（物理电子学专业论文）飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制.pdf

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w o r l d , t h ed e m a n do ft h es y s t e m st i m er e s o l u t i o nb e t c o m e sh i g h e ra n d h i 龇可移1 桫机 i nr e c e n ty e a r s ，m a n yf o r e i g nl a b o r a t o r i e sa l ee n g a g e di nt h i s f i e l d ，a n d d e v e l o p e dt h ep i c o s e c o n de l e c t r o nd i f f r a c t i o ns y s t e m sa n df e m t o s e c o n de l e c t r o n d i f f r a c t i o ns y s t e m ss u c c e s s f u l l y as w e e p i n ga n ds y n c h r o n i z i n gc i r c u i to ft h ef e m t o s e c o n de l e c t r o nd i f f r a c t i o n s y s t e m ( f e d ) i sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h ef a l l i n ge x l g eo ft h eo u t p u tw a v e f o r mi s f a s ta n ds h a r p ，s ot h es w e e p i n gs p e e do ft h ew h o l es y s t e mi sp r o m o t e da n dt h et i m e r e s o l u t i o ni sd 墼碧5 日1 l i sc i r c u i tc a nb eu s e dt om e a s u r et h ep u l s ew i d t ho ft h e e 】e c n n nb u n c h j 姒心，硝 i nt h i st h e s i s ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h ef e ds y s t e mi si n t r o d u c e d ，a n dt h ec o m p o n e n t so ft h e 话慨c o n d e “鲫瓣e x p 捌协捌1 。a 删吣恤6 蝴d o f 恤3 y 嚣殿茈 r e s o l u t i o n ，t h ep a r a m e t e r so f t h ec i r c u i ta r ed e c i d e d t h e nt h ec i r c u i td e s i g ni sa n a l y z e d 鬯蛐 5 呦引“哪醒删“咖删蜘棚她岫r y 缸。呷燃秽。g u m 蕊加“” f i n a l l yt h eo u t p u to ft h i sc i r c u i ti sm e a s u r e d t h es l o p eo ft h e a l l i f i ge d g ei s5 6 k v n s ，a n dt h e t r i g g e rd e l a yj s9 n s k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n d e l e c t r o n d i f f r a c t i o n ， s w e e p i n g c i r c u i t , a v a l a n c h et r a n s i s t o r s ，c p w t r i g g e rd e l a y 2 第一章绪论 第一章绪论 “奇迹”，似乎是指某种超自然力量的现象或事件，应该与立足于实证基础 上的科学相互对立。但是在科学史上，却有个年代因为集中出现了某个天才人物 系列的惊人智慧之果，而被称之为“奇迹年”。这就是1 9 0 5 年，在不到1 年 的时间里，工作于伯尔尼瑞士专利局的2 6 岁的天才物理学家爱因斯坦，一口气 完成了6 篇具有划时代意义的物理学论文，其中5 篇于当年、另一篇于次年发表 在当时国际物理学界声望最高的物理学杂志上。