高电荷量的飞秒电子束产生系统及单电子束衍射成像系统

电子电路装置的制造及其应用技术1.本技术涉及粒子加速领域，更具体的说，涉及一种高电荷量的飞秒电子束产生系统及单电子束衍射成像系统。背景技术：2.具有飞秒时间分辨率和埃空间分辨率的超快电子衍射是了解生物学、化学、材料科学等领域结构转变的重要工具。3.大多数超快电子衍射设施通常使用光阴极直流枪来产生和加速电子束到几十至几百千电子伏。在如此低的能量下，电子束会因强烈的排斥空间电荷力而展宽，从而限制了时间分辨率。为了实现高时间分辨率，电子束只能包含不超过数百个电子，因此无法实现单发衍射模式。4.申请人研究发现，光阴极微波电子枪产生的兆电子伏电子束可以抑制空间电荷效应，产生短脉宽和高电荷量电子束，其质量足以单次捕获衍射图样。时间分辨率主要受电子束脉宽和时间抖动的限制。因此，长期目标之一是产生时间抖动小的超短电子束。技术实现要素：5.有鉴于此，本技术提供了一种高电荷量的飞秒电子束产生系统及单电子束衍射成像系统，方案如下：6.一种高电荷量的飞秒电子束产生系统，所述飞秒电子束产生系统包括：7.第一光源模块，所述第一光源模块用于出射驱动激光；8.发生模块，所述发生模块用于基于所述驱动激光，出射加速到预设能量的第一电子束；9.调制模块，所述调制模块用于基于两束径向偏振光，对所述第一电子束进行调制，形成第二电子束；10.其中，所述第二电子束为高电荷量的飞秒电子束。11.优选的，在上述飞秒电子束产生系统中，所述发生模块包括微波电子枪，所述微波电子枪的光阴极能够产生飞秒高电荷量电子束，所述飞秒高电荷量电子束基于所述驱动激光的照射从所述光阴极的表面发射，并被微波场加到预设能量，形成所述第一电子束出射。12.优选的，在上述飞秒电子束产生系统中，所述调制模块包括：13.第一聚焦组件，所述第一聚焦组件用于对所述第一电子束进行聚焦；14.第二聚焦组件，所述第二聚焦组件用于对所述两束径向偏振光进行聚焦；所述第一聚焦组件对所述第一电子束进行聚焦后，与所述第二聚焦组件对所述两束径向偏振光进行聚焦的光束在焦点位置相互作用，以通过所述两束径向偏振光对所述第一电子束进行调制；15.第三聚焦组件，所述第三聚焦组件用于对经过所述两束径向偏振光进行调制后的所述第一电子束进行聚焦，形成所述第二电子束。16.优选的，在上述飞秒电子束产生系统中，所述第一聚焦组件为第一螺线管；17.所述第二聚焦组件为离轴抛物面镜；18.所述第三聚焦组件为第二螺线管。19.优选的，在上述飞秒电子束产生系统中，还包括：第二光源模块，所述第二光源模块用于出射所述两束径向偏振光，所述两束径向偏振光的频率差所对应的时间间隔与所述第一电子束的持续时间满足相同条件。20.优选的，在上述飞秒电子束产生系统中，所述第一光源模块发射的驱动激光通过反射镜反射至所述发生模块。21.本技术还提供了一种单电子束衍射成像系统，所述单电子束衍射成像系统包括：22.上述任一项所述飞秒电子束产生系统；23.样品支架，所述样品支架用于放置样品；24.图像采集模块，所述图像采集模块用于采集被所述样品的晶格衍射后的所述第二电子束的衍射图案。25.优选的，在上述单电子束衍射成像系统中，还包括：图像处理系统，所述图像处理系统用于对所述衍射图像进行处理，获取所述样品的晶格信息。26.通过上述描述可知，本技术技术方案提供的高电荷量的飞秒电子束产生系统及单电子束衍射成像系统中，所述高电荷量的飞秒电子束产生系统包括：第一光源模块，所述第一光源模块用于出射驱动激光；发生模块，所述发生模块用于基于所述驱动激光，出射加速到预设能量的第一电子束；调制模块，所述调制模块用于基于两束径向偏振光，对所述第一电子束进行调制，形成第二电子束；其中，所述第二电子束为高电荷量的飞秒电子束。