專利名稱：極弱靜電荷電量的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子全息術(shù)，特別是一種用電子全息術(shù)進(jìn)行極弱靜電荷電量(荷電量小于10-16庫侖)的測量方法。
背景技術(shù)：
對(duì)電現(xiàn)象進(jìn)行觀察和利用，是人類最古老的技術(shù)領(lǐng)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(duì)象。然而，對(duì)于極弱微電場及其電量的測量，確沒有什么好的方法，通常只能用靜電計(jì)進(jìn)行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述在先技術(shù)中的缺點(diǎn)，提出一種用電子全息術(shù)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(fā)明的測量方法中所用的電子全息術(shù)是兩步成像過程，第一步以干涉條紋的形式，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(jìn)行解碼，顯然，這種成像是將物像在空間和時(shí)間上分離。第一步在記錄時(shí)用一種波長，本發(fā)明中采用0.03nm；第二步重現(xiàn)可用另一種波長，本發(fā)明中用632.8nm。在第二步重構(gòu)過程中，還可進(jìn)行各種技術(shù)處理。電子全息的特點(diǎn)，不僅在于電子的德布羅意波長很短(100KV電子的波長約為0.03nm)，能獲得高分辨率的重現(xiàn)像，更重要的是，電子是帶電粒子，當(dāng)電子束通過電磁場區(qū)域時(shí)，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(fā)明極弱微電場及其荷電量的測量方法，其特點(diǎn)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于或等于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干板，置放在光學(xué)馬赫—陳特爾干涉儀上，進(jìn)行位相差放大，獲得干涉圖，讀取干涉圖中的干涉條紋數(shù)目N，利用下式求得待測樣品的荷電量Q=λVaK[arcsinhM1M2ax12+y12-arcsinhM1M2ax22+y22]]]>式中M1、M2為電子顯微鏡放大倍數(shù)和重現(xiàn)波段光學(xué)放大倍數(shù)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(guān)于電磁場影響電子波的位相，可用量子理論解釋。當(dāng)電子經(jīng)過電Δ(x0y0)＝(π/λVa)∫V(x0，y0，z)ds-(2πe/h)∫A(x0，y0，z)dz磁場后，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(dòng)能，V為靜電勢，h為普朗克常數(shù)，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(duì)電子束相位的影響，可以用不含時(shí)間的非相對(duì)論薛定鍔方程來描述ψ(x,y)=πλVa∫V(x,y,z)dz]]>上述積分是沿著電子運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行的，λ為電子的德布羅意波長，Va為電子的加速動(dòng)能，V為靜電勢。
現(xiàn)在我們討論一下，采用電子全息法測試點(diǎn)電荷電場分布，以及荷電量大小的可能性。顯然，問題歸結(jié)為對(duì)方程(1)中積分核的確定。我們采用點(diǎn)電荷模型，即假定點(diǎn)電荷位于在x，y，z坐標(biāo)上的P(x0，y0，a)點(diǎn)，式中，a為點(diǎn)電荷荷體的半徑，采用鏡像法，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(shù)，K＝1/4πε0＝9×109，Q是荷電量，將(2)式代入(1)式，并作以下假定1.荷電粒子的內(nèi)電勢分布是均勻的；2.(1)式積分沿z軸進(jìn)行，而不是沿電子運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行，這種近似已被許多文獻(xiàn)證明是可行的，從而求得ψ(x,y)=-2πKQλVaarcsinh[a(x-x0)2+(y-y0)2]---(3)]]>由于所研究的點(diǎn)電荷載體的線度為nm尺度，所以不考慮電子顯微鏡中光學(xué)系統(tǒng)像差的影響。由于我們所關(guān)心的只是相位因子，可以略去曝光以及重現(xiàn)過程中各種照明參數(shù)對(duì) 項(xiàng)的影響，并且認(rèn)為是線性記錄，包括電子全息圖的記錄和重現(xiàn)過程中重現(xiàn)像的記錄，因此，重現(xiàn)像的強(qiáng)度分布為I(x,y)=1+cos[KQλVaarcsinhax2+y2]---(4)]]>(4)式已將點(diǎn)電荷體移至x，y坐標(biāo)原點(diǎn)，因此，x0＝y(tǒng)0＝0。Va為電子顯微鏡的加速電壓。
從干涉理論，兩相鄰最大干涉級(jí)之間，應(yīng)滿足以下條件KQλVa[arcsinhM1M2ax12+y12-arcsinhM1M2ax22+y22]-1=1---(5)]]>因此，荷電粒子的荷電量為Q=λVaK[arcsinhM1M2ax12+y22-arcsinhM1M2ax22+y22]---(6)]]>式中M1，M2分別為電子顯微鏡電子光學(xué)參數(shù)放大倍數(shù)和重現(xiàn)階段光學(xué)放大倍數(shù)。
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(xiàn)像中，干涉條紋間距和放大后，點(diǎn)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(shù)相比，本發(fā)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(jìn)行阿哈拉諾夫—玻姆效應(yīng)的驗(yàn)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干板置放在光學(xué)馬赫-陳特爾干涉儀中的示意圖