这6 篇论文在现代物理学的 3 个不同领域分子运动论、狭义相对论和光量子假说，做出了划时代的伟大 贡献，创造了科学史也是人类历史上的奇迹，改变了整个人类文明的进程，影响 了百年来的物理发展。 因为这六篇论文，后面产生出了量子力学和相对论。量子力学和相对论的建 立，是物理学史上具有划时代意义的里程碑，是2 0 世纪最重要的科学发现，是 人类智慧的结晶，是科学原创的杰出成就和体现。同时使我们对物质世界的认识 建立在崭新的时空观念上，从而不但为现代物理学的发展奠定了基础，也为我们 一百年来科学技术起了奠基的作用，对整个人类的文明和进步起到了前所未有的 推动作用。 可以说整个上个世纪四大发明，其实就是建立在这两大理论基础上的。而这 两大理论的基础就是在1 9 0 5 年爱因斯坦的六篇论文，已经奠定了这个基础。我 们今天所看到的原子能以及半导体、计算机、激光器，实际上都是起源于这两个 基本理论。 为- f h 2 , , 这- - 伟大的年代，全球物理学界一致呼吁2 0 0 5 年为“世界物理年”。 该倡议由欧洲物理学会首先提出，得到国际纯粹与应用物理联合会的一致通过。 2 0 0 4 年6 月，联合国大会第5 8 次会议通过决议，确立2 0 0 5 年为“国际物理年”。 1 1本课题的物理学背景 自然界中的许多基本过程，比如物质状态、结构的变化，化学或生物反应， 以及一些表面动力学过程等，均来源于原子、分子、或粒子的重组。通常这些变 化过程非常短暂，像蛋白质分子的裁剪发生在微秒( m i c r o s e c o n d ) 量级，物质 飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制 状态的变化发生在纳秒( n a n o s e c o n d ) 或皮秒( p i c o s e c o n d ) 量级，化学反应中 化学键的断裂和形成是飞秒( f e m t o s e c o n d ) 量级。这些变化过程，包含着非常 丰富的信息，这些信息是我们认识微观世界，认识物质发展变化所必须了解的内 容。实时的反映这些变化过程，已经成为当前科学研究的重要前沿之一。 1 1 1 光的波粒二象性 光是人类以及各种生物生活不可或缺的最普通的要素，但对它的规律和本性 的认识却经历了漫长的过程。光的波动性早在1 7 世纪就己发现，但当时并没有 建立起系统的有说服力的理论。直到进入1 9 世纪，1 8 0 1 年英国物理学家托马 斯杨( t h o m a sy o u n g ) 做成功了一个判定光的性质的关键性实验光的干涉 实验，并成功得测得光的波长，从而肯定了光的波动性。1 8 1 4 年法国物理学家 菲涅耳( a f r e s n e l ) 设计并进行了光的衍射实验，进一步肯定了光的波动性。 虽然光的波动性有大量的实验事实和光的电磁理论的支持，但是2 0 世纪初 所发现的黑体辐射、光电效应等现象却揭示了把光看作波动的局限性。黑体辐射 问题所研究的是辐射与周围物体处于平衡状态时的能量按波长( 或频率) 的分布。 一个物体如果能全部吸收到达它表面的电磁辐射，这种物体称为黑体。一个空腔 可以看作是黑体。当空腔与内部的辐射处于平衡时，腔壁单位面积所发射出的辐 射能量和它所吸收的辐射能量相等。实验得出的平衡时辐射能量按波长的分布曲 线，其形状和位置只与黑体的绝对温度有关，而与空腔的形状及组成的物质无关。 这一现象是经典物理学所无法解释的。1 9 0 0 年，德国物理学家普朗克( m p l a n c k ) 引进量子概念，假定黑体空腔器壁内谐振子的能量是量子化的，辐射的能量也是 以“量子”的方式进行的，基于此假定，普朗克得到了与实验结果符合的很好的 黑体辐射公式，成功得解释了黑体辐射问题。普朗克的理论开始突破了经典物理 学家在微观领域内的束缚，打开了认识光的微粒性的途径。 1 8 8 7 年德国物理学家赫兹( n h e r t z ) 首先发现了光电效应，进一步的实验 研究表明，当紫外线照射到金属表面时，会有电子从表面发射出来。这种电子称 作光电子。实验证明，只有当光的频率大于一定值时，才有光电子发射出来；如 果光的频率低于这个值，则不论光的强度多大，照射时间多长，都没有光电子产 生；光电子能量只与光的频率有关，而与光的强度无关，光的频率越高，光电子 能量就越大。光的强度只影响光电子的数目，强度增大，光电子的数目就增多。 4 第一章绪论 光电效应的这些规律是经典理论无法解释的。按照光的电磁理论，光的能量只决 定于光的强度，而与光的频率无关。1 9 0 5 年爱因斯坦( a e i n s t e i n ) 发表论文 解释光电效应，第一次提出了光辐射量子的假设。