極弱靜電荷電量的測量方法

2023-10-21 11:41:07

專利名稱：極弱靜電荷電量的測量方法
技術領域：
本發明涉及電子全息術，特別是一種用電子全息術進行極弱靜電荷電量(荷電量小於10-16庫侖)的測量方法。
背景技術：
對電現象進行觀察和利用，是人類最古老的技術領域之一，自然界中的閃電雷鳴、毛皮摩擦生電、靜電吸附等，早已成為人們研究的對象。然而，對於極弱微電場及其電量的測量，確沒有什麼好的方法，通常只能用靜電計進行測量。

發明內容
本發明針對上述在先技術中的缺點，提出一種用電子全息術測量極弱微電場及其荷電量的方法，主要是測量電場的荷電量。
本發明的測量方法中所用的電子全息術是兩步成像過程，第一步以幹涉條紋的形式，將物體波面記錄下電子全息圖；第二步利用衍射原理，將電子全息圖中的信息進行解碼，顯然，這種成像是將物像在空間和時間上分離。第一步在記錄時用一種波長，本發明中採用0.03nm；第二步重現可用另一種波長，本發明中用632.8nm。在第二步重構過程中，還可進行各種技術處理。電子全息的特點，不僅在於電子的德布羅意波長很短(100KV電子的波長約為0.03nm)，能獲得高解析度的重現像，更重要的是，電子是帶電粒子，當電子束通過電磁場區域時，電子波的位相攜帶有電磁場的信息，因而是探測電磁場的有力工具。
本發明極弱微電場及其荷電量的測量方法，其特點是它的具體步驟如下1為了能使電子束穿過待測樣品，要將待測樣品減薄到小於或等於500nm厚度；2將待測樣品放在電子顯微鏡中，拍攝待測樣品的電子全息圖；3將拍攝好的、帶有待測樣品電子全息圖的電子幹板，置放在光學馬赫—陳特爾幹涉儀上，進行位相差放大，獲得幹涉圖，讀取幹涉圖中的幹涉條紋數目N，利用下式求得待測樣品的荷電量Q=VaK[arcsinhM1M2ax12+y12-arcsinhM1M2ax22+y22]]]>式中M1、M2為電子顯微鏡放大倍數和重現波段光學放大倍數Va為電子顯微鏡的加速電壓，K＝1/4πε0＝9×109λ為電子波長，a為荷電體的直徑。
關於電磁場影響電子波的位相，可用量子理論解釋。當電子經過電Δ(x0y0)＝(π/λVa)∫V(x0，y0，z)ds-(2πe/h)∫A(x0，y0，z)dz磁場後，位相變化為式中，λ為電子的德布羅意波波長，Va為電子的加速動能，V為靜電勢，h為普朗克常數，e為電子電荷，A為磁矢勢。如果電子顯微鏡中，電子能量比起待研究的靜電場能量大得多，靜電場對電子束相位的影響，可以用不含時間的非相對論薛定鍔方程來描述(x,y)=VaV(x,y,z)dz]]>上述積分是沿著電子運動軌跡進行的，λ為電子的德布羅意波長，Va為電子的加速動能，V為靜電勢。
現在我們討論一下，採用電子全息法測試點電荷電場分布，以及荷電量大小的可能性。顯然，問題歸結為對方程(1)中積分核的確定。我們採用點電荷模型，即假定點電荷位於在x，y，z坐標上的P(x0，y0，a)點，式中，a為點電荷荷體的半徑，採用鏡像法，很容易寫出它的電勢分布為
V=KQ[1(x-x0)2+(y-y0)2+(z-a)2-1(x-x0)2+y-y02+(z+a)2]---(2)]]>式中，K為常數，K＝1/4πε0＝9×109，Q是荷電量，將(2)式代入(1)式，並作以下假定1.荷電粒子的內電勢分布是均勻的；2.(1)式積分沿z軸進行，而不是沿電子運動軌跡進行，這種近似已被許多文獻證明是可行的，從而求得(x,y)=-2KQVaarcsinh[a(x-x0)2+(y-y0)2]---(3)]]>由於所研究的點電荷載體的線度為nm尺度，所以不考慮電子顯微鏡中光學系統像差的影響。由於我們所關心的只是相位因子，可以略去曝光以及重現過程中各種照明參數對 項的影響，並且認為是線性記錄，包括電子全息圖的記錄和重現過程中重現像的記錄，因此，重現像的強度分布為I(x,y)=1+cos[KQVaarcsinhax2+y2]---(4)]]>(4)式已將點電荷體移至x，y坐標原點，因此，x0＝y0＝0。Va為電子顯微鏡的加速電壓。
從幹涉理論，兩相鄰最大幹涉級之間，應滿足以下條件KQVa[arcsinhM1M2ax12+y12-arcsinhM1M2ax22+y22]-1=1---(5)]]>因此，荷電粒子的荷電量為Q=VaK[arcsinhM1M2ax12+y22-arcsinhM1M2ax22+y22]---(6)]]>式中M1，M2分別為電子顯微鏡電子光學參數放大倍數和重現階段光學放大倍數。
從(6)式可以看出給出電子顯微鏡的加速電壓，以及測出重現像中，幹涉條紋間距和放大後，點電荷荷體的直徑，可以方便地求出荷電量的大小。
與在先技術相比，本發明測量方法的測量靈敏度較高，能夠測量極弱微電場及其荷電量，以及進行阿哈拉諾夫—玻姆效應的驗證。


