[发明专利]基于热阴极微波电子枪的超高压超快电子显微镜

说明书

一种基于热阴极微波电子枪的超高压超快电子显微镜，包括脉冲高压调制器、速调管、热阴极微波电子枪、能量选择器、聚焦成像系统、泵浦激光系统和电子探测系统。本发明具备微秒的时间分辨能力及单发成像能力。

技术领域

本发明涉及电子显微镜,特别是一种基于热阴极微波电子枪的超高压超快电子显微镜。

背景技术

电子显微镜的电子源一般是直流高压电子枪，电子的发射机理可以是热发射和场致发射，一般200kV以下的电镜称作低能电镜，200-500kV称作中能电镜，500-1000kV以上成为高能电镜，1000kV以上常称为超高压电镜。

传统电镜的构造一般包含电子源、直流高压系统将电子加速到高能、磁透镜成像系统、观察室。超高压电镜价格极高，规模和建造难度极大(需要把很多直流高压模块串联起来，且需要保证电场不会发生打火和击穿现象)，目前仅日本的Hitachi和日本电子公司可以建造，价格一般在1500万美元以上。如日本大阪大学3000kV超高压电镜，此电镜高13米，重130吨。

2005年加州理工和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室提出超快电镜的概念，其与传统电镜的主要区别是引入两套激光系统，其中一套用于照射在阴极上通过光电发射产生电子，另一套照射在样品上，利用泵浦-探测技术，该模式可提供高时间分辨率。加州理工在2005年获得专利，美国FEI公司在2015年该专利过期后开始生产销售此类产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热阴极微波电子枪的超高压超快电子显微镜，具备微秒的时间分辨能力及单发成像能力。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于热阴极微波电子枪的超高压超快电子显微镜，其特点在于包括脉冲高压调制器、速调管、热阴极微波电子枪、能量选择器、聚焦成像系统、泵浦激光系统和电子探测系统，所述的脉冲高压调制器通过高压电缆与所述的速调管连接，所述的速调管通过波导与所述的热阴极微波电子枪连接，所述的热阴极微波电子枪通过真空管道依次连接所述的能量选择器和所述的聚焦成像系统连接，所述的聚焦成像系统包括依次设置的缩束镜、导入反射镜、物镜、投影镜螺线管磁铁，待测样品位于所述的物镜内；经所述的泵浦激光系统输出的激光通过导入反射镜照射到所述的待测样品上，所述的电子探测系统，用于采集所述的电子束对所述的样品的成像。

所述的热阴极微波电子枪是一个品质因数约10000的1.5cell微波谐振腔，通过控制谐振腔之间的相移，确保产生比常规1.5cell微波电子枪低一个量级能散的电子束。

所述的能量选择器内设有偏转磁铁，在该偏转磁铁中部设有狭缝。

所述的脉冲高压调制器用于将380V的市电转化为120kV脉宽约5微秒的脉冲高压，并通过高压电缆与速调管连接，驱动速调管。

所述的速调管用于将微波源的信号放大到5MW的峰值功率，通过波导与热阴极微波电子枪连接，驱动热阴极微波电子枪。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)通过精确控制谐振腔之间的相移，产生比常规1.5cell微波电子枪低一个量级能散的电子束；5MW的微波功率将在电子枪里形成约50MV/m的加速电场，电子在电子枪出口能量约3MeV，电子枪通过真空管道和能量选择器连接；最终电子束成的像被电子探测系统收集(如磷光屏加EMCCD)。此外，泵浦激光系统是相对独立的单元，通过缩束镜和物镜之间的导入反射镜导入到样品上，样品位于物镜里。

2)采用的能量选择器主要包含一个偏转磁铁，在磁铁中间通过狭缝选择能散在万分之一以内的电子用于成像，能量选择器通过真空管道和聚焦成像系统连接。

3)采用微波电子枪，可在15cm长度内将电子加速到3000kV，已有电镜需要数米。