他认为辐射场是由个数目有 限的，局限于很小空间中的，以速度c 传播的能量子组成的，它们在运动中并不 瓦解，只能整个地被吸收或发射，这种能量子称为光量子。采用了光量子概念之 后，光电效应问题就迎刃而解了。光电子的动能只和照射光的频率有关，和光强 无关。1 9 1 6 年密立根( r a m i l i k a n ) 对光电效应进行了精确的测定，从实验上 证明了爱因斯坦光量子理论的正确性。1 9 2 2 年的康普顿( c o m p t o n ) 散射实验又 给了光子概念一个强有力的支持，进一步证实了光具有粒子性。 这样，光就具有微粒和波动的双重性质，这种性质称为波粒二象性旧。 1 1 2 微观粒子的波粒二象性 1 9 2 4 年，年轻的法国学者德布罗意( l d eb r o g l i e ) 在光有波粒二象性的 启示下，提出微观粒子也具有波粒二象性的假说。他把粒子和波通过下面的关系 联系起来：粒子的能量f 和动量p 与波的频率l ，和波长五之间的关系，正象光子 和光波的关系一样，这一公式称为德布罗意公式： e = h v = 壳国( 1 一1 ) ：一hp 行：觥( 1 2 ) 2 万行2 觥 0 1 2 德布罗意假说的正确性，在1 9 2 7 年被美国物理学家戴维逊( c j d a v i s s o n ) 和革末( l h 6 e r m e r ) 所作的电子衍射实验所证实。同年，英国的汤姆逊( g p t h o m s o n ) 用能量l o 4 0 k e v 电子束射在多晶的金属铂薄箔，透射电子的散射 波发生干涉。在金属薄箔后面的照相底片上记录到的由同心圆组成的衍射图样， 令人信服地证实了电子具有波动性，并在测量准确度范围内证明了a = 的正 确性。在1 9 2 9 年，德布罗意获得了诺贝尔物理奖【l 埘。 1 1 3 电子衍射现象的发现 1 9 世纪7 0 年代，在对气体放电现象的研究中发现了阴极射线。实验还发现 阴极射线在电场和磁场中会偏转，由偏转的方向证明阴极射线是带负电的，当时 对射线的性质到底是粒子还是波，存在有不同的观点。1 8 9 4 年斯托尼( j s t o n e y ) 就给阴极射线的粒子命名为电子。但电子的发现最后是以1 8 9 7 年汤姻逊对电子 荷质比的测定为标志。汤姆逊因此而获得1 9 0 6 年的诺贝尔物理奖a 飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制 电子衍射的现象早在1 9 2 1 年，戴维逊和助手康斯曼( c h k u n s r a a n ) 在用 电子束轰击镍靶的实验中就已经被观察到。实验发现镍靶上发射的“二次电子” 竞有少数具有与轰击镍靶的一次电子相同的能量，显然是在金属反射时发生了弹 性碰撞，他们特别注意到“二次电子”的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲 线。1 9 2 5 年，戴维逊和他的助手革末( l h g e r m e r ) 进行电子束的轰击实验。 一次偶然的事件使他们的工作获得了戏剧性的进展。有一天，正当革末给管子加 热、去气，用于吸附残余气体分子的炭阱瓶突然破裂了，空气冲进了真空系统， 致使处于高温的镍靶严重氧化。过去这种事情也发生过，整个管子只好报废。这 次戴维逊决定采取修复的办法，在真空和氢气中加热、给阴极去气。经过两个月 的折腾，又重新开始了正式试验。在这中间，奇迹出现了。1 9 2 5 年5 月初，结 果还和1 9 2 1 年所得差不多，可是5 月中曲线发生特殊变化，出现了好几处尖锐 的峰值。他们立即采取措施，将管子切开，看看里面发生了什么变化。经公司一 位显微镜专家的帮助，发现镍靶在修复的过程中发生了变化，原来磨得极光的镍 表面，现在看来构成了一排大约十块明显的结晶面。他们断定散射曲线的原因就 在于原子重新排列成晶体阵列。这一结论促使戴维逊和革末修改他们的实验计 划。既然小的晶面排列很乱，无法进行系统的研究，他们就作了一块大的单晶镍， 并切取一特定方向来做实验。他们设计了很精巧的实验装置，镍靶可沿入射束的 轴线转3 6 0 。，电子散射后的收集器也可以取不同角度。1 9 2 6 到1 9 2 7 年间，他 们进行了大量的测试工作，取得了一系列的成果，整理发表于1 9 2 7 年1 2 月的“物 理评论”上，论文系统的论述了实验方法和结果，至此电子衍射的现象终于被人 们确认。 戴维逊与革末的实验装置极其精巧( 如图1 1 和图1 2 ) 。整套装置仅长5 英寸、高2 英寸，密封在玻璃泡里，经反复烘烤与去气，真空度达1 0 1 毫米汞柱。 散射电子用一双层的法拉第桶( 叫电子收集器) 收集，送到电流计测量。