一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置

摘要

本发明提供一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置，包括入射窗片、密封部件、真空腔体、光阴极、栅网、阳极、观察窗片、分子泵、前级干泵、电子聚焦磁透镜、射频电子压缩腔、射频信号发生装置、X方向电子偏转板、Y方向电子偏转板、电子扫描板。本发明既有效抑制空间电荷效应对电子束脉冲纵向脉宽的展宽作用；又减小了由于阳极小孔处电场畸变而造成的电子束发散度增加的问题。本发明产生在横向和纵向都具有超高分辨率的电子脉冲，可实现对分子反应动力学等超快过程的超高时间分辨和空间分辨的实时探测。

说明书

技术领域

本发明涉及超快电子束动力学研究领域，尤其涉及一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置。

背景技术

自20世纪80年代开始，飞秒激光器的诞生使得超快分子反应动力学成为研究的热点，起初对于这些超快过程的探究大多采用时间分辨反射/透射光谱或拉曼光谱等全光学方法。这些方法固然能探测到原子分子结构变化的信息，但光谱与原子分子结构信息之间的关系至今仍未有全面的解释，这无疑增大了对瞬态快速反应动力学中结构变化信息的分析难度。此外，受到材料光学性质的影响，这些方法的适用范围有很大的局限性。而X射线衍射和超快电子衍射技术恰恰弥补了这一不足，衍射信息是分子结构的直观反映，它为直接研究某些复杂的超快反应过程提供了强有力的工具。其中超快电子衍射技术利用超快电子束作为探针，有着散射截面大、对样品损伤小以及易于控制等多重优点，近年来吸引了越来越多的关注并已在分子反应动力学、凝聚态物理以及材料科学方面显示出了其巨大的应用潜力。

超快电子衍射技术的关键在于如何获得超快电子脉冲，它决定了我们对微观世界的探测精度。一般，产生超短电子束最常见的方法是利用激光照射光电阴极发生外光电效应，释放电子。所产生的电子脉冲的电子束密度取决于激光脉冲的功率密度。这些电子从光阴极出射的瞬间，完全复制了入射激光的时域特性。但是随着电子束在空间的传播，电子之间的库仑斥力（空间电荷效应）开始发挥作用，使得电子束因彼此之间的排斥作用在横向和纵向上发生严重的展宽，如包含有10⁶电子数的电子脉冲经过几厘米的距离，其脉冲宽度将会由几百飞秒展宽至几个到几十个皮秒，脉冲横截面积从几十微米上升到几毫米，这无疑大大降低了探测的时空分辨率。为克服这一难关，国内外诸多研究小组（A.H.Zewail、R.J.Miller等）都在致力于进一步提高超快电子衍射系统的时间分辨率和空间分辨率，如Zewail小组采用减少脉冲电子束密度的方法获得了脉冲宽度在亚皮秒量级（100fs-500fs）的电子束 ，Miller工作组通过减小电子枪的长度以减少电子束的飞行距离的方法达到抑制电子束脉冲展宽的目的。虽然利用这些方法可以获得脉冲宽度较窄甚至飞秒量级的电子脉冲，但却是以牺牲脉冲电子数密度为代价的，如Zewail小组采用的每脉冲电子数只有3000-5000。而要获得一张清晰的衍射图像，至少需要10⁶个电子，这就需要采用多张图像积分的方法，且至少要对1000张图像进行积分处理，才能获得较好的信噪比。这无疑是浪费时间的，而且对于某些非可逆过程是不适用的，这就迫切要求电子脉冲不仅在时域上要达到要求，同时也要有足够的亮度来获得可供分析的衍射图像。

现有技术中，在电子束飞行过程中，空间电荷效应的存在使得电子束发散度逐渐增加，导致其在三维空间扩散开来，严重影响了电子束在横向和纵向上的脉冲宽度。传统装置中通过减少每脉冲电子数的方法抑制空间电荷效应，容易造成图像模糊和时间浪费，是研究超快物理化学以及生物过程的阻碍。

