專利名稱：一種分子四維成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像系統(tǒng)，尤其涉及一種用于研究分子超快反應(yīng)過程的基于飛秒電子衍射的分子四維成像裝置。
背景技術(shù)：
自然界中的眾多基本物理、化學(xué)和生物過程通常在超短時間內(nèi)完成的。如物質(zhì)相變通常發(fā)生在納秒或者皮秒量級，化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)中間體的產(chǎn)生和消失是飛秒量級的，蛋白質(zhì)分子的裁剪是發(fā)生在微秒量級的。而這些超快物理、化學(xué)和生物動力學(xué)過程中包含大量對于認識微觀世界、物質(zhì)變化規(guī)律十分重要的信息。相對于傳統(tǒng)光譜學(xué)的方法間接的得到物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，超快電子衍射和X射線衍射可以直接的獲得分子反應(yīng)的動態(tài)過程，有利于直觀地的深刻地研究超快動力學(xué)過程。
超快時間分辨的電子衍射可以實時提供物理、化學(xué)和生物性質(zhì)方面的直觀信息，其可以完全滿足研究超快反應(yīng)過程對于皮秒和飛秒尺度時間分辨和原子尺度空間分辨的結(jié)構(gòu)變化過程的需求。超快電子衍射相對于X射線衍射的優(yōu)勢在于首先，完全復(fù)制了入射超快激光時域特性的飛秒量級的電子束可以較容易的通過飛秒激光背入射光陰極產(chǎn)生外光電效應(yīng)來產(chǎn)生。相較于設(shè)備復(fù)雜昂貴的X射線衍射，電子束的產(chǎn)生不需要價格昂貴的大型裝置，成本低，且準(zhǔn)直和聚焦比較簡單。一方面，電子受到原子核和散布電子的散射(庫侖散射)，而X射線只被散布電子散射(湯姆孫散射)。故電子散射的截面積比X射線散射大約6個數(shù)量級，需要較短的曝光時間(I秒相對于X射線的20小時)。另一方面，與X射線相t匕，電子對樣品傷害較小。因此，時間分辨的電子衍射是研究表面性質(zhì)、氣體和薄膜的結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)變化等方面重要的，不可或缺的研究手段。在超快電子衍射領(lǐng)域，加州理工大學(xué)的Zewail為飛秒化學(xué)奠定了基礎(chǔ)并且因此貢獻在1999年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。2001年，Zewail小組報道了通過對飛秒氣相電子衍射的衍射圖的分析，直觀揭示了氣相分子與飛秒泵浦激光作用的整個過程，并發(fā)現(xiàn)了壽命超短(約數(shù)皮秒)、以往無法直接判斷而只能猜測的氣相分子反應(yīng)中間體，展示了飛秒電子衍射在研究超快反應(yīng)過程中的顯著優(yōu)勢。另一方面，2003年多倫多大學(xué)的Miller小組報道了多晶鋁薄膜的飛秒固體電子衍射，直觀描述了非極性金屬薄膜受到飛秒激光激發(fā)而熔解的整個過程，發(fā)現(xiàn)其固液轉(zhuǎn)換發(fā)生在3. 5ps，證明了其熔解過程符合雙溫模型。目前超快電子衍射的主要困難在于，從光陰級出射的電子束會受到電子之間存在的強烈?guī)靵隽ψ饔?，其引起的空間電荷效應(yīng)將導(dǎo)致飛秒電子脈沖的展寬，極大降低了電子衍射的時空分辨率。為了克服這一難關(guān)國內(nèi)外的研究團隊提出了數(shù)種有效的解決方案加拿大多倫多大學(xué)的Miller小組在電子槍陰陽兩極施加30_100KeV高電壓以減少電子脈沖飛行的時間，并且盡可能減小樣品到陽極的距離來減少電子從產(chǎn)生到樣品的時間，以減少空間電荷效應(yīng)對電子脈寬的影響；美國加州理工的Zewail為了避免電子空間電荷效應(yīng)用飛秒激光產(chǎn)生每個脈沖只有一個電子的電子束。超快電子衍射另一個困難在于，分子與高強度飛秒激光作用后的解離和多光子吸收過程非常的復(fù)雜，因此其相關(guān)的飛秒電子衍射的圖像分析和指認難度非常大，而離子速度成像技術(shù)可為圖像解析和指認提供豐富的輔助信息以更好的解析分子結(jié)構(gòu)變化。