收集器 内外两层之间用石英绝缘，加有反向电压，以阻止经过非弹性碰撞的电子进入收 集器；收集器可沿轨道转动，使散射角在2 0 9 9 0 。的范围内改变。 6 第一章绪论 置 图1 1 戴维逊的电子衍射实验原理图 图1 2 戴维逊的电子衍射实验装置结构图 图l3 戴维逊所用的电子衍射管 戴维逊对电子衍射现象观察所进行的是低速电子的散射实验，而同时代的 汤姆逊( gp t h o m s o n ) 所进行的是高速电子的散射实验。图1 4 和1 5 为汤姆 逊进行实验的原理图和装置图。它的特点是：电子束经高达上万伏的电压加速， 能量相当于1 0 - 4 0 k e v ，电子有可能穿透固体薄箔，直接产生衍射花纹，不必象 戴维森的低能电子衍射实验那样，要靠反射的方法逐点进行观测，而且衍射物质 也不必用单晶材料，可以用多晶体代替。因为多晶体是由大量随机取向的微小晶 体组成，沿各种方向的平面都有可能满足布拉格条件，所以可以从各个方向同时 观察到衍射，衍射花纹必将组成一个个同心圆环，和x 射线德拜粉末法所得衍射 图形类似。为了说明观察到的现象正是电子衍射，而不是由于高速电子碰撞产生 7 飞秒电子衍射系统扫描与同步电雒的研制 的x 射线衍射，汤姆生用磁场将电子束偏向一方，发现整个图象平移，保留原来 的花样。由此肯定是带电粒子的射线，而不是x 射线。接着，汤姆生和他的同事 对高速电子衍射进行了一系列的实验，进一步得到了电子衍射的衍射花样。从而 比戴维逊更为直接地对电子衍射作出了验证。 图i 4 汤姆逊的电子衍射实验原理 图1 5 汤姆逊的电子衍射实验装置 图1 6 汤姆逊早期的电子衍射图像( 样品为金箔) 戴维逊和汤姆逊从不同的途径分别做出的电子衍射实验，对物理学的发展 有着重大意义。虽然这时量子力学已得到了广泛运用，但电子衍射实验的成功仍 引起了世人的注意。1 9 3 7 年，戴维逊和汤姆逊因电子的衍射现象，证实电子波 而共同获得诺贝尔奖。戴维逊的实验方法后来发展成为低能电子衍射技术 ( l e e d ) ，在表面物理学中发挥了重要作用。汤姆逊的高能电子衍射方法后来发 8 第一章绪论 展成为反射高能电子衍射技术( r h e e d ) ，和戴维逊的低能电子衍射技术( l e e d ) 一样，在固体物理学实验中发挥很大作用，是x 射线衍射方法的又一补充。 1 2超快电子衍射系统的发展与现状 电子衍射和x 射线衍射是人们探索物质结构和相变的重要手段之一，是分析 自然界中的许多基本过程如物质状态、结构的变化，化学或生物反应等的有力途 径。通常这些变化过程非常短暂，在微秒、皮秒、飞秒量级，要在这一时间尺度 上分析观察这些原子量级的瞬态结构的变化，具有时间分辨的电子衍射和x 射线 衍射由于其可以实时提供物质的物理学、化学或生物学特性方面的有关信息而成 为了首选方案。相比之下，电子衍射较x 射线衍射具有以下突出优点：比如电子 源成本低，不需要大尺寸的加速器，电子束的准直和聚焦比较简单，电子束的单 色性好。另外，物质对电子束的散射较强( 约为x 射线的1 0 0 万倍) 。所以电子 衍射特别适用于微晶、表面、以及薄膜的晶体结构等方面的研究。电子衍射强度 大，所需曝光时间短( 只需几秒钟，而x 射线的曝光时间是以小时计的) ，也是 它的突出优点。因此，具有时间分辨能力的电子衍射是一种重要的，不可或缺的 研究手段。 随着对微观世界的逐步了解，对电子衍射系统的时间分辨能力的要求也不断 提高。国外相关实验室都非常重视该方面研究工作。第一个具有时间分辨能力的 电子衍射系统报导于1 9 8 2 年 4 1 ，r o c h e s t e r 大学激光能量实验室的g m o u r o u 研究组成功研制了皮秒( p s ) 电子衍射装置( 图1 7 ) ，利用该装置研究了金属 a l 的融化过程。利用超快电子衍射系统研究a l 的晶格结构的类似实验在以后相 继进行。1 9 9 8 年，俄罗斯普通物理研究院的m y a s c h e l e v 研究组研制了电 子束脉宽为5 0 0 f s ，能量为3 0 k e y 的电子衍射系统，并用3 0 0 a 厚的a l 靶进行实 验，得到了清晰的衍射图案 7 1 。1 9 9 9 年的诺贝尔奖得主、飞秒化学的奠基人a h z e w a i l 8 9 1 研究组利用u e d ( u l t r a f a s te l e c t r o nd i f f r a c t i o n ) 装置( 图1 8 ) 研究了c ：f 4 i 。中c - - i 键的断裂动力学过程，b r a d l e yj s i w i c k 【6 】研究组利用 6 0 0 f s 的电子脉冲，研究了a 1 的溶化，即a 1 在超快光脉冲的作用下从固相到液 相的转化过程。