本技术技术方案通过所述调制模块，基于两束径向偏振光，对所述第一电子束进行调制，聚焦产生时间抖动小的超短电子束作为第二电子束出射。附图说明27.为了更清楚地说明本技术实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。28.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。29.图1为本技术实施例提供的一种高电荷量的飞秒电子束产生系统的结构示意图；30.图2为本技术实施例提供的另一种高电荷量的飞秒电子束产生系统的结构示意图；31.图3为本技术实施例提供的又一种高电荷量的飞秒电子束产生系统的结构示意图；32.图4为本技术实施例提供的一种单电子束衍射成像系统的结构示意图；33.图5为本技术实施例中两束径向偏振光的激光脉冲轴向场叠加示意图；34.图6为本技术实施例提供的一种电子束的流强分布以及纵向空间分布示意图；35.图7为本技术实施例提供的电子束到达时间抖动分析示意图；36.图8为从光阴极表面到样品位置的电子束横向尺寸和发射度模拟结果示意图；37.图9为本技术实施例提供的一种电子束相空间和流强分布示意图。具体实施方式38.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。39.近年来，人们研究了许多方法来提高基于光阴极微波电子枪的兆电子伏超快电子衍射的时间分辨率。利用真空中两个不同频率的光场在电子束传播方向上形成有质动力，使行波的传播速度与电子速度同步，导致电子束压缩，形成超短脉冲。为了匹配相对论电子束的速度，两个激光脉冲需要以很小的角度入射，这很难实现。兆电子伏电子束通过使用微波聚束器可以压缩到10飞秒(均方根)，但是到达时间抖动会增加到100飞秒以上。在前后驱动电子束的库仑力作用下，中间的目标束可以被压缩到小于50飞秒。电子束可以通过聚焦在光阴极表面附近的同步径向偏振光脉冲轴向场压缩到亚飞秒。然而，由于电子束在低能量下调制，可以容纳的电荷量低，不能满足单发测量的要求。通过用太赫兹驱动的聚束器代替前面提到的微波聚束器，兆电子伏电子束可以被压缩到大约30飞秒(均方根)，并且到达时间抖动可以减少到大约30飞秒。采用双弯铁消色差压缩器，获得了20飞秒兆电子伏电子束，到达时间抖动可以减小到20飞秒以下。尽管兆电子伏超快电子衍射有很多进步，但产生具有几飞秒时间抖动的几飞秒高电荷量电子束仍然是一个挑战。40.为了进一步提高兆电子伏超快电子延伸时间分辨率，同时提高电子脉冲的电荷量，本技术实施例提供了一种一种高电荷量的飞秒电子束产生系统及单电子束衍射成像系统，可以实现产生飞秒电子束，单束电子束可以加速到兆电子伏，可以应用于超快电子衍射、超快电子透射显微镜以及其他需要具有小时间抖动的飞秒电子束的超快研究领域。41.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。42.如图1所示，图1为本技术实施例提供的一种高电荷量的飞秒电子束产生系统的结构示意图，所述飞秒电子束产生系统包括：43.第一光源模块11，所述第一光源模块11用于出射驱动激光；44.发生模块12，所述发生模块12用于基于所述驱动激光，出射加速到预设能量的第一电子束；45.调制模块13，所述调制模块13用于基于两束径向偏振光，对所述第一电子束进行调制，形成第二电子束；46.其中，所述第二电子束为高电荷量的飞秒电子束。所述飞秒电子束包括能量可以达到几个飞库的高电荷量电子。47.本技术实施例所述种高电荷量的飞秒电子束产生系统，通过所述调制模块13，基于两束径向偏振光，对所述第一电子束进行调制，聚焦产生时间抖动小的超短电子束作为第二电子束出射。其中，所述两束径向偏振光可以为双色径向偏振光。