超快電子衍射系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文介紹了一種最新研制的具有較高時(shí)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(jí)的電子衍射來(lái)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(cè)衍射圖案的雙MCP探測(cè)器、測(cè)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(gè)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(jì)算公式的推導(dǎo)，并由此得出一套測(cè)量、計(jì)算電子束脈寬的方法；在這套公式的指導(dǎo)下，分析了測(cè)量電子束脈寬時(shí)的同步過(guò)程，相關(guān)的結(jié)論對(duì)于動(dòng)態(tài)掃描實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jì)過(guò)程，包括光電子發(fā)射過(guò)程的抽樣；電子槍內(nèi)電場(chǎng)、磁場(chǎng)的計(jì)算；電子運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤；電子束的飛行時(shí)間、空間位置、以及角度等的分布的計(jì)算。通過(guò)計(jì)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(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)陰極的面型做了理論分析，發(fā)現(xiàn)陰極表面發(fā)射點(diǎn)附近的電場(chǎng)對(duì)克服光電子初始能量彌散至關(guān)重要，提出了一種簡(jiǎn)單易行的改進(jìn)超快電子槍時(shí)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(jì)和研制過(guò)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(jì)，以及對(duì)超快掃描電路的介紹和超快掃描電路的測(cè)試結(jié)論等，對(duì)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(guò)程及

4、部分參數(shù)的測(cè)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(diǎn)； ·在國(guó)內(nèi)首次提出對(duì)具有高時(shí)空分辨能力的飛秒電子衍射系統(tǒng)的研究，該項(xiàng)目的開(kāi)展對(duì)我國(guó)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(chǎng)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(shí)間，而加速電場(chǎng)的提高極大的減小了光電子在陰柵極之間的時(shí)間彌散，有效的提高了電子衍射系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。解決了光電陰極和柵網(wǎng)的耐高電壓和高電場(chǎng)問(wèn)題； ·在柵網(wǎng)后增加100um的陽(yáng)極小孔對(duì)光電子進(jìn)行整形，以提高系統(tǒng)的時(shí)空分辨率和動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)成為可能； ·采用銀光