人们还利用具有时间分辨能力的电子衍射装置研究了激光引起的 s i 、a u 、g a a s 等的晶格膨胀，研究了钒的氧化物在加热时所表现出的从绝缘体 到金属的转化过程，研究了物质表面结构和物质表面分子的振动等。此外，美国 9 飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制 国家超快光学研究中心( c e n t e ro fu l t r a f a s t0 p t i c a ls c i e n c e ，t h eu n i v e r s i t y o fm i c h i g a n ) ，加利福尼亚技术研究所的分子科学实验室l m s ( l a b o r a t o r yf o r m o l e c u l a rs c i e n c e ，c a l i f o r n i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 以及a r t h e ra m o s n o y e s 化学物理实验室，瑞士z u r i c h 大学的物理研究所，佛罗里达州立大学物 理系等的工作也引人瞩目，很多的研究成果公布于n a t u r e ，s c i e n c e ，p r l ，r e v s c i i n s t r u m 等著名刊物上。 图1 7g m o u r o u 的衍射系统原理图 图1 8 九h z e w a i l 的衍射系统原理图 国内也已经开展了相应的基础研究。中科院物理所张杰院士研究组自1 9 9 9 年就逐步开展了超快电子衍射方面的有关研究工作，张军等人研究了利用飞秒强 激光与物质相互作用产生的定向发射的超热电子束进行电子衍射的可行性。利用 飞秒电子衍射装置，可以进行飞秒生物学、飞秒化学和飞秒物理学等方面的研究， 尤其是进行超导体条纹相的高时间和空间分辨的实验研究，以进一步认识超导体 的动力学过程。但是，国内由于相应实验系统的缺乏，严重制约了该领域研究的 1 0 一丘 第一章绪论 进展。因此，急需飞秒量级的时间分辨的电子衍射系统，该系统会在材料的表面 及内部结构分析、晶界、相界、相变过程的微结构及结构变化以及生物医学领域 得到广泛的应用，推动物理学、化学、生物学等学科的发展。 1 3本文的研究内容及安排 本文的目标是设计研制一套扫描与同步电路，使其能够用与飞秒电子衍射系 统中进行电子束脉冲宽度的测量。全文内容共分为五章： 第一章主要介绍电子衍射的物理学背景和国内外时间分辨的电子衍射系统 的发展状况，分析飞秒电子衍射系统的研究目的和意义。 第二章对飞秒电子衍射系统整体的结构进行介绍，并详细分析系统的核心组 件飞秒电子枪的工作原理，对组成电子枪的光电阴极、聚焦系统、偏转系统、 双m c p 探测器和荧光屏的机理及主要性能参数进行介绍，并对电子枪的关键技术 指标时间分辨率的影响因素进行分析，确定了扫描电路的研制目标。 第三章首先回顾扫描电路的发展历程，对各种扫描电路的优缺点进行比较， 确立了本课题的技术方案；接着对本方案所采用的开关器件雪崩晶体管的工作机 理、影响稳定性的因素进行分析，对本方案所选用的传输线结构进行设计，最后 完成了电路板的设计、调试，得到了较好的输出波形。 第四章对该扫描电路的其它应用做了简要介绍，给出了其用于条纹相机的动 态实验结果。 第五章是对全文的总结和今后工作的建议。 飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制 第二章飞秒电子衍射系统的结构及工作原理 2 1 系统结构 本课题的飞秒电子衍射系统，其基本原理与条纹相机类似，系统结构框图如 图2 1 所示： 图2 1 飞秒电子衍射系统组成示意图 图中，两个虚线框为该系统的核心部分，一部分飞秒电子枪，由光电阴极、 阳极、聚焦磁线圈、偏转板和双m c p 倍增器组成；另一部分是扫描与同步电路， 由光电二极管、延时器和扫描电路组成。本章主要介绍飞秒电子枪各部分的工作 原理，下一章将介绍扫描与同步电路的工作原理。 2 2 飞秒电子枪的工作原理 本系统所采用的飞秒电子枪由光电阴极、加速系统、聚焦系统、偏转系统、 样品室、增强系统和荧光屏等部分组成( 如图2 2 ) 。当光电阴极受到光脉冲照 射时，将发射光虫子，并且光电子的瞬态发射密度正比于该睇4 的光脉冲强度， 所产生曲光电子脉冲的持续时间就是入射光脉冲的持续时间，词此光电阴极发出 的电子脉冲在时空结构上是入射光脉冲的复制品。电子脉冲从阴极上发出后经加 速电场加速到一定能量，通过聚焦系统聚焦后，进入偏转系统。