发明内容

本发明提供了一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置。该装置通过采用适当的加速电压、会聚磁透镜和射频电子压缩获得高时空分辨率且高亮度的电子束，使电子脉冲获得最佳状态，节省实验时间，并提高分别率。本发明克服了传统装置中通过减少每脉冲电子数的方法抑制空间电荷效应而造成的图像模糊和时间浪费，为研究超快物理化学以及生物过程提供了强有力的实验基础。

本发明提供一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置，包括：

入射窗片；

真空腔体与入射窗片通过密封部件连通；加速电极，加速电极固定于真空腔体内，由光阴极、栅网、阳极依次排列构成；

其中，入射窗片、光阴极、阳极和真空腔体同轴设置；

观察窗片设置在真空腔体的腔壁上；真空腔体的腔壁上还通过密封部件连通设置有分子泵，及与分子泵连通的前级干泵；

同轴套接有电子聚焦磁透镜的真空腔体，与上述真空腔体通过密封部件同轴连通，另一端与射频电子压缩腔通过密封部件同轴连通；

射频电子压缩腔的另一端与真空腔体通过密封部件同轴连通；

成对的X电子偏转板、成对的Y电子偏转板、成对的电子扫描板，从左至右依次固定于所述真空腔体内，且与真空腔体同轴设置；

电子聚焦磁透镜，其同轴套接在真空腔体外，可沿真空腔体轴向移动，电子聚焦磁透镜沿真空腔体轴向移动的距离为0-20mm；

射频信号发生装置，其与射频电子压缩腔连接。

其中， X方向偏转板、Y方向偏转板、电子扫描板之间设有圆柱形绝缘陶瓷柱；成对的X方向偏转板、成对的Y方向偏转板和成对的电子扫描板的板平面相互平行设置；成对的X方向偏转板的板平面之间的间距为5-6mm；成对的Y方向偏转板的板平面之间的间距为5-6mm；电子扫描板为平折状，成对的电子扫描板的板平面之间的间距为3-4mm；成对的X电子偏转板、成对的Y电子偏转板和成对的电子扫描板的板间间隙的中心位于真空腔体的轴线上。

本发明中的真空腔体的真空度低于10^-7Pa。

本发明中的阳极中心处有一圆形小孔，小孔的直径为90-120                                                ；栅网的筛孔大小为30-40，栅网通过阳极压块固定在阳极的小孔之上；阳极与光阴极相对平行设置，且垂直于真空腔体的水平轴线；光阴极与阳极之间以陶瓷环绝缘分离，用来调节光阴极和阳极之间的距离为5mm~10mm。

其中，光阴极为背照式光阴极，其材料为磁控溅射技术制成的8nm金膜或40nm的银膜。

本发明中的电子聚焦磁透镜由聚焦线圈以及包覆在聚焦线圈外的磁壳构成，聚焦线圈是直径为0.5-1mm的铜导线，磁壳的材料是纯度为99.6~99.8%的工业纯铁。在磁壳外还包有一层厚度为1-2mm的坡莫合金。电子聚焦磁透镜为空心圆柱状，内径为50-60mm，外径为120-200mm，长度为45-55mm，磁隙为3-7mm。

本发明中的射频电子压缩腔的能量耦合方式为磁耦合，通过弯曲状导体将能量耦合到射频电子压缩腔内，射频电子压缩腔的工作模式为TM010模，工作频率为3.2GHz，频谱宽度为0.5-9MHz，品质因数为500-10000，功功率为0-1.5KW，加速区域长度为5-8mm，加速区域场强范围为0-10kV/mm。

射频信号发生装置进一步包括：80MHz函数信号发生器，相位锁定装置，Micra激光器，PIN管，高功率射频脉冲产生模块、Legend再生放大器和分束片；高功率射频脉冲产生模块进一步包括信号隔离、5倍频带通放大单元，8倍频单元，信号处理单元，功率调制单元和功率合成单元。

