2前端的光學入射窗口3進入真空室內，與從氣體產生裝置6產生的高密度、高重複頻率的出射氣體7發生反應，產電子束團9。

其中，氣體產生裝置6通過第二真空法蘭5與外部連接，氣體產生裝置6的出射口可選擇矩形結構或者圖圓形結構，圓形結構的直徑小於1毫米，矩形結構的典型寬度為1毫米，長度為3毫米。氣體生產裝置的氣體源為氫氣或氦氣或氮氣或氬氣；氣體源中的氣體分子所含電子數密度大於1018個每立方釐米。

強雷射與氣體相互作用會產生等離子體尾波場，等離子體通過有質動力將電子束束縛，形成電子束團。電子束團的動能為十萬電子伏特到1兆電子伏特，能散小於3％，電子束團的脈衝寬度與入射雷射束的脈衝寬度一致。

在距離電子束出射5釐米處放置第一微孔8，用於對電子束準直，微孔的直徑小於2毫米。

電子束經過第一微孔8後向前傳播，為了對電子束進行進一步聚焦以便入射到樣品上，在傳播過程中有磁透鏡10，磁透鏡10由線圈、保護層、極靴、冷卻等部分組成，在對線圈施加電流後，會產生磁場，約束電子束的尺寸和路徑。聚焦後電子束的典型尺寸為500微米，磁場小於100毫特斯拉。

在電子束的焦點位置處，設置有樣品架14。為了進一步提高入射電子束的質量，在樣品架前5釐米處放置第二微孔11，第二微孔的直徑小於2毫米。

樣品架14通過第三真空法蘭12固定，並可在外部控制的情況下通過五維調節架13進行位置和方向的調節。樣品架距離雷射距離氣體產生裝置10-100釐米，以防止強雷射損壞樣品。

樣品架的詳細結構如圖2所示，在樣品架上設置有多個直徑為3毫米的網孔22，網孔直徑20微米至200微米，在網孔上放置有超薄電子衍射樣品23，樣品的厚度小於200納米。

電子束與衍射樣品發生相互作用，會產生電子衍射圖樣。電子衍射圖樣經過探測系統後被收集。其中探測系統由雙微通道板18、螢光屏19、透鏡20和相機21組成。

此外，由於本實用新型中電子束具有非常高的動能，還可採用另一種探測器，即背照式電荷耦合器件或背照式有源像素傳感器。在圖3中，為探測器的背面，材料為矽襯底24，厚度小於50納米。像素單元25和布線單元26依次構造於矽襯底24上。電子從矽襯底24入射到像素單元25上產生電子-空穴對，在電子轟擊作用下會產生電子轟擊增益，可將微弱的電子衍射信號放大，通過布線單元26後被收集。與微通道板探測器系統相比結構更加緊湊。

另外，真空室2前端相對於氣體生產裝置位置還設置有第一真空法蘭15，第一真空法蘭15用於安裝光學觀察窗口對電子束團進行觀察；真空室2上相對於衍射樣品位置還設置有第四真空法蘭15，第四真空法蘭15用於安裝光學觀察窗口對樣品觀察樣品的狀態；真空室2的末段還設置有第五真空法蘭16和第六真空法蘭17；第五真空法蘭16作為預留的盲板法蘭可用於對系統的升級；第六真空法蘭17用於連接真空供應系統27。