通过调节两个径向偏振光的频率差可以压缩具有不同初始脉宽的电子束。48.如图2所示，图2为本技术实施例提供的另一种高电荷量的飞秒电子束产生系统的结构示意图，基于图1所示飞秒电子束产生系统，图2所示飞秒电子束产生系统还包括：第二光源模块14，所述第二光源模块14用于出射所述两束径向偏振光，所述两束径向偏振光的频率差所对应的时间间隔与所述第一电子束的持续时间满足相同条件。49.其中，第一光源模块11和第二光源模块14包括固体激光器。所述两束径向偏振光的频率差所对应的时间间隔与所述第一电子束的持续时间满足相同条件包括：所述两束径向偏振光的频率差所对应的时间间隔与所述第一电子束的持续时间相等或是近似相等。通过调节两个径向偏振光的频率差可以压缩具有不同初始脉宽的电子束。50.如图3所示，图3为本技术实施例提供的又一种高电荷量的飞秒电子束产生系统的结构示意图，所述发生模块12包括微波电子枪121，所述微波电子枪121的光阴极能够产生飞秒高电荷量电子束，所述飞秒高电荷量电子束基于所述驱动激光的照射从所述光阴极的表面发射，并被微波场加到预设能量，形成所述第一电子束出射。本技术实施例提供了一种基于所述微波电子枪121能够产生飞秒时间抖动的几飞秒高电荷量电子束的新方案，可以用于单发兆电子伏电子衍射成像。51.可选的，所述第一光源模块11发射的驱动激光通过反射镜反射至所述发生模块12，以降低光路系统长度。52.如图3所示，所述调制模块13包括：53.第一聚焦组件131，所述第一聚焦组件131用于对所述第一电子束进行聚焦；54.第二聚焦组件132，所述第二聚焦组件132用于对所述两束径向偏振光进行聚焦；所述第一聚焦组件131对所述第一电子束进行聚焦后，与所述第二聚焦组件132对所述两束径向偏振光进行聚焦的光束在焦点位置相互作用，以通过所述两束径向偏振光对所述第一电子束进行调制；55.第三聚焦组件133，所述第三聚焦组件133用于对经过所述两束径向偏振光进行调制后的所述第一电子束进行聚焦，形成所述第二电子束。56.其中，所述第一聚焦组件131为第一螺线管；所述第二聚焦组件132为离轴抛物面镜；所述第三聚焦组件133为第二螺线管。显然可以基于需求，选择具有本技术技术方案所需聚焦功能的聚焦组件，所述第一聚焦组件131、第二聚焦组件132以及第三聚焦组件133不局限于本技术实施例提供的组件实现方式。57.下面结合图3，对本技术实施例所述飞秒电子束产生系统的工作过程进行进一步描述。58.如上述，本技术实施例所述技术方案能够具有光阴极的微波电子枪131产生几飞秒时间抖动的高电荷量电子束。第一光源模块11出射的驱动激光照射微波电子枪131的光阴极，光阴极的表面通过光电效应发射电子束，电子束被微波电子枪121中的微波场迅速加速到几兆电子伏(第一电子束)。可以根据需求实则微波场的大小，如可以采用2856mhz的微波场加速电子束。加速后的电子束为相对论电子束。加速后的电子束经过第一螺线管聚焦，并与两束经过离轴抛物面镜聚焦的径向偏振光在焦点位置附近相互作用。59.由于两束径向偏振光频率差对应的时间间隔约等于或是等于电子束的持续时间，因此大部分电子在经过双色径向偏振光能量调制并通过第二螺线管聚焦后，可以聚焦为超短电子束(第二电子束)。60.基于上述实施例所述飞秒电子束产生系统，本技术另一实施例还提供了一种单电子束衍射成像系统，如图4所示，图4为本技术实施例提供的一种单电子束衍射成像系统的结构示意图，所述单电子束衍射成像系统包括：61.上述实施例所述飞秒电子束产生系统，所述飞秒电子束产生系统包括：第一光源模块11，所述第一光源模块11用于出射驱动激光；发生模块12，所述发生模块12用于基于所述驱动激光，出射加速到预设能量的第一电子束；调制模块13，所述调制模块13用于基于两束径向偏振光，对所述第一电子束进行调制，形成第二电子束；其中，所述第二电子束为高电荷量的飞秒电子束。