本发明采用了独特的射频压缩技术，通过调谐射频电子压缩腔在其内产生适当模式的射频电磁波场分布，使得处于电子束后端的慢速电子获得加速，而前端的快速电子受到减速，这样处于电子束不同位置的电子的运动速度趋于一致，从而获得窄脉宽且高亮度的电子脉冲，其每脉冲电子数大约10⁶个左右。调节射频腔内的电磁场强度，可以改变电子束纵向聚焦位置，保证电子脉冲在样品处达到最佳状态。使用本发明电子枪装置可以节省大量的实验时间。

本发明采用了射频压缩技术，有效抑制空间电荷效应对电子束脉冲纵向脉宽的展宽作用；并在阳极的小孔前加一栅网以获得均匀加速电场，从而减小了由于阳极小孔处电场畸变而造成的电子束发散度增加的问题。本发明可产生在横向和纵向都具有超高分辨率的电子脉冲，从而实现对分子反应动力学等超快过程的超高时间分辨和空间分辨的实时探测。

附图说明

图1为本发明电子枪装置的结构示意图；

图2为本发明中加速电极的局部放大图；

图3为本发明中X方向偏转板、Y方向偏转板、电子扫描板的局部放大图；

图4为本发明中电子聚焦磁透镜的截面图；

图5为本发明中阳极的小孔前未设置栅网时光阴极和阳极间电场的分布图；

图6为本发明中阳极的小孔前设置栅网后光阴极和阳极间电场的分布图；

图7为本发明中电子聚焦磁透镜中轴向的磁场分布图；

图8为本发明中电子聚焦磁透镜的激励电流与聚焦位置的关系曲线图；

图9为本发明中电子聚焦的激励电流与电子焦斑大小的曲线关系图；

图10为本发明中电子聚焦磁透镜对电子脉冲在样品处的会聚效果图；

图11为本发明中相位锁定高功率射频脉冲信号在射频信号发生装置中产生原理图；

图12为本发明中电子脉冲经过射频电子压缩腔后在样品处的纵向聚焦效果图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明。以下实施例并不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。

本发明公开了一种用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置。参考图1所示，本发明用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置包括：

入射窗片1，真空腔体3与入射窗片1连通；真空腔体3的腔壁31上设有观察窗片7，观察窗7主要用于在加高压过程中，观测阴极和阳极之间的打火情况。

另外，真空腔体3的腔壁31上还设置有连通的分子泵9，及与分子泵9连通的前级干泵10。

分子泵9、前级干泵10保证真空腔体3的真空度低于10^-7pa。

参考图2所示，光阴极4、栅网5、阳极6从左至右依次排列构成加速电极a，并固定于真空腔体3内。其中，入射窗片1、光阴极4、阳极6和真空腔体3同轴设置。

本实施例中，光阴极4为背照式光阴极，光阴极4采用的阴极材料为磁控溅射技术制成的30-50nm的银膜，其材料还可以是磁控溅射技术制成的8-10nm金膜。

本实施例中的阳极6中心处有一圆形小孔c，小孔c的直径为100；栅网5通过阳极压块固定在阳极6的小孔c之上，栅网5的筛孔大小为25；阳极6与光阴极4相对平行设置，且垂直于真空腔体3的水平轴线。

光阴极4与阳极6之间以陶瓷环d绝缘分离，陶瓷环调节距离为5-10mm，光阴极4上施加50-100kv的负高压，阳极6接地，两者之间形成10kV/mm的加速电场。

其中，小孔c的直径可以为90-120，栅网5的筛孔大小可以是30-40；不同陶瓷环d用来调节光阴极4和阳极6之间的距离，从而调节加速电极间的电场强度。

真空腔体3还与真空腔体12同轴连通；射频电子压缩腔15两端分别与真空腔体12、17同轴连通；真空腔体17内从左至右同轴设置有成对的X电子偏转板18、成对的Y电子偏转板19、成对的电子扫描板20。