離子成像方法是由David ff. Chandler和Paul L. Houston在1987年發(fā)展起來的一種重要實驗方法，但是一直受到平動能分辨較低的困擾。而隨著Parker和Eppink在1997年提出速度成像技術(shù)，離子速度成像成為研究光解動力學(xué)的主要方法。該技術(shù)是在飛行時間質(zhì)譜的基礎(chǔ)上加上了中間有圓孔的極板組成離子透鏡，可以將產(chǎn)生在不同空間位置但是速度相同的離子投影在同一個點，再通過熒光板，最后由CCD相機采集碎片三維分布在二維投影。該投影通過反Abel變化、傅立葉變換、Sheep-Longan過濾器方法和直接反推法可以將二維投影重構(gòu)為三維圖像。在21世紀(jì)切片成像法成為新的研究光解動力學(xué)的重要方法。通過對“赤道截面”的切片成像可以避免對圖像三維的重構(gòu)，同時也可以避免人工噪聲的引入。由于寬頻譜、高強度飛秒激光脈沖與分子體系非線性相互作用產(chǎn)生若干復(fù)雜分子動力學(xué)過程，相關(guān)的飛秒電子衍射圖像非常復(fù)雜，圖像解析和指認難度非常大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種分子四維成像系統(tǒng)，由集成的離子速度成像技術(shù)獲得的解離碎片 的速度分布和角分布參數(shù)，可以為圖像解析和指認提供豐富的信息，從而大大提高儀器解析能力。飛秒電子衍射系統(tǒng)獲得直接的、實時的分子結(jié)構(gòu)變化的衍射圖像，同時結(jié)合離子速度成像系統(tǒng)獲得用于輔助圖像解析指認的豐富信息，可以較容易的解析出飛秒時間分辨、原子尺度空間分辨的分子四維動態(tài)圖像。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明提出了一種分子四維成像系統(tǒng)，其包括樣品室，其分別與電子槍、離子速度成像裝置、超聲分子束產(chǎn)生裝置連通；
所述樣品室與分子泵連通，所述分子泵與前極干泵連通；
所述樣品室設(shè)置有至少I個入射窗口；
其中所述電子槍、所述離子速度成像裝置、所述超聲分子束產(chǎn)生裝置分別的入射軸相交在所述樣品室的同一點上；
設(shè)直在樣品室外的中心波長800nm的飛秒激光束，所述中心波長800nm的飛秒激光束入射到所述電子槍、所述離子速度成像裝置、所述超聲分子束產(chǎn)生裝置分別的入射軸相交的所述樣品室中的所述點上。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述電子槍、所述離子速度成像裝置、所述中心波長SOOnm的飛秒激光束在同一平面上，所述超聲分子束產(chǎn)生裝置與所述電子槍、離子速度成像裝置、中心波長SOOnm的飛秒激光束三者所在的平面垂直；所述電子槍與所述離子速度成像裝置呈45度角設(shè)置，所述中心波長SOOnm的飛秒激光束與所述電子槍呈90度角設(shè)置。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述電子槍包括中心波長266nm的飛秒激光束，設(shè)置在所述中心波長266nm的飛秒激光束前的入射窗口 ；與所述入射窗口連通的真空腔體，所述真空腔體連通設(shè)置有分子泵，所述分子泵連通有前極干泵；相對所述入射窗口，由近及遠，在所述真空腔體中，依次平行設(shè)置有光陰極、柵網(wǎng)、陽極，所述入射窗口、所述真空腔體、所述光陰極、所述柵網(wǎng)、所述陽極同軸設(shè)置；真空腔體，其兩端分別與真空腔體和所述真空腔體同軸連通；磁透鏡，其同軸套接在所述真空腔體外，可沿所述真空腔體軸向移動；相對所述真空腔體，由近及遠，在所述真空腔體中，依次平行設(shè)置有一對X方向偏轉(zhuǎn)板、一對Y方向偏轉(zhuǎn)板、一對電子掃描板，且與所述真空腔體同軸設(shè)置，所述真空腔體與所述樣品室連通。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述離子速度成像裝置，包括飛行腔，與分子泵連通設(shè)置，所述分子泵與前極干泵連通設(shè)置；設(shè)置在飛行腔一端的與之連通的真空腔體，設(shè)置在所述真空腔體外側(cè)的波紋管及可調(diào)節(jié)模塊；
在所述真空腔體中，相對飛行腔，由遠及近，依次平行設(shè)置第一極板、第二極板、第三極板、第四極板、漂移極極板組，且與所述真空腔體同軸設(shè)置，所述真空腔體與所述樣品室連通，
