專利名稱：一種多用途超快電子衍射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超快電子衍射裝置，是研究探測物質(zhì)的狀態(tài)、物質(zhì)瞬態(tài)結(jié) 構(gòu)相變、以及一些化學或生物學反應(yīng)過程物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化過程的重要實驗裝置。
背景技術(shù)：
超快電子衍射裝置主要包括激光光源、產(chǎn)生超快電子束的電子槍、樣品室、 電子衍射圖像探測器、真空系統(tǒng)等，其中超短激光脈沖驅(qū)動的超快電子槍是裝 置的核心。
國外學者做了大量的研究如J.Cao， Z.Hao， H. Park， C.Tao， etal; Appl. Phys. Lett.， 2003， 83(5):1044-1046; Hyotcherllhee, Valdimir A. Lobastov ， UdoM. Gomez, etal.， Science, 2001， 291(19):458-462; J. Charles Williamson, J.Cao， Hyotcherllhee, etal. Nature, 1997, 386(13): 159-162。中國學者也做了相關(guān)研 究Zhao Baosheng， etal， SP正VOL6279, 2007;田進壽，趙寶升，吳建軍， 趙衛(wèi)，劉運全，張杰，物理學報，2006， 55 (7): 3368-3374。
現(xiàn)有的超快電子衍射裝置，如"一種飛秒電子衍射裝置"(專利申請?zhí)?200510066313.8)或者如Zhao Baosheng, et al(SPIE VOL6279, 2007)描述的裝 置僅適用于固相物質(zhì)的實驗，用途單一，不能同時適應(yīng)固相、氣相的電子衍射 實驗，電子能量不能調(diào)節(jié)，嚴重地影響了應(yīng)用范圍?，F(xiàn)有的超快電子衍射裝置 的主要不足具體如下
1、 現(xiàn)有的超快電子衍射裝置，由于電子槍、樣品室、電子衍射圖像探測器 處于同一真空系統(tǒng)中，僅能用于固體樣品的衍射實驗。在氣相電子衍射中，由 于引入的氣體元會導致系統(tǒng)真空度下降，而電子槍和圖像探測器均需要工作在 高真空狀態(tài)(10—4Pa)，因此，該裝置不能適用氣相電子衍射。
2、 現(xiàn)有的超快電子衍射裝置采用的光電陰極為Ag陰極，在研究某些氣體物 質(zhì)的化學變化中，有些氣體會腐蝕光電陰極而導致陰極的光電靈敏度下降，甚 至使光電陰極完全失效。
3、 現(xiàn)有的超快電子衍射裝置采用的光電陰極與陽極電壓為-50KV，間距為5mm，其電壓和間距是固定的，其間的場強為10KV，所以電子束的能量是不能 調(diào)節(jié)的。如果通過調(diào)節(jié)外加電壓來改變電子束的能量，則陰極一陽極間的場強 發(fā)生改變會導致電子束時間彌散的改變。 電子束在陰-陽極間的時間彌散
△t=/W2r|E
式中ri是電子的荷質(zhì)比，As為光電陰極的初能量分布，E為陰-陽極間的場強。 在某些需要改變電子束能量(陰-陽極間電壓)同時保證At不變，就必須保證E 不變。因此，在改變陰-陽極間電壓的同時，必須改變陰-陽極間的間距，現(xiàn)有裝 置是無法實現(xiàn)的。
4、 為了使電子束整形，現(xiàn)有的超快電子衍射裝置在陽極上開有100nm的小 孔，而陰-陽極間的電場高達10KV/mm，因此，在小孔附近電場嚴重畸變直接影 響電子的聚焦，導致電子的時間、空間分辨率的下降。
5、 現(xiàn)有的超快電子衍射裝置采用了固定安匝數(shù)(IN)的磁線圈，由于焦距 F二1/NI，因此電子槍的焦距、像距均為固定；大大限制了該裝置的使用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多用途超快電子衍射裝置，其解決了現(xiàn)有的超快 電子衍射裝置不能同時適應(yīng)固相、汽相的電子衍射實驗，電子能量不能調(diào)節(jié)， 陽極上小孔附近電場嚴重畸變，光電陰極可能失效的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種多用途超快電子衍射裝置，包括激光光源、可產(chǎn)生超快電子束的電子
槍20、樣品室19、電子衍射圖像探測器以及抽真空系統(tǒng)，所述電子槍20內(nèi)設(shè) 置有陰極22和陽極24，所述陰極22上鍍有金屬膜，所述陽極24的中心設(shè)置有 陽極小孔25，所述陰極和陽極間設(shè)置有絕緣環(huán)23，所述電子槍20與樣品室19 之間通過電子束通道17連接，所述電子束通道17的外圓周上套有磁線圈6，其 特征在于所述電子束通道17與樣品室19的連接處設(shè)置有電子束通道小孔26， 所述電子束通道小孔26的直徑為01 02腿；所述真空系統(tǒng)包括與電子槍20連 接的電子槍真空系統(tǒng)4以及與樣品室19連接的樣品室真空系統(tǒng)13。