射频信号发生装置21与射频电子压缩腔15通过信号线连接。射频信号发生装置21用于产生射频信号，并将信号耦合到射频电子压缩腔15中。 

射频发生装置21的输出端通过引出信号线连接到射频电子压缩腔15中。

电子聚焦磁透镜13可移动地同轴套接在真空腔体12外，可沿真空腔体12前后移动0-10mm，电子聚焦磁透镜13前后移动时，其与光阴极4距离为164mm~174mm。

另外，入射窗片1与真空腔体3之间，真空腔体3与分子泵9之间，真空腔体3与真空腔体12之间，真空腔体12与射频电子压缩腔15之间，射频电子压缩腔15与真空腔体17之间分别通过密封部件2、8、11、14、16连接，保证连通真空腔体3、12、17的真空度低于10^-7Pa。

本实施例中，真空腔体3、12、17为圆柱形。

参考图3，本实施例中，X方向偏转板18、Y方向偏转板19、电子扫描板20之间设有圆柱形绝缘陶瓷柱b；成对的X方向偏转板18、成对的Y方向偏转板19和成对的电子扫描板20的板平面相互平行设置；成对的X方向偏转板18的板平面之间的间距为6 mm，成对的Y方向偏转板19的板平面之间的间距为6 mm；电子扫描板20为图中所示的平折状，以增大电子的运动范围，防止电子打在电子扫描板20上，其板平面之间的间距为3 mm；成对的X电子偏转板18、成对的Y电子偏转板19和成对的电子扫描板20的板间间隙的中心位于真空腔体17的轴线上。

其中，成对的X方向偏转板18的板平面之间的间距可以是5-6mm，成对的Y方向偏转板19的板平面之间的间距可以是5-6mm，电子扫描板20的板平面之间的间距可以是3-4mm。

参考图4，电子聚焦磁透镜13由聚焦线圈131以及包覆在聚焦线圈131外的磁壳132构成，聚焦线圈131是直径为1 mm的铜导线，磁壳132的材料是纯度为99%的工业纯铁。磁壳132外还包有一层厚度为2 mm的坡莫合金133，用以防止磁场外泄；电子聚焦磁透镜13为空心圆柱状，其内径r为50 mm，外径R为140 mm，长度L为45-55mm。磁壳留有5mm间隙，这样使得磁场能够集中在这5mm的间隙中。

其中，聚焦线圈131的直径可以为0.5-1mm，磁壳132的材料可以是纯度为99.6~99.8%的工业纯铁，坡莫合金133的厚度可以是1-2mm，电子聚焦磁透镜13的内径可以是40-60mm，外径可以是120-180mm。

电子聚焦磁透镜13的匝数为800匝，在电子聚焦磁透镜13上施加不同的激励电流，可以使电子聚焦在不同的位置上。

其中，电子聚焦磁透镜13的匝数可以是800~1000匝。

本实施例中，阳极6与射频电子压缩腔15的距离为250mm，射频电子压缩腔15的能量耦合方式为磁耦合，通过弯曲状导体将能量耦合到射频电子压缩腔15内射频电子压缩腔15的工作模式为TM010模，工作频率为3.2GHz，频谱宽度为0.5-9MHz，品质因数为500-10000，功率为0-1KW，加速区域长度为6mm，加速区域场强范围为0-10KV/mm。TM010模式的射频电子压缩腔15内的电场主要集中在电子束经过的轴线方向上。电场主要集中在射频场的轴向上且随时间快速变化，通过调节射频场和激光场之间的相位，可以使得速度较快的飞行在前面的电子束减速或得到较小的加速度而使得后面的速度较慢的电子被加速或得到更大的加速度，从而达到压缩电子脉冲纵向脉宽的目的。

其中，阳极6与射频电子压缩腔15的距离可以是250-255mm，射频电子压缩腔15的功率可以为0-1.5KW，加速区域长度可以是5-7mm，加速区域场强范围可以是0-10kV/mm。