所述波紋管通過所述可調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)位置以控制所述第一極板、所述第二極板、所述第三極板、所述第四極板、所述漂移極極板組的相對位置。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述超聲分子束產(chǎn)生裝置，包括樣品氣源，通過 第一減壓閥與載氣管連通；惰性氣體載氣源，通過第二減壓閥與所述載氣管連通，所述載氣管插入真空腔體中，與脈沖閥連通；漏勺相對所述脈沖閥平行設(shè)置，設(shè)置在所述真空腔體中，所述真空腔體與所述樣品室連通，所述真空腔體連通設(shè)置有離子泵。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述光陰極與所述陽極互相平行地設(shè)置在真空腔體軸線上；陶瓷環(huán)絕緣分離所述光陰極與所述陽極，且可調(diào)節(jié)所述光陰極與所述陽極之間的距離，距離為5mm-10mm ;所述光陰極為背照式光陰極；所述陽極之后設(shè)置有一圓形小孔，所述小孔的直徑為100 μ m ;所述柵網(wǎng)的篩孔大小為25 μ m。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述磁透鏡包括聚焦線圈、磁殼、設(shè)置在磁殼外的保護層，所述保護層由坡莫合金構(gòu)成；所述磁透鏡為空心圓柱，內(nèi)徑為50-60mm，外徑為120-200mm，長度為45_55mm，磁隙為3_7mm ;所述聚焦線圈采用的材料是銅導(dǎo)線，直徑為
O.5-lmm ;所述磁殼采用的是99. 6-99. 8%鐵；所述保護層厚為l_2mm ；所述磁透鏡可沿所述真空腔體軸向移動的距離為0-20mm。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述一堆X方向偏轉(zhuǎn)板之間的距離為5-6_ ;所述一對Y方向偏轉(zhuǎn)板之間的距離為5-6_ ;所述一對電子掃描板為平折形，所述一對電子掃描板之間的距離為3-4_;所述X方向偏轉(zhuǎn)板、所述Y方向偏轉(zhuǎn)板、所述電子掃描板之間設(shè)置支撐用的圓柱形絕緣陶瓷。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述第一極板的直徑136mm,孔徑7mm,厚Imm ;所述第二極板的直徑136mm,孔徑14mm,厚Imm ;所述第三極板直徑136mm,孔徑32mm,厚Imm ；所述第四極板直徑136mm,孔徑40mm,厚Imm ;所述漂移極極板組中每個電極直徑136mm,孔徑100mm,厚IOmm ;所述第一極板與所述第二極板間距為14mm,所述第二極板與所述第三極板間距為21mm，所述第三極板與所述第四極板間距為29mm，所述第四極板與所述漂移極極板組的第一個極板間距為10mm，所述漂移極極板組中各個極板間距均為10mm。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述漏勺的直徑為l_2mm。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述電子槍、所述超聲分子束產(chǎn)生裝置、所述離子速度成像系統(tǒng)和樣品室的真空度為10_7mbar。本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，所述入射窗口與所述真空腔體之間，所述真空腔體與所述真空腔體之間，所述真空腔體與所述真空腔體之間，所述真空腔體與所述載氣管之間，所述真空腔體與所述飛行腔之間分別通過密封部件連接。本發(fā)明公開了一種基于飛秒電子衍射的分子四維成像系統(tǒng)，其包括飛秒電子槍系統(tǒng)、超聲分子束系統(tǒng)、樣品室、離子速度成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和相關(guān)校正調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本發(fā)明通過高壓電極加速和磁透鏡聚焦獲得了飛秒電子脈沖，該電子脈沖與超聲分子束作用可獲得直接的、實時的分子衍射圖像。本發(fā)明通過集成離子速度成像技術(shù)獲得解離碎片的速度分布和角分布參數(shù)等輔助分析信息，可以更好地解析和指認復(fù)雜的分子動力學(xué)過程的電子衍射圖像。本發(fā)明具有較高的時間分辨能力和空間分辨能力，在離子速度成像技術(shù)的輔助下，可以方便地解析出飛秒時間分辨、原子尺度空間分辨的分子四維動態(tài)圖像。