上述陰極22的外端部設(shè)置有壓環(huán)21，所述壓環(huán)21用于將陰極22、絕緣環(huán) 23和陽極24緊壓在電子槍20的殼體內(nèi)。上述陽極小孔25上安裝有金屬柵網(wǎng)18。
上述金屬柵網(wǎng)18的網(wǎng)格尺寸為15,X5fim。
上述磁線圈是一個可沿電子束通道進行軸向微調(diào)的磁線圈。
上述陰極22上蒸鍍的金屬膜為金膜。
上述金屬柵網(wǎng)18的網(wǎng)格尺寸為15拜X5拜。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1、 本發(fā)明的超快電子槍和樣品室分別使用一套抽真空系統(tǒng)，在電子槍和樣 品室之間放置一個①l 02mra的通道可以使電子束通過，由于流導的作用，樣品 室中的氣體反向擴散的很慢。這樣一來，電子槍部分的真空度遠遠高于樣品室 的真空度，則本發(fā)明裝置無論是對固體的超快電子衍射還是氣相的超快電子衍 射均能適用。
2、 本發(fā)明采用對所有氣體都很穩(wěn)定的金(Au)作為光電陰極，絕大多數(shù)氣 體都不會導致Au陰極的腐蝕而失效。
3、 本發(fā)明陰一陽極安裝在可拆卸的真空室內(nèi)，如果光電陰極因意外損毀可 以方便的更換。更為重要的是如果要改變電子束的能量而保證陰一陽極間的電 場在10KV/mm時，只要取下壓環(huán)，更換陰一陽極之間的絕緣環(huán)即可。例如要將 電壓提高到60KV，只需更換為6mm的絕緣環(huán)。如要將電壓降到30KV，只要將 陰一陽極間的絕緣環(huán)減小到3mm。這樣既改變了電子束的能量又不改變電子束 在陰一陽極間的時間彌散。
4、 本發(fā)明為了使電子束整形而不改變陰一陽極間的平行電場分布，在陽極 小孔上安裝有一金屬柵網(wǎng)，柵網(wǎng)的網(wǎng)孔為15pm，網(wǎng)格為5^m。這樣一來保證了 陰一陽極間的場強E是均勻的，從而大大提高了電子的時間\空間分辯率。
5、 本發(fā)明因為絕緣環(huán)尺寸的改變，從而改變了電子的能量(陰一陽極間的 電壓)，電子的軌跡會發(fā)生變化，為了改變電子的運動軌跡而保證電子的焦平面 不變，必須改變磁線圈的安匝數(shù)(IN)和位置；本發(fā)明調(diào)整NI，主要是調(diào)整I的 恒流源，恒流源(1 2土0.0005A)為磁線圈提供穩(wěn)定的電流，可以保證磁場分布 的均勻、穩(wěn)定，從而保證電子光學系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定與精確。這樣一來，在改變 電子能量的前提條件下，電子的軌跡發(fā)生變化，而電子的焦平面不變，實現(xiàn)同 一電子槍在不同電子能量下的正常工作。


圖l是本發(fā)明多用途電子衍射裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是電子槍前端的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是在陽極小孔上增加的柵網(wǎng)示意圖； 圖4是陽極小孔的結(jié)構(gòu)示意圖5為電子束通道小孔的安裝位置示意圖。
其中l(wèi)-輸入窗，2-高壓陶瓷引線，3-真空測量規(guī)，4-電子槍抽真空系統(tǒng)， 5-電子槍與電子束通道之間的轉(zhuǎn)接法蘭，6-磁線圈，7-電子束通道與樣品室之 間的轉(zhuǎn)接法蘭，8-備用盲法蘭，9-光學觀察窗，10-電源引線法蘭，11-雙MCP倍 增器轉(zhuǎn)接法蘭，12-電源引線法蘭，13-樣品室抽真空系統(tǒng)，14-備用盲法蘭，15-氣體引入轉(zhuǎn)接法蘭，16-真空測量規(guī)，17-電子束通道，18-柵網(wǎng)，19-樣品室， 20-電子槍，21-壓環(huán)，22-陰極，23-絕緣環(huán)，24-陽極，25-陽極小孔，26-電子 束通道小孔。
具體實施例方式
本發(fā)明多用途超快電子衍射裝置，包括激光光源、可產(chǎn)生超快電子束的電 子槍20、樣品室、電子衍射圖像探測器以及抽真空系統(tǒng)，激光光源從輸入窗1 進入電子槍20部分，電子槍20上連接有電子槍抽真空系統(tǒng)4和真空測量規(guī)3， 電子槍20內(nèi)設(shè)置有陰極22和陽極24，陰極22上鍍有金膜，陽極24的中心設(shè) 置有陽極小孔25，陽極小孔25上安裝有金屬柵網(wǎng)18，金屬柵網(wǎng)48的網(wǎng)格尺寸 為15,X5pm;陰極22和陽極24間設(shè)置有絕緣環(huán)23;陰極22的外端部設(shè)置有 壓環(huán)21，壓環(huán)21用于將陰極22、絕緣環(huán)23和陽極24緊壓在電子槍20的殼體 內(nèi)；電子束通道的外圓周上套有磁線圈6，磁線圈6是一個可沿電子束通道進行 軸向微調(diào)的磁線圈6;聚焦后的電子束經(jīng)過電子束通道內(nèi)的內(nèi)徑為(Dl 02ram的 通道后進入樣品室19，樣品室19上設(shè)置有多個法蘭5，其中一個法蘭上設(shè)置有 光學觀察窗9，電子衍射圖像探測器通過光學觀察窗9與樣品室19連接；另外 幾個法蘭分別為電源引線法蘭、雙MCP倍增器轉(zhuǎn)接法蘭、氣體引入轉(zhuǎn)接法蘭， 樣品室上還連有真空系統(tǒng)和真空測量規(guī)16。