本系统所用的飞 秒电子枪的偏转系统由x 、y 两对偏转板，当这两对偏转板上加有直流电压时电 第二章飞秒电子衍射系统的结构极电子抢原理 子脉冲将会整体偏转一定距离，因而可以通过控制该直流电压而使电子束打入样 品的不同位置；当y 偏转板上加有随时间线性变化的斜坡电压时，利用该系统就 可以测量进行衍射实验的电子束脉冲的宽度，此时样品室内没有衍射样品，由于 不同时刻进入偏转系统的电子受到不同偏转电压的作用，电子束到达荧光屏时， 将沿垂直方向展开，这一方向对应于时间轴，因此可以通过测量荧光屏上的空间 信息而推算得到电子脉冲的时间信息。以下将详细介绍电子枪各部分系统的原理 及本系统所采用的方案。 图2 2 飞秒电子枪原理示意图 2 3 光电阴极 光电阴极的作用是把光子转换为电子的。光电阴极由光电发射材料构成，除 反射式外，常用透射式均制作在对输入光透明的衬底上。其形状可以是平面也可 以是有一定曲率的球面，由电子光学系统的要求决定。根据欲探测的输入光谱范 围，选用不同的窗材料和不同的光电发射阴极，可以包括从红外、可见到紫外和 x 射线的宽广的光谱范围。通常阴极材料有金属和半导体两类【l o l 2 3 1 金属的光电发射 在光的照射下，从金属表面逸出光电子，其来源即光电发射中心是导带中的 自由电子。其光电逸出功定义为：使能量等于睇的一个电子逸出金属表面进 入真空所需的最小能量 = e v 一砟 ( 2 。1 ) 其中，e v 为金属的表面势垒，睇为金属的费米能级。 如果入射光的光子能量办y 点0 ，就可由金属获得光电发射。阈波长厶表示为 飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制 凡= 三= 罢 铲一v 02瓦(2-2) 对于金属，厶最大也不过在6 0 0 n m 附近( 例如对于一些碱金属) ，而对大多 数金属来说，厶是在紫外区。由于金属对光的反射系数高，吸收系数小，所以 一般工作在可见光和红外区的光电发射体都不能选用纯金属，而只有对具有较高 能量的紫外线、x 射线、p 射线和丫射线等，才采用金属阴极。金属光电阴极的 优点是在室温下，基本上没有热电子发射，且金属具有抗氧化性，因此可暴露于 大气工作。另外，金属阴极的制备工艺也相对简单。 2 3 2 半导体光电发射 根据固体物理学原理，通常把光电发射的物理过程可概括为三步：第一步 是光的吸收与光电子激发产生电子跃迁；第二步是受激光电子向固体一真空界面 运动：第三步是光电子越过表面势垒逸入真空。本征半导体的光电发射中心是价 带中的电子。其光电逸出功由两部分组成，一部分是价带电子的电离能，即电子 自发射中心被激发到导带的能量e g ，另一部分是导带底“自由电子”的逸出能， ，也就是电子亲合势e a ，它表示表面对处于导带中自由电子的一种束缚力。光电逸 出功 = e + b ( 2 。3 ) 对于杂质半导体，光电逸出功 e=e+a(2-4) 为杂质能级e d 与导带能级的能量差。由于半导体阴极只能在真空中制备和工 作，本系统常常会暴露于大气，因此不采用半导体阴极。 2 3 3 光电阴极的特性参量 光电阴极的特性，通常以灵敏度、阈波长、暗电流、面电阻及光电子初能量 分靠等主要参量表征。 1 灵敏度 灵敏度表示光电阴极受光辐射后发射电子的能力，一般有三种表示方法。 ( 1 ) 量子效率：定义为光电阴极接受单个入射光子的作用而发射出的平均电 子数目。设入射光子数为n p , 发射出来的光电子平均数为n 。，则量子效率y ( ” 1 4 第二章飞秒电子衍射系统的结构极电子枪原理 为 h 丑) = 而n o ( 2 - 5 ) 其单位为电子光子，通常以百分数表示，它是入射光子能量的函数。对于透射 式光电阴极，量子效率与阴极厚度d 有关，最佳值出现在d = l 处，l 为电子扩 散长度。 ( 2 ) 光谱灵敏度：在辐射功率为1 w 的某指定波长的单色光照射下，光电阴 极所发射的光电流称为该光电阴极在指定波长上的光谱灵敏度，以s 表示，单 位为m a ，w 或a i w 。设每秒入射到光电阴极表面的某一波长的光能量为n 。- h v ， 每秒所发射出的光电子电量为札p ，则光电阴极的光谱灵敏度为 咒= 毒= 品= 瓦e 删) ( 2 - 6 ) ( 3 ) 积分灵敏度：定义为光电阴极在标准光源的照射下，单位光通量所产 生的饱和光电流，单位为脚。积分灵敏度 墨=面i(2-7) 2 阈波长 阈波长表示光电阴极发射光电子的最长响应波长或最小光子能量。 厶2 丢2 苦2 茄， 凡2 百2 瓦2 可两) 陋 对于金属，光电发射阈能 e ，= 岛一睇 ( 2 - 9 ) 对于本征半导体 = 以+ ( 2 - i o ) 对于杂质半导体 = e + ( 2 。1 1 ) 实用上通常将量子效率低至某一数值( 例如1 0 4 ) 时的波长取作阈值波长。 