[发明专利]一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置

说明书

本发明公开了一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置，包括：真空腔，以及设置于真空腔内且中轴线重合并依次间隔排列的光电阴极、栅极、阳极、电会聚镜和电物镜；光电阴极用于在飞秒激光脉冲激励下产生飞秒脉冲电子束；光电阴极和阳极之间加电压，用于对电子束加速；电会聚镜和电物镜的电压均可调，用于两次对加速后的电子束会聚，得到平行束或实际所需会聚角的会聚束电子脉冲。本发明采用电会聚镜和电物镜来对脉冲电子束进行两次聚焦，电会聚镜和电物镜的电压灵活可调，从而可得到不同会聚程度和束斑尺寸的脉冲电子束。另外，本发明采用静电透镜能大幅减少电子源装置的尺寸，结构简单，进而能够提高所需电子束的质量以及灵活可控性。

技术领域

本发明属于电子显微成像领域，更具体地，涉及一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置。

背景技术

电子衍射和超短激光脉冲相结合而成的超快电子衍射成为电子显微成像领域的新技术。超快电子衍射具备原子运动尺度的时间和空间分辨能力，能够实现同时在时间和空间结构上对超快动力学过程进行实时观测，在结构相变、化学反应、材料科学、蛋白质功能等物理、化学、材料和生物领域的研究中都有广泛应用。

超快电子衍射的关键在于获得高质量的超短电子脉冲，它决定了这种技术的时间、空间分辨能力以及获取所研究对象的动力学过程信息的能力。超短电子脉冲的产生一般利用飞秒激光脉冲，照射光电阴极，通过光电效应释放电子，这些电子从光电阴极出射的瞬间，完全复制了入射的飞秒激光的时域特性。然而脉冲电子束在后续传播的过程中会因为电子之间的库仑排斥作用而令脉冲在时间上和空间上展宽，目前在超快电子显微领域一般通过减少电子束的密度、减少电子束的飞行距离，或者引入射频脉冲压缩和兆电子伏等方法来抑制脉冲电子束的展宽。

调控超短电子脉冲的另一个特性是调节电子脉冲入射到待研究样品上的束斑大小以及会聚角度。超快电子衍射研究的对象形貌包括薄膜、块体、表面以及纳米微晶；样品的形态包括了单晶、多晶、非晶等固相，而且还有气相及液相。不同的研究对象以及不同的研究目标要求超快电子衍射装置能提供具有相应特性的电子脉冲，例如研究薄膜的晶格热振动要求脉冲电子以平行束入射，通过布拉格衍射获取晶格热运动的变化；研究块体样品中瞬态应变时要求脉冲电子以会聚束入射，利用菊池衍射提供晶格形变的高灵敏度观测；样品晶粒的大小要求脉冲电子的束斑尺寸可作相应调整。

以往的超快电子源设计中，光电子的产生通过飞秒激光脉冲以背照明的方式激励光电阴极薄膜，由此方法产生的脉冲电子束的束斑大小受限于飞秒激光脉冲的束斑尺寸。在调控飞秒电子束束斑尺寸及会聚角特性方面，以往的超快电子源设计采用磁线圈作聚焦镜，用于会聚飞秒电子脉冲。受限于磁线圈的体积、发热以及材料放气等特性，超快电子源的磁线圈被设计在电子源腔体外部。因为上述的传播距离带来的脉冲展宽效应，外置磁线圈的设计难以在较短的范围内安装足够的磁聚焦镜同时调节脉冲电子束的束斑尺寸以及会聚角度。此外，因为运动电子受磁场中洛伦兹力的指向，磁透镜约束下的电子被引入绕传播方向为轴线的旋转运动，相比受电场约束沿电场方向作直线运动的运动轨迹更复杂，在实验调节中增加复杂性。

发明内容

本发明提供一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置，用以解决现有飞秒电子源装置因采用磁元件聚焦而存在系统复杂进而导致在实际应用中会聚角调节困难的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种会聚角可调无磁飞秒电子源装置，包括：真空腔，其腔体上设置有激励光窗口，以及设置于所述真空腔内且中轴线重合并依次间隔排列的光电阴极、栅极、阳极、电会聚镜和电物镜；

所述光电阴极用于在与通过所述激励光窗口照射过来的飞秒激光脉冲发生光电效应后，产生飞秒脉冲电子束；所述光电阴极和所述阳极之间加电压，用于对所述电子束加速；所述电会聚镜和所述电物镜的电压均可调，用于两次对所述加速的电子束会聚，得到平行束或实际所需会聚角的会聚束电子脉冲。