超快电子衍射系统的理论与实验研究

摘要

本文介绍了一种最新研制的具有较高时间和空间分辨能力的超快电子衍射系统，该系统利用超短电子脉冲进行皮秒或飞秒量级的电子衍射来研究物质的结构相变，是研究微晶、表面、薄膜等的结构动力学过程的先进手段。我们研制的超快电子衍射系统由超短脉冲激光器、短磁聚焦电子枪、样品室、探测衍射图案的双MCP探测器、测量电子脉宽的同步扫描电路、图像读出系统及超高真空系统等组成。 本论文主要涉及以下几个方面的内容： ①超快电子衍射系统的理论研究，主要内容有扫描状态下电子束偏转距离的计算公式的推导，并由此得出一套测量、计算电子束脉宽的方法；在这套公式的指导下，分析了测量电子束脉宽时的同步过程，相关的结论对于动态扫描实验过程具有一定的指导意义。 ②介绍了I代和II代超快电子衍射系统的电子光学设计过程，包括光电子发射过程的抽样；电子枪内电场、磁场的计算；电子运动轨迹的追踪；电子束的飞行时间、空间位置、以及角度等的分布的计算。通过计算得到了超快电子衍射系统的物像关系，以作为超快电子枪设计的基础。对阴极的面型做了理论分析，发现阴极表面发射点附近的电场对克服光电子初始能量弥散至关重要，提出了一种简单易行的改进超快电子枪时间分辨的方法。 ③介绍了I代和II代超快电子衍射系统的设计和研制过程，包括光电阴极、磁聚焦系统、静电偏转扫描系统、电子图像增强系统、真空系统、控制系统的设计，以及对超快扫描电路的介绍和超快扫描电路的测试结论等，对I代和II代系统的参数进行了比较。 ④介绍了超快电子衍射系统的调试过程及部分参数的测试，结果显示电子束斑可以被聚焦到100um，x和y方向的偏转灵敏度分别可以达到26.8mm／kV和49.2mm／kV，电子束的发散角小于1.1mrad。 我们所研制的超快电子衍射系统，具有如下特点； ·在国内首次提出对具有高时空分辨能力的飞秒电子衍射系统的研究，该项目的开展对我国超短电子脉冲技术及光物理等学科的发展具有重要意义； ·首次将阴极和栅极之间的加速电压提高到50～60kV，将阴极和栅极之间的加速电场提高到10kV／mm，加速电压的提高减少了光电子在电子枪中的飞行时间，而加速电场的提高极大的减小了光电子在阴栅极之间的时间弥散，有效的提高了电子衍射系统的时间分辨率。解决了光电阴极和栅网的耐高电压和高电场问题； ·在栅网后增加100um的阳极小孔对光电子进行整形，以提高系统的时空分辨率和动态范围，减小电子束在靶材料上的入射角度，增大电子束的焦深，从丽使得更深入地研究样品材料内部原子的运动状态成为可能； ·采用银光电阴极来提高光电子发射的量子效率，采用磁聚焦透镜来提高系统的时闻分辨率。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.1.1电子的波动性及其实验验证

1.1.2电子衍射的物理学基础

1.1.3电子显微镜

1.1.4研制超快电子衍射系统的意义

1.2超快电子衍射系统在国外的研究进展

1.2.1超快电子衍射在物理学方面的研究进展

1.2.2超快气相电子衍射在化学方面的研究进展

1.3国内的研究状况

1.4论文内容安排

参考文献

第二章 超快电子衍射系统的理论研究

2.1总体设计

2.2聚焦系统

2.2.1静电聚焦和磁聚焦

2.2.2近轴区旋转对称静电场的聚焦特性

2.2.3近轴区旋转对称磁场的聚焦特性

2.3偏转扫描系统

2.3.1偏转扫描系统概述

2.3.2电子脉宽测量的传统方法

2.3.3扫描过程中偏转距离的精确解

2.4时间分辨特性

2.4.1时间分辨率的定义

2.4.2超快电子衍射系统时间特性的分析

2.5调制传递函数

2.5.1空间传递函数

2.5.2时间传递函数

本章小结

参考文献

第三章 超快电子枪的电子光学设计

3.1光电发射过程

3.1.1光电子的初始状态分布

3.1.2统计抽样

3.2电子光学计算方法

3.2.1空间电场和磁场分布的计算

3.2.2电子轨迹的计算

3.3 Ⅰ代超快电子衍射系统的电子光学计算

3.3.1超快电子枪的场分布

3.3.2像面的定义

3.3.3电子的运动轨迹

3.3.4电子束的空间位置分布

3.3.5飞行时间的统计分布

3.3.6角度分布

3.3.7空间调制传递函数

3.4 Ⅱ代超快电子衍射系统的电子光学计算

3.4.1电子飞行时间的统计分布

3.4.2电子束的空间位置分布

3.4.3光电子的角度分布

3.4.4光电子的速度分布

3.4.5 Ⅱ代电子枪在不同加速电压下的时间特性

3.5光电阴极与时间分辨率

3.5.1光电阴极的表面缺陷对时间分辨率的影响

3.5.2球面光电阴极对时间分辨率的影响

3.5.3缺陷和面型影响分辨率的机制

3.6超快电子枪时间特性的优化措施

本章小结

参考文献

第四章 Ⅰ代超快电子衍射系统的研制

4.1 Ⅰ代超快电子衍射系统的结构

4.2光电子的发射与加速系统

4.2.1光电阴极

4.2.2 Ⅰ代超快电子衍射系统的光电发射与加速系统

4.3磁聚焦系统的研制

4.4偏转系统的设计与制作

4.5图像增强与转换系统

4.5.1图像增强系统

4.5.2图像转换系统

4.5.3用于超快电子衍射系统的图像增强与图像转换系统

4.6真空系统的设计

4.7控制系统及控制流程

4.8超快扫描电路模块

4.8.1雪崩晶体管扫描电路

4.8.2延时电路

4.8.3扫描电路模块

4.8.4偏置与扫描的阻抗匹配

4.8.5扫描曲线

4.8.6触发延时

4.9 Ⅰ代超快电子衍射系统的研制过程

本章小结

参考文献

第五章 Ⅱ代超快电子衍射系统的研制

5.1 Ⅱ代超快电子衍射系统的设计思路

5.2 Ⅱ代系统的结构

5.3 Ⅱ代系统的光电子发射与加速系统

5.4 Ⅱ代系统的磁聚焦系统

5.5 Ⅱ代系统的偏转系统

5.6 Ⅱ代系统的外形图

5.7 Ⅱ代系统与Ⅰ代系统的比较

本章小结

第六章 超快电子衍射系统的测试

6.1紫外光源系统

6.2 Ⅰ代超快衍射系统的静态测试

6.2.1电子束斑大小与电子束发散角的测量

6.2.2偏转灵敏度

6.3 Ⅰ代超快电子衍射系统初步的物理实验

6.4 Ⅱ代超快电子衍射系统的调试与静态测试

6.5超快电子衍射系统的动态测试

6.5.1超短电子脉冲宽度的测量方法

6.5.2Ⅱ代超快电子衍射系统的测试方案

本章小结

参考文献

第七章 改进与展望

科研成果

致谢