本發(fā)明工作原理
激光脈沖經(jīng)過三倍頻后照射到光電陰極，從光電陰極上發(fā)射出來的光電子， 其初始能量、方位角、仰角、初始位置以及初始時間彌散都滿足一定的統(tǒng)計分布，光電子經(jīng)柵網(wǎng)(柵極電壓為50KV)加速后，再由陽極小孔準直，超快電子
脈沖經(jīng)過磁透鏡聚焦以很小的束斑轟擊實驗樣品，產(chǎn)生固相/氣相電子衍射圖。
位于樣品后面的微通道板(MCP)增強器記錄電子轟擊樣品時形成的固相/氣相電 子衍射圖像，此電子衍射圖像通過雙MCP探測器的倍增，再轟擊熒光屏產(chǎn)生與電 子衍射圖像相對應(yīng)的可見光圖像。此圖像反映了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，此圖像的改 變也反映了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)改變。
權(quán)利要求
1、一種多用途超快電子衍射裝置，包括激光光源、可產(chǎn)生超快電子束的電子槍(20)、樣品室(19)、電子衍射圖像探測器以及抽真空系統(tǒng)，所述電子槍(20)內(nèi)設(shè)置有陰極(22)和陽極(24)，所述陰極(22)上鍍有金屬膜，所述陽極(24)的中心設(shè)置有陽極小孔(25)，所述陰極和陽極間設(shè)置有絕緣環(huán)23，所述電子槍(20)與樣品室(19)之間通過電子束通道(17)連接，所述電子束通道(17)的外圓周上套有磁線圈(6)，其特征在于所述電子束通道(17)與樣品室(19)的連接處設(shè)置有電子束通道小孔(26)，所述電子束通道小孔(26)的直徑為Φ1～Φ2mm；所述真空系統(tǒng)包括與電子槍(20)連接的電子槍真空系統(tǒng)(4)以及與樣品室(19)連接的樣品室真空系統(tǒng)(13)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多用途超快電子衍射裝置，其特征在于所述陰 極(22)的外端部設(shè)置有壓環(huán)(21)，所述壓環(huán)(21)用于將陰極(22)、絕緣 環(huán)(23)和陽極(24)緊壓在電子槍(20)的殼體內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多用途超快電子衍射裝置，其特征在于所 述陽極小孔(25)上安裝有金屬柵網(wǎng)(18)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多用途超快電子衍射裝置，其特征在于所述金 屬柵網(wǎng)(18)的網(wǎng)格尺寸為15,X5,。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多用途超快電子衍射裝置，其特征在于所述磁 線圈(6)是一個可沿電子束通道(17)進行軸向微調(diào)的磁線圈(6)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多用途超快電子衍射裝置，其特征在于所述陰 極(22)上蒸鍍的金屬膜為金膜。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多用途超快電子衍射裝置，其特征在于所述金 屬柵網(wǎng)(18)的網(wǎng)格尺寸為15,X5拜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多用途超快電子衍射裝置，包括激光光源、可產(chǎn)生超快電子束的電子槍、樣品室、電子衍射圖像探測器以及抽真空系統(tǒng)，其中電子槍內(nèi)設(shè)置有陰極和陽極，陰極上鍍有金屬膜，陽極的中心設(shè)置有陽極小孔，陰極和陽極間設(shè)置有絕緣環(huán)，電子槍與樣品室之間通過電子束通道連接，電子束通道的外圓周上套有磁線圈，電子束通道與樣品室的連接處設(shè)置有電子束通道小孔，電子束通道小孔的直徑為Φ1～Φ2mm；真空系統(tǒng)包括與電子槍連接的電子槍真空系統(tǒng)以及與樣品室連接的樣品室真空系統(tǒng)。本發(fā)明提供一種多用途超快電子衍射裝置，其解決了現(xiàn)有的超快電子衍射裝置不能同時適應(yīng)固、汽相的電子衍射實驗，能量不能調(diào)節(jié)，陽極附近電場嚴重畸變，光電陰極失效的問題。
文檔編號G01N23/20GK101435785SQ20081018496
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月20日
發(fā)明者王俊鋒, 田進壽, 賽小鋒, 趙寶升, 瑋 鄒 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所