圖1將待測樣品置放在電子顯微鏡中的示意2將獲得的待測樣品的電子全息圖的幹板置放在光學馬赫-陳特爾幹涉儀中的示意圖
具體實施例方式參閱圖1、圖2，本發明極弱微電場及其荷電量的測量方法包括下列步驟1待測樣品2是含靜電場材料構成的，其厚度為500nm。
2拍攝電子全息圖將上述準備好的待測樣品置放在如圖1所示的電子顯微鏡中進行。電子顯微鏡主要包括電子束源1，放置待測樣品2的樣品室，電磁物鏡3，靜電雙稜鏡4，放大鏡5，接收器6和用來記錄電子全息圖的電子幹板7。
電子全息圖是對參考光和物光幹涉圖形的記錄，這不僅要求電子顯微鏡有足夠高的空間相干性和時間相干性，還要求儀器有足夠的穩定性，因此，在打開電子顯微鏡以後，須穩定一段時間後，再將待測樣品2放入樣品室。
待測樣品2置於樣品室，僅使電子束1的一半通過待測樣品2作為物束，另一半不經待測樣品2的作為參考束，經靜電雙稜鏡4偏轉後，在其下方兩束電子束重合，產生含有磁場信息的幹涉條紋，在電子幹板7上記錄了含待測樣品電場信息的電子全息圖。
在電子顯微鏡中，靜電雙稜鏡4這個裝置是由兩塊板狀接地板和中央的絲狀電極構成。絲的直徑為0.35μm，用導電膠固定在一個框架上，並絕緣地架設在接地電極上，安裝時，要使細絲與接地電極平行，以保證細絲附近的場是對稱的，絲上的電壓從0～150V連續可調。
電子全息圖中的幹涉條紋的間距，可以由加在靜電雙稜鏡4絲上的電壓控制，通常50伏左右。但由於電子的德布羅意波長很短，只有0.03nm，所產生的幹涉條紋間距很密，超過通常作為接收器7的電子幹版的解析度。即使具有這種超高解析度的電子幹板，當條紋間距小於可見光波長重現時，除了倏逝波以外，得不到任何信息，因此這個條紋間距必須經放大鏡5放大。
從解析度的角度來看，幹涉條紋間距至少要小於待測樣品的分辨細節的三分之一，這就要求有一個合適的放大倍數。一般為30萬倍。
電子是帶電粒子，易受外界雜散電磁場的幹擾。因此，選擇電子顯微鏡較高工作電壓，有利於電子幹涉實驗。本發明中選為100KV。
一般電子顯微鏡上都帶有作為接收器6的螢光屏。當螢光屏上看到清晰的電子全息圖時，再放入電子幹板7拍攝電子全息圖。
3將拍攝好的帶電子全息圖的電子幹板7，經暗室處理好以後，放在圖2所示的底片架13上進行重構。
重構是在光學馬赫—陳特爾幹涉儀中進行的，如圖2所示。本發明中所使用的馬赫—陳特爾幹涉儀，含有氦—氖雷射光源8，半透半反鏡9、12，全反鏡10、11，透鏡13，光欄14和接收器15。
由輸出波長為632.8nm的氦—氖雷射光源8發射的光束，經第一半透半反鏡9後，分成A、B兩束光。光束B經全反鏡10和半透半反鏡12後，照明電子幹板7上的電子全息圖。光束A經全反鏡11和第二半透半反鏡12後，也照明電子幹板7上的電子全息圖。
A、B束分別被電子全息圖衍射，各自產生0級、±1級衍射，分別調整全反射鏡10、11，讓A束在全息圖7上產生的+1級(或-1級)衍射波，和由B束在電子全息圖7上產生的-1級(或+1級)衍射波，在透鏡13焦平面上重疊，再用光欄14濾去非重疊部分，由於來自電子全息圖7上重構的物波和它的共軛波是位相相反的，即A束產生的+1級衍射波和B束產生的-1級衍射波疊加以後將產生幹涉，位相差放大到原來的兩倍，重複上述過程n次，則位相差放大2n倍。
從上述重現獲得的幹涉圖的照片中讀取幹涉條紋相鄰等相位環的半徑，即 和 的數值，加速電壓Va＝100KV，電子波長λ＝0.04×10-10nm，計算出待測樣品2的電荷量Q＝10-16庫侖。
權利要求
1.一種極弱微靜電荷電量的測量方法，其特徵在於它包括下列步驟1準備由含電場及電子構成的待測樣品，待測樣品的厚度小於或等於500nm；2將上述待測樣品置於電子顯微鏡中，拍攝待測樣品的電子全息圖；3將上述在電子顯微鏡中拍攝到的、帶有待測樣品電子全息圖的電子幹板，置放在光學馬赫—陳特爾幹涉儀上，進行位相差放大，獲得幹涉圖，讀取幹涉圖中的幹涉條紋數目N，利用下列公式求得待測樣品的荷電量為Q=VaK[arcsinhM1M2ax12+y12-arcsinhM1M2ax22+y22]]]>式中M1、M2為電子顯微鏡放大倍數和重現波段光學放大倍數Va為電子顯微鏡加速電壓，K＝1/4πε0＝9×109λ為電子德布羅意波長，a為荷電樣品的直徑。
全文摘要
一種極弱靜電荷電量的測量方法，特別適用於荷電量小於10－16庫侖的弱電場的測量，待測樣品厚度小於或等於500nm。首先將待測樣品置於電子顯微鏡中，拍攝待測樣品的電子全息圖，再將在電子顯微鏡中拍好的、帶有待測樣品電子全息圖的電子幹板，置放在光學馬赫－陳特爾幹涉儀上，進行位相差放大，獲得幹涉圖，讀取幹涉圖中的幹涉條紋數，就可以獲得待測樣品的電場及荷電量。與在先技術相比，本發明測量方法的靈敏度較高，能夠測量極弱微電場及其荷電量。
文檔編號G01R29/24GK1603848SQ200410084269
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月17日 優先權日2004年11月17日
發明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所