兆伏特超快電子衍射原型裝置的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在四維時(shí)空探測(cè)領(lǐng)域，超快電子衍射技術(shù)，作為XFEL衍射技術(shù)的一個(gè)有力補(bǔ)充，能夠更好地幫助研究人員觀察和理解原子尺度物質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)過程。近年來，隨著兆伏特超快電子衍射與成像概念的?出，國(guó)內(nèi)外大學(xué)和研究所都在積極研發(fā)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在國(guó)家重大科研設(shè)備研制專項(xiàng)的資助下，我們開展了原子尺度超高時(shí)空分辨兆伏特電子衍射與成像系統(tǒng)的研制，?出在倒空間實(shí)現(xiàn)40飛秒和0.1埃的時(shí)空分辨率，在實(shí)空間實(shí)現(xiàn)單發(fā)10皮秒和10納米的時(shí)空分辨率。
　　為了實(shí)現(xiàn)

2、超高時(shí)空分辨率，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套兆伏特超快電子衍射原型裝置。本論文在這一基礎(chǔ)上，搭建和調(diào)試了原型裝置，開展了一系列倒空間、實(shí)空間探索性實(shí)驗(yàn)，并為新裝置的進(jìn)一步優(yōu)化?供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　在倒空間模式下，采用泵浦探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)單晶金薄膜的動(dòng)態(tài)衍射。通過激光誘導(dǎo)的等離子體陰影法確定時(shí)間零點(diǎn)，通過電子束流縱向演化的模擬計(jì)算指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作、優(yōu)化系統(tǒng)狀態(tài)，從而獲得了大約1皮秒和0.1埃的時(shí)空分辨率。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，微波本身的相位抖動(dòng)（實(shí)測(cè)為1.

3、37°，RMS）影響了電子與激光的時(shí)間抖動(dòng)，進(jìn)而限制了系統(tǒng)的時(shí)間分辨能力。這為優(yōu)化時(shí)間分辨率至40飛秒?供研究基礎(chǔ)。
　　在實(shí)空間模式下，?出了電子源能散的優(yōu)化方案，并且實(shí)現(xiàn)兆伏特電子超快成像。超快電子成像的空間分辨率由像差和色差決定，對(duì)于兆伏特電子，像差可以忽略，因此降低電子束的非線性能散是減小色差項(xiàng)影響并?高空間分辨率的關(guān)鍵因素。通常利用諧波腔補(bǔ)償非線性能散的方案需要額外增加一套微波源系統(tǒng)，獲取成本更高，并且存在兩套微波系統(tǒng)之

4、間高精度相位同步實(shí)現(xiàn)困難的問題。本論文首次在低能量、低電荷量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩維平行板褶皺結(jié)構(gòu)對(duì)電子束的非線性能散補(bǔ)償，同時(shí)證明對(duì)稱性破缺帶來的四極尾場(chǎng)可以相互抵消，消除了這部分尾場(chǎng)導(dǎo)致的橫向發(fā)射度增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，核心電子束部分的非線性能散接近完全補(bǔ)償，整體電子束能散的半高全寬下降為原來的三分之一；并且觀察到四極尾場(chǎng)完全抵消的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　在電子源品質(zhì)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，開展了物鏡一級(jí)放大的單發(fā)超快電子成像實(shí)驗(yàn)。盡管當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)有