所述飞秒电子束包括能量可以达到几个飞库的高电荷量电子；62.样品支架15，所述样品支架15用于放置样品151；63.图像采集模块16，所述图像采集模块16用于采集被所述样品的晶格衍射后的所述第二电子束的衍射图案。64.在图4中，实心圆点表示漂移形成密度调制的电子，虚线箭头表示漂移轨迹。c位置表示第一聚焦组件131的聚焦位置，d位置表示第二聚焦组件132的聚焦位置，e位置表示第三聚焦组件133的聚焦位置，f表示样品141的位置。65.其中，所述图像采集模块16包括ccd相机，所述图像采集模块16不局限于为ccd相机，也可以为其他能够探测电子衍射图案的图像采集设备。66.可选的，所述单电子束衍射成像系统还包括：图像处理系统，所述图像处理系统用于对所述衍射图像进行处理，获取所述样品的晶格信息。67.本技术实施例所述单电子束衍射成像系统中，采用上述实施例所述的飞秒电子束产生系统，如上述，所述的飞秒电子束产生系统能够具有光阴极的微波电子枪131产生几飞秒时间抖动的高电荷量电子束。第一光源模块11出射的驱动激光照射微波电子枪131的光阴极，光阴极的表面通过光电效应发射电子束，电子束被微波电子枪121中的微波场迅速加速到几兆电子伏(第一电子束)。加速后的电子束为相对论电子束。加速后的电子束经过第一螺线管聚焦，并与两束经过离轴抛物面镜聚焦的径向偏振光在焦点位置附近相互作用。68.由于两束径向偏振光频率差对应的时间间隔约等于或是等于电子束的持续时间，因此大部分电子在经过双色径向偏振光能量调制并通过第二螺线管聚焦后，可以聚焦为超短电子束(第二电子束)，在支架15上的样品位置经过样品151衍射后，电子束的衍射图案可以被ccd相机探测。通过对所述电子束的衍射图案进行图像处理，能够获取样品151的晶格信息。通过调节两个径向偏振光的频率差，可以压缩不同初始脉宽的电子束。69.本技术实施例中，两束径向偏振光的激光脉冲叠加效果可以如图5所示，图5为本技术实施例中两束径向偏振光的激光脉冲轴向场叠加示意图，横轴表示时间，纵轴表示电场强度。图5中下图为上图中的局部放大图。70.本技术实施例中，电子束的流强分布以及纵向空间分布如图6所示，图6为本技术实施例提供的一种电子束的流强分布以及纵向空间分布示意图。图6中，第一行幅图中横轴表示时间，纵轴表示流强，第二幅图在横轴表示时间，纵轴表示电子束动能。71.由于空间电荷效应，微波电子枪121出射的第一电子束具有能量啁啾，电子束头部的能量高于尾部的能量，如图6中(c)图所示。72.当调制激光脉冲经过离轴抛物面镜聚焦反射后，在焦点位置d追上电子脉冲，焦点处形成的腔轴上光电场将对电子脉冲进行能量调制，所形成的能量调制如图6中(d)图所示。73.由于电子脉冲速度低于焦点位置d附近激光场的相速度，电子束与激光场之间存在相位滑移动，图6中(d)图中的能量调制将会逐渐变弱，由于待调制电子束速度接近光速，激光脉冲通过焦点d后光斑变大，相应的轴上激光电场强度变弱，图6中(d)图中的能量调制不会完全“抹平”，最终形成的能量调制如图6中(e)图所示。74.通过一段距离的漂移段后，能量调制转换为密度调制，如图6中(f)图所示。75.如图7所示，图7为本技术实施例提供的电子束到达时间抖动分析示意图，对于理想情况，电子束的中心将被双色径向偏振光调制，如图7中的中间图所示。当电子束的能量由于微波场幅度或相位抖动而增加时，电子束的尾部遇到两个径向偏振激光脉冲，这部分电子束的能量低于中心部分电子的能量，如图7中的左图所示。基于与上述相同的原理，当电子束能量降低时，电子束头部被调制，这部分电子束的能量高于中心部分电子的能量，如图7中的右图所示。在这三种情况下，调制部分的电子能量差可以非常小。