射频电子压缩腔15的功率源由射频信号发生装置21提供。调节射频电子压缩腔15与Legend再生放大器31产生的激光同步信号之间的相位关系，便可实现电子束中心与射频电子压缩腔15内轴向电场过零点的时间同步，保证电子束中心到达射频电子压缩腔15时，射频电子压缩腔15内轴向电场正好处于零点。零点两侧电场方向相反，这样使得处于电子束前方的电子经历反向电场减速，而处于电子束后方的电子经历正向电场得到加速，从而减小前端粒子和后端粒子之间的速度差，达到减小电子束纵向脉冲宽度的目的。此外，调节电子束到达时射频电子压缩腔15内电场强度和相位，可改变电场对电子束速度的调制程度。经过射频电子压缩腔15射频压缩后的电子脉冲宽度可以达到100fs量级。

图5为本发明中阳极6的小孔前未设置栅网5时光阴极4和阳极6间电场的分布图；图6为本发明中阳极6的小孔前设置栅网5后光阴极4和阳极6间电场的分布图。从图中可以看出，加入栅网5后，阳极6的小孔附近的电场线畸变得到明显改善，可以近似看作匀强电场。

图7为本发明中电子聚焦磁透镜13中轴向的磁场分布图。横坐标的“0”点为电子聚焦磁透镜13的中心，纵坐标的强度为电子聚焦磁透镜13产生磁场的强度。从图中可以看出，电子聚焦磁透镜13产生磁场呈高斯形，中心处磁场最强，且随着施加在导线上的电流的增大而增强。

图8为电子聚焦磁透镜13的激励电流和电子聚焦位置的理论关系曲线。横坐标是对电子聚焦磁透镜13施加的激励电流大小，纵坐标是电子聚焦位置到光阴极4的距离。从图中可以看出，对电子聚焦磁透镜13施加的激励电流越大，焦距越小，电子聚焦位置越近。通过调节激励电流，可以调节电子横向聚焦的位置。

图9为电子聚焦磁透镜13的激励电流与电子焦斑大小的曲线关系图。横坐标是对电子聚焦磁透镜13施加的激励电流大小，纵坐标是电子焦点的半径。从图中可以看出，对电子聚焦磁透镜13施加的激励电流越大，电子焦斑越小。

图10为电子聚焦磁透镜13对电子脉冲在样品处的会聚效果图。横坐标为电子与光阴极4的距离，纵坐标为电子束的半径，由图中可看出，电子束到达电子聚焦磁透镜13前半径大小为0.8mm，经过电子聚焦磁透镜13汇聚后到达放置样品位置电子流的半径大小为0.2mm，实现了对电子束的横向压缩。

电子聚焦磁透镜13通过其产生的5mm范围内的高斯形磁场实现对电子束脉宽的压缩，从而在电子束飞行过程中，减小因为空间电荷效应的存在而对电子束发散度的影响，避免其在三维空间扩散开来，减小电子束在横向和纵向上的脉冲宽度。

本实施例中，射频信号发生装置21进一步包括：80MHz函数信号发生器22、相位锁定装置23、Micra激光器24、两个PIN管25、Legend再生放大器31、高功率射频脉冲产生模块33、分束片32。其中，高功率射频脉冲产生模块33包括隔离、5倍频带通放大单元26、8倍频单元27、信号处理单元28、功率调制单元29、功率合成单元30。

图11为相位锁定高功率射频脉冲信号在射频信号发生装置21中产生原理图。80MHz函数信号发生器22产生的80MHz的脉冲信号输入到相位锁定装置23中作为相位锁定参考信号；Micra激光器24产生的中心频率为80MHz的激光信号输入到PIN管25中并反馈到相位锁定装置23，通过相位差分补偿使得Micra激光器24输出频率为76~80MHz且频率稳定的激光脉冲信号。将该76~80MHz及其高次谐波的梳状谱信号输入到高功率射频脉冲产生模块33中，首先经隔离、5倍频带通放大单元26后得到+15dBm、频率为380~410MHz的5倍频谐波信号；将此信号输入到8倍频单元27后，再输入到信号处理单元28中依次进行滤波、脉冲调制、放大和移相处理得到+7dBm、频率为3.0~3.2GHz的射频脉冲信号；此射频脉冲信号经过功率调制单元29和功率合成单元30进行功率放大、功率合成处理后最终得到峰值为0~1500W，频率为3.0~3.2GHz的高功率射频脉冲信号。