具體實(shí)施例方式參閱圖1、圖2，本發(fā)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(gòu)成的，其厚度為500nm。
<2>拍攝電子全息圖將上述準(zhǔn)備好的待測樣品置放在如圖1所示的電子顯微鏡中進(jìn)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，靜電雙棱鏡4，放大鏡5，接收器6和用來記錄電子全息圖的電子干板7。
電子全息圖是對(duì)參考光和物光干涉圖形的記錄，這不僅要求電子顯微鏡有足夠高的空間相干性和時(shí)間相干性，還要求儀器有足夠的穩(wěn)定性，因此，在打開電子顯微鏡以后，須穩(wěn)定一段時(shí)間后，再將待測樣品2放入樣品室。
待測樣品2置于樣品室，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(jīng)待測樣品2的作為參考束，經(jīng)靜電雙棱鏡4偏轉(zhuǎn)后，在其下方兩束電子束重合，產(chǎn)生含有磁場信息的干涉條紋，在電子干板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，靜電雙棱鏡4這個(gè)裝置是由兩塊板狀接地板和中央的絲狀電極構(gòu)成。絲的直徑為0.35μm，用導(dǎo)電膠固定在一個(gè)框架上，并絕緣地架設(shè)在接地電極上，安裝時(shí)，要使細(xì)絲與接地電極平行，以保證細(xì)絲附近的場是對(duì)稱的，絲上的電壓從0～150V連續(xù)可調(diào)。
電子全息圖中的干涉條紋的間距，可以由加在靜電雙棱鏡4絲上的電壓控制，通常50伏左右。但由于電子的德布羅意波長很短，只有0.03nm，所產(chǎn)生的干涉條紋間距很密，超過通常作為接收器7的電子干版的分辨率。即使具有這種超高分辨率的電子干板，當(dāng)條紋間距小于可見光波長重現(xiàn)時(shí)，除了倏逝波以外，得不到任何信息，因此這個(gè)條紋間距必須經(jīng)放大鏡5放大。
從分辨率的角度來看，干涉條紋間距至少要小于待測樣品的分辨細(xì)節(jié)的三分之一，這就要求有一個(gè)合適的放大倍數(shù)。一般為30萬倍。
電子是帶電粒子，易受外界雜散電磁場的干擾。因此，選擇電子顯微鏡較高工作電壓，有利于電子干涉實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明中選為100KV。
一般電子顯微鏡上都帶有作為接收器6的熒光屏。當(dāng)熒光屏上看到清晰的電子全息圖時(shí)，再放入電子干板7拍攝電子全息圖。
<3>將拍攝好的帶電子全息圖的電子干板7，經(jīng)暗室處理好以后，放在圖2所示的底片架13上進(jìn)行重構(gòu)。
重構(gòu)是在光學(xué)馬赫—陳特爾干涉儀中進(jìn)行的，如圖2所示。本發(fā)明中所使用的馬赫—陳特爾干涉儀，含有氦—氖激光光源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—氖激光光源8發(fā)射的光束，經(jīng)第一半透半反鏡9后，分成A、B兩束光。光束B經(jīng)全反鏡10和半透半反鏡12后，照明電子干板7上的電子全息圖。光束A經(jīng)全反鏡11和第二半透半反鏡12后，也照明電子干板7上的電子全息圖。
A、B束分別被電子全息圖衍射，各自產(chǎn)生0級(jí)、±1級(jí)衍射，分別調(diào)整全反射鏡10、11，讓A束在全息圖7上產(chǎn)生的+1級(jí)(或-1級(jí))衍射波，和由B束在電子全息圖7上產(chǎn)生的-1級(jí)(或+1級(jí))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，由于來自電子全息圖7上重構(gòu)的物波和它的共軛波是位相相反的，即A束產(chǎn)生的+1級(jí)衍射波和B束產(chǎn)生的-1級(jí)衍射波疊加以后將產(chǎn)生干涉，位相差放大到原來的兩倍，重復(fù)上述過程n次，則位相差放大2n倍。
從上述重現(xiàn)獲得的干涉圖的照片中讀取干涉條紋相鄰等相位環(huán)的半徑，即 和 的數(shù)值，加速電壓Va＝100KV，電子波長λ＝0.04×10-10nm，計(jì)算出待測樣品2的電荷量Q＝10-16庫侖。
權(quán)利要求
1.一種極弱微靜電荷電量的測量方法，其特征在于它包括下列步驟<1>準(zhǔn)備由含電場及電子構(gòu)成的待測樣品，待測樣品的厚度小于或等于500nm；<2>將上述待測樣品置于電子顯微鏡中，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干板，置放在光學(xué)馬赫—陳特爾干涉儀上，進(jìn)行位相差放大，獲得干涉圖，讀取干涉圖中的干涉條紋數(shù)目N，利用下列公式求得待測樣品的荷電量為Q=λVaK[arcsinhM1M2ax12+y12-arcsinhM1M2ax22+y22]]]>式中M1、M2為電子顯微鏡放大倍數(shù)和重現(xiàn)波段光學(xué)放大倍數(shù)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，特別適用于荷電量小于10－16庫侖的弱電場的測量，待測樣品厚度小于或等于500nm。首先將待測樣品置于電子顯微鏡中，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干板，置放在光學(xué)馬赫－陳特爾干涉儀上，進(jìn)行位相差放大，獲得干涉圖，讀取干涉圖中的干涉條紋數(shù)，就可以獲得待測樣品的電場及荷電量。與在先技術(shù)相比，本發(fā)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(hào)G01R29/24GK1603848SQ200410084269
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月17日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 徐至展 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所