本發(fā)明涉及電子衍射裝置，具體涉及一種基于激光等離子體驅(qū)動的超快電子衍射裝置。

背景技術(shù)：

在原子分子以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中，由于電子的德布羅意波長遠小于光波的波長，采用電子衍射作為探測手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學顯微鏡極大的提高了空間分辨率。超快電子衍射由于同時具有高的空間分辨率和時間分辨率，近年來成為結(jié)構(gòu)動力學研究的重要實驗手段，在物理、化學以及生命科學領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。超快電子衍射實驗中，時間分辨率取決于電子束的脈沖寬度，空間分辨率取決于電子束的能量以及能散，而電子束所包含的電荷量決定了是否能獲得足夠的樣品信息。因此，高品質(zhì)電子束的產(chǎn)生與控制是超快電子衍射實驗的核心。

傳統(tǒng)的超快電子衍射裝置如圖1所示，其采用的電子源是利用飛秒激光脈沖與光電陰極1相互作用，產(chǎn)生脈沖寬度為飛秒量級的超快電子脈沖。再經(jīng)過陽極2加速和磁透鏡3的聚焦，以及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4作用到樣品5上，接收系統(tǒng)6記錄的衍射信息包含樣品時間與空間分辨的特征。然而由于電極產(chǎn)生電場的加速梯度較小，電子束在加速、聚焦、偏轉(zhuǎn)、掃描過程中較長的運動距離將導(dǎo)致嚴重的空間電荷效應(yīng)，使電子束的脈寬展寬，發(fā)散角增大，從而限制了單發(fā)電子束的時間以及空間分辨率；另一方面，通過減小電荷量可以降低空間電荷效應(yīng)的影響，然而得不到足夠的樣品信息。同時該飛秒衍射裝置整體往往比較龐大，造價高昂，也限制了其使用范圍。

田野等人在文獻：“Electron Emission at Locked Phases from the Laser-Driven Surface Plasma Wave”，Physics Review Letter,Vol.109,No.11,2012中提出了一種可以應(yīng)用于超快電子衍射的電子源結(jié)構(gòu)，是將一束飛秒激光與鋁靶相互作用，在激光的反射方向?qū)陌斜砻娴牡入x子體中加速并發(fā)射出電子。在這樣的結(jié)構(gòu)中，電子不需要經(jīng)歷陽極的加速以及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，降低了空間電荷效應(yīng)的影響。但是由于出射電子能譜寬，電子束能散大，獲得的電子束品質(zhì)并不理想。

因此，本領(lǐng)域迫切需要研發(fā)一種可以實現(xiàn)高時間、空間分辨率，并且結(jié)構(gòu)簡單，體積小、成本低的超快電子衍射裝置，使超快電子衍射進一步實際應(yīng)用于醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是通過優(yōu)化激光與固體靶作用產(chǎn)生的電子束品質(zhì)，將其用作超快電子衍射的電子源，從而提供一種高時間分辨率、空間分辨率的超快電子衍射裝置。它不僅能解決現(xiàn)有技術(shù)中電子源能散大，電子衍射圖樣變寬、時間分辨率降低的問題，還具有結(jié)構(gòu)緊湊，建造成本低的優(yōu)點。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種基于激光等離子體驅(qū)動的超快電子衍射裝置，其特點在于，該裝置包括：飛秒激光光源、靶室、樣品控制器、電子束成像系統(tǒng)和真空泵；

所述的靶室是一個具有主脈沖入射窗口的筒狀腔室，在所述的靶室中設(shè)有固體靶和聚焦系統(tǒng)，該聚焦系統(tǒng)由反射鏡和離軸拋物面鏡構(gòu)成，所述飛秒激光光源出射的激光通過主脈沖入射窗口垂直入射到所述靶室中，經(jīng)所述的反射鏡和離軸拋物面鏡聚焦到固體靶的表面；

