專利名稱：一種電子束產(chǎn)生和控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子束產(chǎn)生和控制裝置，特別是涉及一種飛秒電子束產(chǎn)生和控制裝置。
背景技術(shù)：
在激光技術(shù)研究中，飛秒激光的出現(xiàn)為科學(xué)家研究物質(zhì)運動的超快過程提供強(qiáng)有力的工具。但是我們知道激光的波長太長，一般大于200nm，因此利用激光研究物質(zhì)運動，其空間分辨是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了得到高空間分辨的信息，一般采用電子或X射線作為探測手段。
以往的納秒、皮秒電子衍射的方法，在時間分辨反射高能電子衍射和氣相電子衍射等有關(guān)實驗中，發(fā)揮了重要的作用。隨著飛秒激光的出現(xiàn)，為了進(jìn)一步提高時間分辨率，飛秒電子衍射的方法必將進(jìn)一步發(fā)揮更大的作用。飛秒電子衍射裝置為揭示物質(zhì)瞬態(tài)動力學(xué)的獨特特性提供了強(qiáng)有力的工具，其中飛秒電子束產(chǎn)生和控制部分是飛秒電子衍射裝置的核心，該部分結(jié)合了飛秒激光的高時間分辨特性和電子束的高空間分辨特性。
目前，一些實驗室陸續(xù)地建立了相關(guān)研究設(shè)備，如文獻(xiàn)1“Femtosecondelectron diffraction for direct measurement of ultrafast atomic motions”，APPLIED PHYSICS LETTERS，VOLUME 83 NUMBER 5，4 AUGUST 2003公開了一種飛秒電子束產(chǎn)生和控制裝置。但是這套裝置的不足在于如圖1所示，電子束從光陰極1產(chǎn)生后，要經(jīng)過陽極2、磁透鏡4、X方向偏轉(zhuǎn)板5、Y方向偏轉(zhuǎn)板6、掃描板7到達(dá)樣品，此過程中電子束經(jīng)歷了較長的運動距離；而由于電子束具有空間電荷效應(yīng)，這樣長距離運動的電子束的脈沖寬度會相應(yīng)的展寬，從而降低了時間分辨能力。
為了進(jìn)一步提高飛秒電子衍射裝置的時間分辨能力，通過兩點可以做到1)減小輻照光陰極的激光脈沖寬度；2)提高光陰極和陽極之間的加速場的場強(qiáng)，抑制空間電荷效應(yīng)，同時減小電子束的運動距離，使電子束在最短的時間內(nèi)到達(dá)樣品表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供一種超短電子束的傳輸和控制電子光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是電子束在較小運動距離下，可以達(dá)到較好的時間和空間性質(zhì)，時間分辨能力有較大提高的飛秒電子束產(chǎn)生和控制裝置。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下在實際的電子衍射實驗中，首先對電子束脈沖寬度進(jìn)行測量，再進(jìn)行電子衍射實驗，這樣，偏轉(zhuǎn)板和掃描板不會同時使用，本發(fā)明把偏轉(zhuǎn)板作為掃描板，從而減少電子的運動距離；具體技術(shù)方案如下一種電子束產(chǎn)生和控制裝置，如圖2所示，包括一激光源8；一處于所述激光源8的輸出光前方光路上的光陰極1；一與所述光陰極1平行相對的陽極2，該陽極2中心開一小孔3；一放置在所述陽極2后面的磁透鏡4；一對X方向偏轉(zhuǎn)板5放置在所述磁透鏡4的后面；一對與所述X方向偏轉(zhuǎn)板5互相垂直放置的Y方向偏轉(zhuǎn)板6；上述各部件均放置在同一個水平軸線9上。
