用于超快电子衍射和超快电子显微镜的电子源装置

摘要

一种用于超快电子衍射和超快电子显微镜的电子源装置，包括低功率微波信号源，移相器、固态放大器和速调管、衰减器和环流器，沿所述的低功率微波信号源输出的微波信号方向依次是第一移相器、固态放大器和速调管，在所述的速调管的输出端与功率分配器的输入端相连，该功率分配器将所述的速调管输出的兆瓦级微波信号分为两路：第一路微波信号依次经所述的第一衰减器和环流器输入到电子枪前部的1.5腔内，第二路微波信号依次经第二衰减器和第二移相器输入电子枪后部的单腔内。本发明将束流能散度由10

说明书

技术领域

本发明涉及超快电子源，特别是一种用于超快电子衍射和超快电子显微镜的电子源装置。 

背景技术

目前，由于超快电子衍射和超快电子显微镜技术都同时具有空间分辨率和时间分辨率高的巨大优势，逐渐成为研究物质分子动力学和纳米结构科学的重要工具。超快实验中，时间分辨率决定于电子束团的长度，很多实验要求电子束团短至百飞秒以下并含有足够多的电子，多达10⁶个，才能够做到单发束团获得足够的样品信息。

现在多数电子衍射和电子显微镜所用的电子源是采用静电高压电子枪，电子能量几十伏到几百千伏。由于加速场梯度小，空间电荷效应严重。在保证单个电子束团足够强的情况下，束团长度只能在皮秒量级；要保证单个电子束团长度在百飞秒以下，电子束团中含有的电子数目必然少于10⁴，单发电子束团探测，得不到足够的样品信息。近年来，随着光阴极微波电子源技术的成熟，基于微波电子源的超快电子衍射和超快电子显微镜技术得到发展。由于微波电子源的加速场梯度非常高，电子束团可以在很短的距离被加速到近相对论速度，空间电荷效应被一定程度地抑制。含有10⁶个电子的电子束团完全可以被控制在百飞秒量级。但是由于加速机制的原因，微波电子源产生的电子束团能散较大，一般在10^-3量级，严重影响了超快电子衍射的空间分辨率和超快电子显微镜成像的能力，成为超快技术发展的瓶颈。

目前基于微波电子源的超快电子衍射装置普遍采用的电子源是S波段1.5腔电子枪，电子枪结构和微波能量馈入系统，见图1。为获得好的束流品质，束团中心在微波周期的一个相位区间注入。由于束团有一定长度，头尾在电子枪内受到的纵向加速和横向聚焦不同，头尾得到的能量不同，这是束流能散的主要原因。由图2可以看到，束流头部的能量低，尾部的能量高，能量与束团上的位置有线性关系。

发明内容

为了解决微波电子源能散大，电子衍射图样变宽、空间分辨率变差和电子衍射成像困难的问题，本发明提供一种用于超快电子衍射和超快电子显微镜的电子源装置，该装置可以将微波电子源的束流能散度由10^-3抑制到10^-5以下，极大地提高超快电子衍射的空间分辨率。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于超快电子衍射和超快电子显微镜的电子源装置，包括低功率微波信号源，第一移相器、固态放大器、速调管、第一衰减器和环流器，其特征在于，沿所述的低功率微波信号源输出的微波信号方向依次是所述的第一移相器、固态放大器和速调管，在该速调管的输出端与功率分配器的输入端相连，该功率分配器将所述的速调管输出的兆瓦级微波信号分为两路：第一路微波信号依次经所述的第一衰减器和环流器输入电子枪前部的1.5腔内，该1.5腔用来加速电子束；第二路微波信号依次经第二衰减器和第二移相器输入电子枪后部的单腔内，该单腔用来减小电子束团的能散。

