[发明专利]一种电子束90度偏转器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子束90度偏转器，主要用于具有阴极电子源的电子光学设备中，尤其是在光阴极电子枪和基于泵浦探测原理研究材料动力学的超快电子显微镜设备或谱仪设备中。

背景技术

电子显微镜经过五十多年的发展已经成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。E.Ruska教授在1931年发明了世界上第一台电子显微镜并获得了1986年的诺贝尔物理学奖。电子显微镜由于打破了光学波长的限制，从而使分辨率成千上万倍的提高，开拓了人们对微观世界的探索。随着激光技术的发展，使获得超短脉冲成为可能，人们开始着手研究将电子显微术与超快激光联系起来，用于静态的微观结构及动态的演变规律研究。而实现上述目标，这就需要同时掌握其对应的空间和时间尺度的结构学以及动力学演变信息。而这些超快动态演变过程往往发生在皮秒甚至飞秒尺度，因而需要结合超短激光技术的超高时间分辨以及电子束的超高空间分辨来帮助人们探测到微观尺度的超快变化过程，这种思想已被广泛用于多晶、单晶、生物以及飞秒化学等研究领域。其中A.H.Zewail将超快激光的泵浦探测原理结合电子显微术应用于飞秒化学领域，研究了气体分子以及晶体样品的动力学过程，获得了1999年诺贝尔化学奖。

采用超快激光泵浦/超快电子束探测的泵浦探测技术，原理如图8所示，泵浦探测技术是指运用两束激光，其中一束（泵浦光）将样品分子激发至某个相关激发态，而另一束激光（探测光）在一段延迟时间后探测样品所在的能态。试验中，超短激光经过分光镜18分为泵浦光和探测光两束光，泵浦光一般是探测光强的十倍，两束光的时间延迟△t由延迟线设备22控制。探测光照射在光阴极12上激发出超快电子探测束。在样品21处，泵浦激光束和探测光激发的超快电子探测束空间上完全重合。样品激发态的时间演化函数就可以通过改变两束光的延迟时间来获得。

就超快激光泵浦/超快电子束探测的泵浦探测技术而言，在实验装置中，有的采用激光背入射（激光从样品背面照射）照射在光阴极，激发出超快电子探测束，其优点在于激光光路简单，光路对原有的电子光学系统没有任何影响，但此种方法具有很大的局限性，只能针对个别透明的光阴极材料。激光正面斜入射时焦斑形状为椭圆，影响初始电子束的分布。

激光正面垂直入射方式适合于所有光阴极材料，但光学设计较为复杂，目前解决其光路复杂的一个解决方案是在偏转器电极上开圆孔，激光透过小孔垂照射在光阴极上激发出光电子束，通过电子束90度偏转器将电子束偏转90度，将激光光路和电子束光路分离开来。但是问题在于，圆孔通常是毫米级，破坏了电子束90度偏转器电极表面的完整性，大的孔径严重影响电子束90度偏转器的电场分布，最终影响电子束的质量；反过来，小的孔径限制了激光的通量，无法将激光聚焦到微米级，严重影响光阴极效率和电子束质量。

如图1所示，图左边所示的为无孔90度偏转器，等势线分布均匀；图右边所示的为有孔90度偏转器，孔径的半径为毫米级，带有激光通孔的偏转器模型在通孔处的等势线分布严重畸变。

如图2所示，图左边所示的为无孔90度偏转器，实线所示的中心电子运动轨迹位于偏转器通道中间；图右边所示的为有孔90度偏转器，孔径的半径为毫米级，激光通孔造成的电场畸变已经严重影响了中心电子的运动轨迹，中心电子运动轨迹（实线）与理想偏转轨迹（虚线）有较大偏差。

如图3所示，两种激光聚焦半径的电子束经过90度偏转器过程中的电子分布图，表明聚焦半径为5微米的小半径可以获得更高质量的电子束。这是人们采用激光透过较大通孔短焦距获得微米级焦斑方案的重要原因。

因此需要一种新型的电子束90度偏转器，解决正面垂直入射的激光在电子束90度偏转器的电极上开孔带来的一系列问题，保证激光微米级聚焦到光阴极表面且不影响电子束90度偏转器内电场的分布，完成电子束高质量偏转。

发明内容

针对现有电子束90度偏转器存在的问题，本发明要解决的技术问题就是提供一种电子束90度偏转器，在激光正面入射光阴极时，它能解决激光微米级聚焦于光阴极表面而又避免大孔径空洞对偏转器通道内电场的畸变影响，提高电子束偏转质量，提高电子显微的分辨能力。