[发明专利]一种基于激光等离子体尾波场加速的电子衍射装置

说明书

技术领域

本发明属于电子衍射技术领域，具体涉及一种基于激光等离子体尾波场加速的电子衍射装置。

背景技术

超快电子衍射技术具有极高的空间(亚纳米)和时间(亚皮秒)分辨能力，是实时观察物质内部原子运动动态过程的重要手段，可用于研究样品内部晶格的膨胀与收缩、声子的传播、化学键的形成与断裂、材料的结构相变等，在材料、物理、化学、生物等诸多领域有重要的应用。

超快电子衍射技术的工作过程如下：将一束超快激光分为两束，其中一束作为泵浦光激发样品，使样品的结构发生变化；另一束激光用来轰击电子枪的光电阴极材料产生光电子，光电子被加速和整形后形成超快电子束与样品相互作用，形成衍射图样。通过改变两束光之间的光学延迟，可以得到在不同时间延迟条件下飞秒激光激发样品时超快电子与样品相互作用的衍射图样。分析这些随时间变化的衍射图样的强度、峰值位置、形貌等信息，就可以实现对样品的晶格动力学过程的研究。由于材料的内部变化过程通常发生在皮秒甚至飞秒的时间尺度，因此超快电子衍射系统的激光束和电子束的时间尺度都必须小于样品动力学变化过程的时间尺度。

目前主要有以下两类超快电子衍射装置：

专利ZL 200510066313.8提出了一种飞秒电子衍射装置，其工作原理是利用飞秒激光轰击光电阴极产生光电子，光电子在直流高压的驱动下被加速，通常加速电压达5万伏特，加速梯度接近10兆伏特每米。由于电子束复制了光脉冲的时间特性，可实现脉冲宽度约500飞秒的超快电子束。在这种装置中，电子束的动能由加速电压决定，受到击穿电压的限制，电子束的动能很难进一步提高。同时，由于受到空间电荷效应的影响，电子束脉冲在传播过程中会逐渐展宽。因此，利用上述原理形成的超快电子衍射系统的时间分辨能力最高约为300飞秒，不能满足更快时间分辨的实验要求。此外，这种装置中每个电子束团的电子数目一般在10⁴量级，为了获得高信噪比的衍射图样，需要相当长的曝光时间才能获得高质量的衍射图案。

专利CN101403714B提出了一种基于X波段光阴极微波电子枪的超快电子衍射系统，即阴极产生的光电子被射频场加速。由于微波电子源的加速梯度非常高，可降低空间电荷效应的影响，并可在空间上压缩电子束脉冲的宽度，因此可实现100飞秒的时间分辨能力，电子束的能量可达兆电子伏特，单个电子束团内的电子数目可达10⁶量级，使在更快的时间尺度内利用单次电子束团获得样品的衍射图样成为可能。然而这种方法的缺点是需要强大的电源辅助系统，且需要电子与加速场同步，因此会引入额外的时间抖动，使超快电子衍射系统的时间分辨能力限制在100飞秒，这对于有些物理过程的研究，例如石墨烯的声子弛豫过程在10飞秒左右，是无法观察的。此外，这种方法产生的电子束的能散较大，使得电子衍射图样变宽，空间分辨率变差。

因此，在超快电子衍射技术领域迫切需要研发一种时空分辨率更高、工作方式更灵活且简单易行、稳定性高的超快电子衍射装置，可观察到更多的新现象和新物理，使其能服务于物理、化学、生物、医学等各个领域。目前还没有时间分辨能力小于100飞秒的超快电子衍射实验系统。

发明内容

本发明的目的是实现一种基于激光等离子体尾波场加速的电子衍射装置，该装置与现有电子衍射装置相比具有更高的时间分辨能力，在电子衍射实验中泵浦光与探测电子束具有很好的时间同步，且无需光电阴极、高压电极或微波源等组件，使装置更加简易和紧凑，可广泛应用于超快动力学过程的科学研究中。

本发明采取的技术方案如下：

本发明提供了一种基于激光等离子体尾波场加速的电子衍射装置，包括激光器、光学入射窗口、真空室、气体产生装置、第一微孔、第二微孔、磁透镜、五维调节系统、样品架、探测系统以及真空供应系统；

所述激光器用于产生激光脉冲并通过光学入射窗口将激光脉冲打入真空室；

所述真空室内沿着激光脉冲的方向依次设置有气体产生装置、第一微孔、第二微孔、样品架以及探测系统；

所述真空室外部设置有多个真空法兰，用于对真空室内部进行观察和外部设备的连接；

所述气体产生装置与外部连接，用于重复产生气体靶；激光脉冲与气体靶相互作用，使气体靶中的分子被电离，产生电子束团；

所述电子束团依次经过第一微孔和第二微孔将电子束团准直；

所述磁透镜位于第一微孔和第二微孔之间用于压缩和聚焦电子束团；所述磁透镜可沿电子束团出射的方向移动，用于将电子束团聚焦于不同的位置；