所述的电子枪是2.5腔电子枪。由前后两个在机械结构上互相连接的1.5腔和单腔构成，该1.5腔与单腔之间没有微波能量耦合，可以独立调节输入的微波能量和相位。

本发明电子源装置的工作过程如下：

低功率微波信号源输出的低功率微波信号经第一移相器、固态放大器和速调管，从所述的速调管输出兆瓦级微波信号，该兆瓦级微波信号经所述的功率分配器将所述的速调管输出的兆瓦级微波信号分为两路：第一路兆瓦级微波信号依次经所述的第一衰减器和环流器输入1.5腔，该1.5腔用来加速电子束，产生束流头部的能量低，尾部的能量高，能量与束团上的位置有线性关系的电子束。第二路兆瓦级微波信号依次经第二衰减器和第二移相器输入单腔，通过对第二移相器的调节单腔内微波的相位，使电子束团的中心对到微波的零相位，使1.5腔输出的加速电子束的能量高的尾部电子减速，而能量低的头部电子加速，从而减小束团的能散，而束团的平均能量不变，利用衰减器调节输入功率，利用移相器扫描微波相位，测量能散，反复多次，直至获得束流能散小于10^-5。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

由于在1.5腔体后增加一个单腔体，1.5腔与单腔之间相互独立，没有能量耦合，可以独立地调节馈入的微波能量和相位。

由1.5腔加速的电子束，束流头部的能量低，尾部的能量高，能量与束团上的位置有线性关系。电子束进入单腔，通过第二移相器调节单腔内微波的相位，使电子束团的中心对到微波的零相位。能量高的尾部电子减速，能量低的头部电子加速，从而减小束团的能散，而束团的平均能量没有变化，参见图3。将微波电子源的束流能散度由10^-3抑制到10^-5以下，极大地提高超快电子衍射的空间分辨率，使得超快电子显微镜成像成为可能。将微波功率馈入到1.5腔，单腔无功率输入，产生电子束。调节微波相位，测量能散，找到一个优化的工作相位：能散小，而且能量与束团位置有线性关系。 单腔内输入微波，利用衰减器调节输入功率，利用移相器扫描微波相位，测量能散，反复多次，直至获得束流能散小于10^-5。

附图说明

图1是现有的超快电子衍射装置微波电子源的原理示意图。

图2是现有技术能量与束团上的位置线性关系图。

图3是本发明单腔减小束团能散的原理图。

图4是本发明用于超快电子衍射和超快电子显微镜的电子源装置原理示意图。

图5是本发明中2.5腔电子枪的机械结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图4，图4是本发明用于超快电子衍射和超快电子显微镜的电子源装置原理示意图，如图所示，一种用于超快电子衍射和超快电子显微镜的电子源装置，包括低功率微波信号源，第一移相器1、固态放大器2、速调管3、第一衰减器5和环流器6，沿所述的低功率微波信号源输出的微波信号方向依次是所述的第一移相器1、固态放大器2和速调管3，在该速调管3的输出端与功率分配器4的输入端相连，该功率分配器4将所述的速调管3输出的兆瓦级微波信号分为两路：第一路微波信号依次经所述的第一衰减器5和环流器6输入电子枪7前部的1.5腔内，该1.5腔用来加速电子束；第二路微波信号依次经第二衰减器8和第二移相器9输入电子枪7后部的单腔内，该单腔用来减小电子束团的能散。

图5是本发明中2.5腔电子枪的机械结构示意图，如图所示，电子枪7是2.5腔电子枪，由前后两个在机械结构上互相连接的1.5腔和单腔构成，该1.5腔与单腔之间没有微波能量耦合，输入的微波能量和相位的可以独立调节。

本发明用于超快电子衍射和超快电子显微镜的电子源装置的具体调试过程如下：

（1）将微波功率馈入到1.5腔，而单腔无功率输入，产生电子束。利用第一移相器1，调节微波相位，测量束流能量和能散，选定2.5腔电子枪腔体7前部1.5腔的工作相位：能散小，能量与束团位置有线性关系。

（2）2.5腔电子枪腔体7后部单腔内也同时输入微波，利用第二衰减器8调节输入功率，利用第二移相器9调节单腔内的微波相位，测量束流能量和能散，反复多次，直至获得束流能散小于10^-5。