超快電子衍射系統(tǒng)的理論與實驗研究.pdf

1、本文介紹了一種最新研制的具有較高時間和空間分辨能力的超快電子衍射系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用超短電子脈沖進(jìn)行皮秒或飛秒量級的電子衍射來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)相變，是研究微晶、表面、薄膜等的結(jié)構(gòu)動力學(xué)過程的先進(jìn)手段。我們研制的超快電子衍射系統(tǒng)由超短脈沖激光器、短磁聚焦電子槍、樣品室、探測衍射圖案的雙MCP探測器、測量電子脈寬的同步掃描電路、圖像讀出系統(tǒng)及超高真空系統(tǒng)等組成。 本論文主要涉及以下幾個方面的內(nèi)容： ①超快電子衍射系統(tǒng)的理論研究，主

2、要內(nèi)容有掃描狀態(tài)下電子束偏轉(zhuǎn)距離的計算公式的推導(dǎo)，并由此得出一套測量、計算電子束脈寬的方法；在這套公式的指導(dǎo)下，分析了測量電子束脈寬時的同步過程，相關(guān)的結(jié)論對于動態(tài)掃描實驗過程具有一定的指導(dǎo)意義。 ②介紹了I代和II代超快電子衍射系統(tǒng)的電子光學(xué)設(shè)計過程，包括光電子發(fā)射過程的抽樣；電子槍內(nèi)電場、磁場的計算；電子運動軌跡的追蹤；電子束的飛行時間、空間位置、以及角度等的分布的計算。通過計算得到了超快電子衍射系統(tǒng)的物像關(guān)系，以作為超快電

3、子槍設(shè)計的基礎(chǔ)。對陰極的面型做了理論分析，發(fā)現(xiàn)陰極表面發(fā)射點附近的電場對克服光電子初始能量彌散至關(guān)重要，提出了一種簡單易行的改進(jìn)超快電子槍時間分辨的方法。 ③介紹了I代和II代超快電子衍射系統(tǒng)的設(shè)計和研制過程，包括光電陰極、磁聚焦系統(tǒng)、靜電偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)、電子圖像增強(qiáng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計，以及對超快掃描電路的介紹和超快掃描電路的測試結(jié)論等，對I代和II代系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了比較。 ④介紹了超快電子衍射系統(tǒng)的調(diào)試過程及

4、部分參數(shù)的測試，結(jié)果顯示電子束斑可以被聚焦到100um，x和y方向的偏轉(zhuǎn)靈敏度分別可以達(dá)到26.8mm／kV和49.2mm／kV，電子束的發(fā)散角小于1.1mrad。 我們所研制的超快電子衍射系統(tǒng)，具有如下特點； ·在國內(nèi)首次提出對具有高時空分辨能力的飛秒電子衍射系統(tǒng)的研究，該項目的開展對我國超短電子脈沖技術(shù)及光物理等學(xué)科的發(fā)展具有重要意義； ·首次將陰極和柵極之間的加速電壓提高到50～60kV，將陰極和柵極之間的

5、加速電場提高到10kV／mm，加速電壓的提高減少了光電子在電子槍中的飛行時間，而加速電場的提高極大的減小了光電子在陰柵極之間的時間彌散，有效的提高了電子衍射系統(tǒng)的時間分辨率。解決了光電陰極和柵網(wǎng)的耐高電壓和高電場問題； ·在柵網(wǎng)后增加100um的陽極小孔對光電子進(jìn)行整形，以提高系統(tǒng)的時空分辨率和動態(tài)范圍，減小電子束在靶材料上的入射角度，增大電子束的焦深，從麗使得更深入地研究樣品材料內(nèi)部原子的運動狀態(tài)成為可能； ·采用銀光