因此，该本技术实施例所述技术方案可以有效抑制光阴极微波枪中微波场的相位和幅度抖动引起的到达时间抖动。并且，当选择合适的参数时，可以产生时间抖动为亚飞秒的亚飞秒电子束。76.本技术实施例技术方案可以利用聚焦的径向偏振光对电子束进行能量调制；利用光阴极微波电子枪，实现了几飞秒到达时间抖动的几飞秒高电荷量电子束的产生；通过两束频率不同的径向偏振光进行调制，可以将近50％的电子束压缩至超短脉冲内；通过调节两束径向偏振光之间的频率差，可以压缩不同初始脉宽的电子束；对激光功率要求不高，利用现有商业激光器即可满足需求。77.一种实施方式中，微波电子枪121中电场幅值为95mv/m，频率为2856mhz，相位为298°，第一电子束的出射能量为4.561mev。驱动激光激发的光阴极产生的初始电子束参数如下：电子束初始电荷量为8fc，横向为均匀分布，半径为30μm，纵向也为均匀分布，脉宽为50fs，热发射速度为10.8nm·rad。第一螺线管和第二螺线管的有效长度均为0.2m，磁场强度均为0.31t。经过离轴抛物面镜聚焦的两束径向偏振光的脉宽均为0.2ps，焦点d光斑半径为5μm，脉冲能量为1.4mj,波长为800nm/821.9nm。在两径向偏振光调制，电子束的纵向相空间和流强分布前如图6中(c)图所示。离轴抛物面镜的焦点为图4中d，在两径向偏振光调制后，电子束的纵向相空间和流强分布如图6中(e)图所示。在图4中样品位置f衍射成像后，电子束的纵向相空间和流强分布如图6中(f)图所示。78.数值结果表明，具有8fc电荷量的140fs电子束可以压缩为包含3.6fc电荷量的3.3fs(均方根)密度峰，并且到达时间抖动可以抑制到1.35fs(均方根)。79.如图8所示，图8为从光阴极表面到样品位置的电子束横向尺寸和发射度模拟结果示意图。图8中，横轴表示样品位置距离光阴极的距离，左侧纵轴表示电子束横向尺寸，右侧纵轴表示电子束发射度。图8中d点和f点分别表示图4中d点和f点位置，图8中上方两个幅图分别表示下图中d点和f点的局部放大图。通过图8可知，电子束在d点和f点被聚焦到很小的尺寸，仅有1μm左右，且f点的电子束发射度对比初始发射度没有较大增长。80.本技术实施例中，可以通过调节第二螺线管的长度和磁场强度，将样品提前到距离光阴极表面0.73m的位置，此时电子束可以被压缩到0.94fs(均方根)，此时电子束相空间和流强分布如图9所示，图9为本技术实施例提供的一种电子束相空间和流强分布示意图。81.本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。82.需要说明的是，在本技术的描述中，需要理解的是，幅图和实施例的描述是说明性的而不是限制性的。贯穿说明书实施例的同样的幅图标记标识同样的结构。另外，处于理解和易于描述，幅图可能夸大了一些层、膜、面板、区域等厚度。同时可以理解的是，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在其他元件上或者可以存在中间元件。另外，“在…上”是指将元件定位在另一元件上或者另一元件下方，但是本质上不是指根据重力方向定位在另一元件的上侧上。83.术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。84.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。85.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。









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