同时，Legend再生放大器31将Micra激光器24输出的激光脉冲信号进行放大至1~1KHz，然后通过分束片32分成两束，其中一束用于电子衍射实验，另一束经过PIN管25后作为调制信号输入到信号处理单元28中对中心频率为3.2GHz的射频脉冲信号进行幅度调制，信号处理单元28上还设有相位旋钮（图中未标示），调节相位旋钮可改变信号处理单元28的输入信号与输出信号之间相位差，进而实现Legend再生放大器31输出的1KHz激光脉冲信号与3.2GHz射频脉冲信号间的时间同步及相位的调节。

由激光器发出的800nm的飞秒激光通过入射窗片1经过三倍频后产生267nm的紫外波段飞秒激光，该波长的激光汇聚到光阴极4上，激光透过光阴极4的蓝宝石玻璃衬底和其上厚度为2nm的粘连钨层后入射到光阴极材料上产生外光电效应，发射电子。

此时光斑大小为25-30，脉冲谱线宽度为3nm，单脉冲能量为10-30。电子束的时空特性与入射飞秒激光完全相同，电子脉冲宽度为50-80fs。改变激光器的功率可改变所产生的电子束密度，将电子束密度调节到10³~10⁷。根据光电效应出射电子动能计算公式，算得出射电子束的平均动能为0.85eV，能量弥散约为0.6eV。一般来说，能量弥散度小于1ev。

光阴极4和阳极6之间的电场在栅网5的作用下近似为均匀电场，从光阴极4出射的电子束在光阴极4与阳极6之间电场强度为10kV/mm的均匀电场加速作用下，每个电子获得50keV能量，利用公式。可以得到阳极6处电子脉冲宽度为260fs。再根据公式，计算得到该能量下电子脉冲波长为0.0536 ，具有很高的空间分辨能力。

电子束经过套有电子聚焦磁透镜13的真空腔体12，电子聚焦磁透镜13通过5mm范围内的高斯形磁场实现对电子束脉宽的压缩。

图12为电子脉冲经过射频电子压缩腔15后在样品处的纵向聚焦效果图。由图可见，电子束从阴极发射出后到达射频电子压缩腔15位置的过程中，纵向脉宽由初始的0.05ps展宽到4ps。经过射频电子压缩腔15压缩后，在样品位置达到了百飞秒量级，有效实现了对电子束的纵向脉宽的压缩。

真空腔体17中的X方向偏转板18和Y方向偏转板19用于校正电子的中心位置，通过调节X方向偏转板18平行板间的电场大小控制电子束的左右位置，通过调节Y方向偏转板19平行板间的电场大小控制电子束的高低位置。

电子扫描板20用于测量电子脉宽，在进行电子衍射实验之前，需要对电子束的脉宽进行测量。测量脉宽时，采用传统的条纹相机的方法，当电子束达到电子扫描板20的入口时，在电子扫描板20上施加一个随时间变化的斜坡电压，使得电子束中不同位置的电子在空间上被拉开，这样就把对电子束的时间测量转变成为了对其空间位置的测量。利用MCP板、荧光屏和EMCCD可以观测到电子斑的位置图像，通过计算实现对电子脉宽的测量。

在本发明用于产生高亮度飞秒电子脉冲的电子枪装置的后方，可接有用于探测电子束的电流密度的法拉第杯，探测电子脉冲的电流值；当脉宽达到一定的实验要求后，便可运用到电子衍射实验中去，实现对超快动力学过程的实时探测。

综上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应属于本发明的技术范畴。