3 暗电流 暗电流是指没有光照时，由发射面逸出的电子流，它主要由室温下光电阴极 飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制 的热发射构成。因为这个参量限制着光电器件能够探测到的辐射强度的下限，因 而是光电阴极的一个重要参数，其单位是a c m 2 或电子数j 删2 。 从有利于光电发射出发，自然希望热电子逸出功e 币尽量小，但与此同时， 热发射增加；减小e g 将能延长红限，但也会使热激发增加。因而要全面衡量选 择e q 、e a 和e g 值。 4 面电阻 关于光电阴极面电阻的讨论在后文有专门描述。 2 3 4 本系统采取的方案 鉴于本飞秒电子衍射系统所采用的光源为2 6 6 n m 的紫外光源，而金属银( a g ) 具有比较好的化学稳定性和热稳定性，其表面逸出功( = 4 2 6e v ) 小于波长 2 6 6 n t n 的紫外光所对应的光子能量( h v = 4 6 7 e v ) ，满足光电子发射的条件，且 a g 的导电性能强，具有对超短光脉冲的快速响应特性，因此本系统电子枪采用 3 5 n m 厚的a g 膜作为光电阴极。 2 4 聚焦系统 电子光学系统的聚焦系统有两种主要聚焦方式：静电聚焦和磁聚焦。纯粹由 静电场构成的聚焦方式称为静电聚焦，通常由加有一定电压的具有旋转对称几何 形状的电极( 常用的是圆柱形金属或圆盘形金属膜片) 组合而成因而在电极系统 中形成了旋转对称的电场和等电位面，这些旋转对称的几何等位面对电子轨迹起 着折射作用，相当于光学透镜中的媒质分界面。纯粹由静磁场构成的聚焦方式称 为磁透镜，一般由具有旋转对称几何形状的永久磁铁、通电线圈( 带或不带极靴) 构成。由静电场和静磁场混合组成的聚焦方式称为复合聚焦i l “。 考虑到静电聚焦透镜对高能光电子聚焦能力弱，会造成光电子减速，能量弥 散大，“空间电荷效应”显著，电子光学系统比较长( 因而会导致电子渡越时间 增大) 等缺点，我们采用了短磁聚焦透镜来聚焦光电子。磁线圈开有5 m m 的磁隙， 整个线圈安装于用坡莫合金做成的屏蔽盒中，以防止外磁场干扰光电子的运动。 2 5 偏转系统 偏转器是电子枪实现时问信息到空间信息线性转换的技术环节。用作超短过 第二章飞秒电子衍射系统的结构极电子枪原理 程测量的偏转器均采用电偏转。在实际应用中，总是希望较小的电信号就能控制 电子束使之产生足够的偏转，此外，光点在荧光屏上位移变化与值呈饔化一一对 应，才能使波形保持正确的形状，而且在偏转时光点尺寸不宜变得过太，这表明 对偏转系统的基本要求是： ( 1 ) 高的偏转灵敏度； ( 2 )良好的偏转线性； ( 3 ) 小的偏转解聚。 偏转灵敏度是指单位偏转信号电压使光点在屏上产生的位移。显然，偏转灵 敏度越高，就表示只需要较小的偏转信号就能非常灵敏的控制电子束在荧光屏上 的位移。 本系统的偏转由两对偏转板组成，x 方向和y 方向。其中x 方向偏转板采用 平行板偏转器，在其上加有直流电压，用以控制电子束在x 方向的整体偏转。根 据文献 1 1 ，设计的平行板偏转器结构如下： 图2 3 平行板静电偏转系统示意图 4 = 2 0 r a m ，d = 3 r a m ，= 3 9 0 r a m 根据公式： 占= 号= 南( 兰+ f ) ( 2 _ 1 2 ) 仁矿2 面哼州j 1 纠 式中v 。为加速电压，计算得x 方向偏转板的偏转灵敏度为2 2 m m k v 。 1 7 飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制 y 方向偏转器采用平折扳，在进行电子衍射实验时其上加有直流电压，用以 控制电子束在y 方向的整体偏转；在进行电子束脉宽测量实验时在其上加有超快 斜坡电压，使得不同时刻进入偏转器的电子受到不同的偏转电压的作用而偏转不 同的距离，由此而将电子束的时间信息转变为空间信息以方便测量。设计的平折 板的结构如下： 图2 4 平折板静电偏转系统示意图 口1 = 2 7 r a m ，a 2 = 2 0 r a m ，h l = 3 r a m ，t , 2 = 6 r a m ，= 3 5 0 r a m 根据公式： 一d 矿2 圪( 吃a 2 圳、 ( a d 一 + f ) l n 鲁吲十去( 号+ 啦+ f ) ( 2 1 3 ) 计算得y 方向偏转板的偏转灵敏度为4 9 m m k v 。 2 6 双m o p 与荧光屏 超快电子脉冲通过聚焦、偏转系统后，以很小的束斑轰击实验样品，产生 超快电子衍射图。此电子衍射图像需要通过双m c p 探测器的倍增，再轰击荧光 屏产生与电子衍射图像相对应的可见光图像。此图像反映了物质的结构信息， 此图像的改变也反映了物质结构的相应改变。