在上述技術(shù)方案中，所述Y方向偏轉(zhuǎn)板6或所述X方向偏轉(zhuǎn)板5也作為測量電子束時間特性的掃描板，用來測量飛秒電子束的脈沖寬度。
在上述技術(shù)方案中，所述光陰極6采用銀膜材料，或金膜材料。
該裝置的工作過程為激光源8發(fā)出的飛秒級超短脈沖紫外激光驅(qū)動光陰極1，激光與光陰極1相互作用后，可以產(chǎn)生能量彌散度小于1eV的電子束，其時間特性復(fù)制了光脈沖的特性，也是飛秒量級的；陽極2上電壓為零，在光陰極1上施加負(fù)高壓；在電場的作用下，電子束被加速到很高的能量，而電子波長具有很高的空間分辨能力；經(jīng)過磁透鏡4聚焦，X方向偏轉(zhuǎn)板5或Y方向偏轉(zhuǎn)板6對電子束進(jìn)行空間掃描。如把Y方向偏轉(zhuǎn)板6作為測量電子束時間特性的掃描板，用來測量飛秒電子束的脈沖寬度，具體方法是當(dāng)電子束到達(dá)Y方向偏轉(zhuǎn)板6的入口時，在Y方向偏轉(zhuǎn)板6上加隨時間瞬變的斜坡電壓，這樣就可以把電子束的縱向長度(可以換算為電子脈沖寬度)轉(zhuǎn)換為橫向可測量的量，從而實現(xiàn)了電子束脈沖寬度的測量；對于X方向偏轉(zhuǎn)板5采取同樣方法實現(xiàn)對電子束脈沖寬度的測量；經(jīng)過脈沖寬度測量的電子束可以用來進(jìn)行對樣品探測；磁透鏡4可以調(diào)節(jié)電子束的聚焦位置，X方向偏轉(zhuǎn)板5和Y方向偏轉(zhuǎn)板6可以調(diào)節(jié)電子束的偏轉(zhuǎn)方向。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1)用飛秒量級脈沖激光產(chǎn)生飛秒量級電子束；2)提高時間分辨能力，使其達(dá)到100飛秒以下的時間分辨能力；3)具有高空間分辨能力，可優(yōu)于0.01埃；4)Y方向偏轉(zhuǎn)板6同時做為電子束脈沖寬度測量的掃描板，減少了電子束在電子槍中的運動距離，從而減少了電子束在運動過程中的時間彌散。


圖1是文獻(xiàn)1公開的飛秒電子束產(chǎn)生和控制裝置示意圖；圖2是本發(fā)明的一種電子束產(chǎn)生和控制裝置的示意圖；圖3是一種電子束產(chǎn)生和控制裝置的實施例示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述按照圖2、3制作的一電子束產(chǎn)生和控制裝置，其中激光源8發(fā)出的紫外的三倍頻的飛秒鈦寶石激光，輸出波長為266nm，脈寬為30飛秒；光陰極1采用40nm厚度的銀膜，激光源8發(fā)出的飛秒激光與光陰極1相互作用后，產(chǎn)生能量彌散度小于1eV的電子束，其時間特性復(fù)制了光脈沖的特性；陽極2采用常規(guī)電極材料，與光陰極1平行面對面平行放置，兩者之間的的距離為d1＝5mm；陽極2上開一直徑為100微米的小孔3；在光陰極1上加上-50kV的高壓，陽極2接地；在電場加速下，電子得到50keV的能量，此時電子波長為0.054828埃。
磁透鏡4采用常規(guī)短磁透鏡，該磁透鏡4的磁隙到光陰極1的距離為d2＝62.5mm，在磁透鏡4上加不同的安匝數(shù)或者勵磁電流，可以使電子束聚焦在不同的位置上。
當(dāng)磁透鏡4采用安匝數(shù)(NI)為1354時，電子束聚在Y方向偏轉(zhuǎn)板6的入口處，磁透鏡4的焦距為F1＝58.5mm，此時用于電子束脈沖寬度的測量。本實施例把Y方向偏轉(zhuǎn)板6同時作為測量電子束時間特性的掃描板，用來測量飛秒電子束的脈沖寬度。具體方法是，當(dāng)電子束到達(dá)Y方向偏轉(zhuǎn)板6的入口時，在Y方向偏轉(zhuǎn)板6上加隨時間瞬變的斜坡電壓6kV/ns；當(dāng)電子束從Y方向偏轉(zhuǎn)板6中出射時，電子束就在斜坡電壓形成的掃描電場方向上離散開來，這樣就可以把電子束的縱向長度(相當(dāng)與電子脈沖寬度)轉(zhuǎn)換為橫向可測量的量，由放置在磁透鏡4后面d3＝464.5mm處的微通道板探測器14進(jìn)行探測，從而實現(xiàn)了電子束脈沖寬度的測量；在X方向偏轉(zhuǎn)板5上采用同樣的方法加隨時間瞬變的斜坡電壓，可以實現(xiàn)對電子束的二維空間掃描。