在所述的固體靶激光的反射方向依次是電子束優(yōu)化系統(tǒng)、控制樣品底座和與所述靶室連接的電子束成像系統(tǒng)，在所述的控制樣品底座上是樣品臺，該樣品臺供設(shè)置待測樣品，從所述固體靶表面發(fā)射的電子束經(jīng)過所述電子束優(yōu)化系統(tǒng)入射到待測樣品上；

所述的電子束成像系統(tǒng)依次由微通道板、熒光屏和CCD構(gòu)成，所述的微通道板與所述的靶室相連通；

所述的真空泵通過插板閥與所述靶室連接；

所述的樣品控制器通過控制電路經(jīng)所述的靶室上的電路接口與所述的控制樣品底座相連；

所述電子束優(yōu)化系統(tǒng)包括：第一狹縫垂直放置在所述固體靶輸出的電子束出射方向上；第一塊二極磁鐵的N極朝上，S極朝下，與所述的第一狹縫平行放置在電子入射方向的右側(cè)；第二塊二級磁鐵的N極朝上，S極朝下，與所述的第一塊二極磁鐵以順時針水平旋轉(zhuǎn)5至15度角放置在電子入射方向的右側(cè)，電子束首先入射進入所述的第二塊二極磁鐵；第二狹縫與所述的第二塊二極磁鐵平行放置在所述的第一塊二極磁鐵和第二塊二極磁鐵間遠離入射電子方向的一側(cè)，用于篩選出單能電子；一個磁透鏡放置在所述第一塊二極磁鐵的電子出射方向，用于對出射的電子束進行聚焦。

所述的飛秒激光光源為短脈沖飛秒激光光源，激光束的脈寬為1至100飛秒，激光峰值功率為10-200拍瓦。

所述的飛秒激光光源輸出的激光經(jīng)所述的聚焦系統(tǒng)聚焦后，在所述的固體靶上的焦斑尺寸為3-25微米。

所述固體靶為平面鋁靶、鎢靶或金靶。

所述的第一狹縫上覆蓋有一層金屬箔。

所述靶室至少有一個通向所述的待測樣品的泵浦光入射窗口，可以增加泵浦-延時系統(tǒng)。

本發(fā)明的工作過程如下：

真空泵將靶室抽真空至壓強低于1-10帕斯卡；飛秒激光器發(fā)出的激光入射到靶室后，被所述聚焦系統(tǒng)聚焦到固體靶的表面，在激光束的反射方向上產(chǎn)生電子束，其時間特性復(fù)制了激光脈沖的時間特性，也具有飛秒量級時間寬度；電子束與反射激光經(jīng)過第一狹縫時，激光被所述狹縫上的金屬薄膜阻擋，而部分電子可以透射通過狹縫；透射電子首先進入所述的第二塊兩極磁鐵中作半圓周運動，具有不同能量的電子圓周運動的半徑不同；從所述的第二塊兩極磁鐵中出射的電子經(jīng)過所述的第二狹縫篩選出相同回旋半徑的單能電子；經(jīng)過篩選的單能電子繼續(xù)進入所述的第一塊二極磁鐵做半個圓周運動后出射；從所述第一塊二極磁鐵中出射的電子經(jīng)過磁透鏡聚焦入射到樣品上；調(diào)節(jié)聚焦激光束的入射角可以改變電子束的初始能量，磁透鏡調(diào)節(jié)電子束的聚焦位置，調(diào)整控制樣品底座可以調(diào)整樣品的位置和角度，從而通過對樣品的衍射實現(xiàn)動態(tài)結(jié)構(gòu)信息探測。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

(1)本發(fā)明超快電子衍射裝置最大的優(yōu)點是時間分辨率高。由于與現(xiàn)有技術(shù)相比，電子束不需要經(jīng)過電場加速，電子的運動距離大大縮短，減小了空間電荷效應(yīng)的影響，顯著提高了時間分辨率，可優(yōu)于100飛秒以下；