图2 5 是双m c p 电子探测器的示 意图，采用两块m c p 人字型排列，有效面积_ ( p 2 6 ，单丝孔径为1 0ui l l ，电子增 益g ：1 0 。m c p i 的输入端接地，输出端接7 0 0 v 的正电压，m c p 2 的输入端与 1 8 第二章飞秒电子衍射系统的结构极电子枪原理 m c p l 的输出相接，m c p 2 的输出端加1 4 0 0 v 的正电压输出窗采用光纤面板， 其上涂有p 2 0 荧光粉，发光峰值波长 = 5 4 0 n m ，m c p 2 输出面与荧光屏的间距 为0 5 ，其间加有5k v 的正电压，其间的场强是影响空间分辨率的主要因数， 该双m c p 电子探测器的静态空间分辨率为3 0 1 p 啪。 图2 5 双m c p 示意图 2 7 系统静态实验 图2 6 是所研制的飞秒电子衍射系统的外形照片，左边为电源控制柜，可以 控制真空系统的运作及测量，可以提供加速光电子所需要的高电压、高场强，可 以控制聚焦电流及电子束的偏转，也可以控制双m c p 及荧光屏等的工作。图片的 右边是电子枪及真空系统。 图2 , 6 飞秒电子衍射系统实物照片 1 9 飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制 图2 7 是实验中获得的电子束斑的照片，其中的三条直线为三根5 0 i a m 的细 丝，通过对比得到光斑的直径约为8 3 p e a 。( 系统静态实验的详细描述可参阅吴 建军博士学位论文) 图2 7 静态电子斑 2 8 电子枪的关键技术指标时间分辨率 2 8 1 时间分辨率的定义 作为整个飞秒电子衍射系统的核心部分之一，电子枪的时间分辨率是一个极 其重要参数，其定义和扫描变像管的时间分辨率相同。历史上扫描变像管的时间 分辨率有过多种定义1 2 1 。 1 9 6 5 年，e k z a v o i s k y 等人认为1 1 3 1 ，时间分辨率就是一个可分辨单元的像 移动的时间。他们指出，一个对时间呈阶跃函数的光信号经过一个电子枪( 扫描 变像管) 后，将会不可避免的具有一个有限的上升时间。这个时间称为电子枪( 扫 描变像管) 的物理时间分辨率五，它是由辐射信号在电子枪( 扫描变像管) 中的 转换和传输过程所决定的 随着变像管技术的发展，人们将时间分辨率分为物理时间分辨率和技术时间 分辨率两个部分。总的时间分辨率为 f 2 = f 物理2 + f 技术2 ( 2 1 4 ) 2 8 2 物理时间分辨率 物理时间分辨率定义为电子在电子枪( 变像管) 各部分渡越时间弥散的总效 果，即 2 0 第二章飞秒电子衔射系统的结构撮电子枪原理 嘞理2 厅2 厅丽( 2 - 1 5 ) 其中l 光电阴极发射光电子的时间弥散 f ，光电子在聚焦透镜中的时间弥散 b 光电子在偏转系统中的时间弥散 t d p 光电子在偏转板到荧光屏之间的时间弥散 光电子在电子光学系统中的渡越时间弥散主要是由阴极发射光电子的初能量和初角度 分布引起的。 ( 1 ) 阴极对物理时间分辨率的影响 阴极的作用是将输入辐射信息转换成电子信息。阴极的选取决定于所接受辐 射的光谱区域。例如，对于可见光辐射多采用多碱阴极；x 射线波段则使用金阴 极或碘化铯阴极；中子波段采用聚乙烯碘化铯阴极或二氧化铀阴极。 对于输出信号有贡献的电子产生于阴极的不同位置，具有不同的能量，其向 表面迁徙的过程也不同，因此发射出的电子不但具有能量弥散，而且具有时间弥 散。理论分析证明，光电效应产生的光电子的时间弥散f l 小于1 0 1 3 秒【1 4 1 。 阴极的面电阻对时间分辨本领也有影响。阴极工作在脉冲状态下，阴极发射 的电流密度比较大。如果阴极面电阻大，由于补充电子所需的时间与面电阻成正 比，则电子的补充慢，影响时间分辨本领。同时，受照区电位会局部升高，破坏 电子光学系统的聚焦条件，导致空间分辨率的下降，从而影响了时间分辨率。因 此，为了提高电子枪的时间分辨率，阴极应尽量薄，面电阻要小，且必须有良好 的导电基底，电子初能量弥散要小。 ( 2 ) 阴极到栅网的渡越时间弥散【1 5 1 计算渡越时间弥散，需要追踪大量电子的轨迹，所以很难得到渡越时间弥散 的简单表达式。在各部分度越时间弥散中，阴极到栅网的渡越时间弥散是占主导 因素的。电子从阴极发射时，存在初能量分布和初角度分布。在阴极附近，电子 的速度较小，由此造成的渡越时间弥散就比较大。为了减小电子在此区域的渡越 时间和渡越时间弥散，常在阴极附近设置一加速栅网。栅网与阴极平行，且面积 大于阴极有效面积，因此可以认为阴极和栅网之间为均匀场。令电场强度为e ， 2 l 飞秒电子衍射系统扫描与同步电路的研制 则妒( ：) = e z ，如= d q ( z ) e