當(dāng)磁透鏡4采用安匝數(shù)(NI)為636時，電子束聚焦在樣品20處，磁透鏡4的焦距為F2＝264.5mm，此時用于超短電子脈沖衍射實驗。
按照本實施例設(shè)計的飛秒電子束產(chǎn)生和控制裝置，電子從光陰極1到樣品20的運動距離為327mm，結(jié)構(gòu)緊湊，減少電子從光陰極1產(chǎn)生到樣品20的運動距離，從而提高時間分辨能力，使其達(dá)到100飛秒以下的時間分辨能力，其空間分辨能力可優(yōu)于0.01埃。
權(quán)利要求
1.一種電子束產(chǎn)生和控制裝置，包括一激光源(8)；一處于所述激光源(8)的輸出光前方光路上的光陰極(1)；一與所述光陰極(1)平行相對的陽極(2)，該陽極(2)中心開一小孔(3)；一放置在所述陽極(2)后面的磁透鏡(4)；一對X方向偏轉(zhuǎn)板(5)放置在所述磁透鏡(4)的后面；其特征在于，還包括一對與所述X方向偏轉(zhuǎn)板(5)互相垂直放置的Y方向偏轉(zhuǎn)板(6)；上述各部件均放置在同一個水平軸線(9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束產(chǎn)生和控制裝置，其特征在于，所述Y方向偏轉(zhuǎn)板(6)或所述X方向偏轉(zhuǎn)板(5)作為測量電子束時間特性的掃描板，用于測量飛秒電子束的脈沖寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束產(chǎn)生和控制裝置，其特征在于，所述光陰極(6)采用銀膜材料，或金膜材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束產(chǎn)生和控制裝置，其特征在于，所述激光源(8)發(fā)出的激光為三倍頻的飛秒鈦寶石激光，波長為266nm，脈寬為30飛秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束產(chǎn)生和控制裝置，其特征在于，所述小孔(3)的直徑為100微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束產(chǎn)生和控制裝置，其特征在于，所述光陰極(6)是厚度為40nm的銀膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛秒電子束產(chǎn)生和控制裝置。該裝置由激光源、光陰極、陽極、磁透鏡、X方向偏轉(zhuǎn)板、Y方向偏轉(zhuǎn)板組成。激光源發(fā)出飛秒級超短脈沖紫外激光驅(qū)動光陰極，可以產(chǎn)生能量彌散度小于1eV的電子束，其時間特性復(fù)制了光脈沖的特性；陽極上電壓為零，在光陰極上施加負(fù)高壓；在電場的作用下，電子束被加速到很高的能量，而電子波長具有很高的空間分辨能力；把Y方向偏轉(zhuǎn)板作為測量電子束時間特性的掃描板，用來測量飛秒電子束的脈沖寬度。本發(fā)明提供的裝置達(dá)到100飛秒以下的時間分辨能力，空間分辨能力可優(yōu)于0.01埃，適合用于飛秒電子束衍射裝置。
文檔編號H01J37/147GK1851843SQ20051006631
公開日2006年10月25日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者張 杰, 劉運全, 梁文錫 申請人:中國科學(xué)院物理研究所