(2)本發(fā)明超快電子衍射裝置具有高的空間分辨能力，可優(yōu)于0.01埃；

(3)本發(fā)明超快電子衍射裝置中電子的產(chǎn)生加速以及品質(zhì)優(yōu)化都在真空室內(nèi)完成，裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，可以實現(xiàn)臺式化的超快電子衍射實驗，并且建造成本低。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的超快電子衍射裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明超快電子衍射裝置示意圖；

圖3是本發(fā)明的電子束優(yōu)化系統(tǒng)示意圖；

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。但所給具體實施例只是為了說明本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)精神，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。

圖2是本發(fā)明的超快電子衍射裝置示意圖。如圖2所示，本發(fā)明超快電子衍射裝置，包括：飛秒激光光源7、靶室23、樣品控制器28、電子束成像系統(tǒng)30、真空泵22；

所述的靶室23是一個具有主脈沖入射窗口24的筒狀腔室，在所述的靶室23中設(shè)有固體靶9和聚焦系統(tǒng)31，該聚焦系統(tǒng)31由反射鏡32和離軸拋物面鏡8構(gòu)成，所述飛秒激光光源7出射的激光通過主脈沖入射窗口24垂直入射到所述靶室23中，經(jīng)所述的反射鏡32和離軸拋物面鏡8聚焦至固體靶9的表面；

所述的固體靶9是厚度為微米量級的鋁箔；

在所述的固體靶9激光的反射方向依次是電子束優(yōu)化系統(tǒng)29、控制樣品底座17和與所述靶室23連接的電子束成像系統(tǒng)30，在所述的控制樣品底座17上是樣品臺16，該樣品臺16供設(shè)置待測樣品15，從所述固體靶9表面發(fā)射的電子束經(jīng)過所述電子束優(yōu)化系統(tǒng)29入射到待測樣品15上；

所述的電子束成像系統(tǒng)30依次由微通道板18、熒光屏19和CCD20構(gòu)成，所述的微通道板18與所述的靶室23相連通；

所述的真空泵22通過插板閥21與所述靶室23連接，使真空室的壓強低于1-10帕斯卡；

所述的樣品控制器28通過控制電路27經(jīng)所述的靶室23上的電路接口26與所述的控制樣品底座17相連，能夠?qū)悠?5經(jīng)行位移或旋轉(zhuǎn)的精密控制，實現(xiàn)測量待測樣品15不同方位的衍射信息；

所述電子束優(yōu)化系統(tǒng)29包括：第一狹縫12垂直放置在所述固體靶9輸出的電子束出射方向上；第一塊二極磁鐵10的N極朝上，S極朝下，與所述的第一狹縫12平行放置在電子入射方向的右側(cè)；第二塊二級磁鐵11的N極朝上，S極朝下，與所述的第一塊二極磁鐵10以順時針水平旋轉(zhuǎn)10度放置在電子入射方向的右側(cè)，電子束首先入射進入所述的第二塊二極磁鐵11；第二狹縫13與所述的第二塊二極磁鐵11平行放置在所述的第一塊二極磁鐵10和第二塊二極磁鐵11間遠離入射電子方向的一側(cè)，用于篩選出單能電子；一個磁透鏡14放置在所述第一塊二極磁鐵10的電子出射方向，用于對出射的電子束進行聚焦。

較佳地，激光束為基模高斯光束，激光脈沖具有10至100飛秒的脈寬，10至200拍瓦的峰值功率。激光脈沖入射到固體靶上將在激光的反射方向產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束：脈寬10至100飛秒，能量10至20萬電子伏特，電量10飛庫至10皮庫，能散5％以下。

當?shù)谝粔K兩極磁鐵10和第二塊兩極磁鐵11的磁場均為60毫特斯拉時，經(jīng)過能量篩選的電子束能散可以達到約1％。

當磁透鏡14的匝數(shù)為1006時，電子束聚焦在樣品15處，磁透鏡14的焦距為125.4mm，此時用于超快衍射成像實驗。經(jīng)過優(yōu)化后的電子束具有較短的脈寬和低能散，與樣品相互作用可以實現(xiàn)高的空間分辨率和時間分辨率。