圖Ia為本發(fā)明分子四維成像系統(tǒng)的空間位置示意 圖Ib為本發(fā)明分子四維成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，電子槍的局部放大 圖3為本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)的電子槍中，磁透鏡的截面 圖4為本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)的電子槍中,X方向偏轉(zhuǎn)板、Y方向偏轉(zhuǎn)板、電子掃描板的局部放大 圖5為本發(fā)明的分子四維成像系統(tǒng)中，離子速度成像裝置的局部放大圖。
具體實施例方式下面結(jié)合圖例和具體實施方案對本發(fā)明進行更細致的說明
圖la、lb為本發(fā)明分子四維成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中分子四維成像系統(tǒng)包括樣品室21，樣品室21具有4個入射窗口。在本實施例中設(shè)置了 4個不同角度的入射窗口，以便更好的設(shè)計實驗、觀察實驗現(xiàn)象。實際至少需要I個入射窗口即可。樣品室21分別與電子槍44、離子速度成像裝置45、超聲分子束產(chǎn)生裝置46連通。樣品室21還與分子泵19連通，分子泵19與前極干泵20連通。電子槍44、離子速度成像裝置45、超聲分子束產(chǎn)生裝置46分別的入射軸相交在所述樣品室21的同一點47上。設(shè)置在樣品室21外的中心波長SOOnm的飛秒激光束18發(fā)射的激光束入射到所述電子槍44、離子速度成像裝置45、超聲分子束產(chǎn)生裝置46分別的入射軸相交的所述樣品室21中的點47上。如圖Ia所示，從俯視的角度觀察本發(fā)明系統(tǒng)，電子槍44、離子速度成像裝置45、中心波長SOOnm的飛秒激光束18在同一平面上，超聲分子束產(chǎn)生裝置46設(shè)置在樣品室21的上方，超聲分子束產(chǎn)生裝置46垂直于電子槍44、離子速度成像裝置45、中心波長SOOnm的飛秒激光束18三者共同所在的平面。電子槍44和離子速度成像裝置45之間呈45度角設(shè)置，電子槍44與中心波長800nm的飛秒激光束18之間呈90度角設(shè)置。中心波長800nm的飛秒激光束18與離子速度成像裝置45之間可呈45度或135度角。下面對電子槍44、離子速度成像裝置45及超聲分子束產(chǎn)生裝置46的結(jié)構(gòu)作詳細描述。如圖Ib所示，電子槍44包括中心波長266nm飛秒激光束I，設(shè)置在中心波長266nm飛秒激光束I前的入射窗口 2 ;與入射窗口 2連通的真空腔體4，真空腔體4側(cè)面連通設(shè)置有分子泵8，分子泵8連通有前極干泵9 ;相對入射窗口 2，由近及遠，在真空腔體4中，依次平行設(shè)置有光陰極5、柵網(wǎng)6、陽極7。入射窗口 2、真空腔體4、光陰極5、柵網(wǎng)6、陽極7同軸設(shè)置。本實施例中，如圖2所示，光陰極5為背照式光陰極，采用8nm厚度的金膜，或者40nm銀膜。陽極7后有一圓形小孔C，小孔c的直徑為100 μ m。柵網(wǎng)6通過陽極壓塊固定在陽極7的圓形小孔c上。柵網(wǎng)6的篩孔大小為25 μ m。設(shè)置一陶瓷環(huán)a用于絕緣分離光陰極5與陽極7，且可調(diào)節(jié)所述光陰極5與所述陽極7之間距離，可調(diào)范圍在5mm-10mm之間。光陰極5上施加50-100kV的負高壓，陽極接地，兩者之間形成10kV/mm的加速電場。在本發(fā)明中，圓形小孔c的直徑可以為90_120μπι，柵網(wǎng)6的篩孔大小可以為30-40 μ m ;不同陶瓷環(huán)a可以用來調(diào)節(jié)光陰極5與陽極7之間的距離從而調(diào)節(jié)加速電極間的電場強度。電子槍44還包括，與真空腔體4同軸連通的真空腔體12，真空腔體12的另一端與 真空腔體14同軸連通。磁透鏡11同軸套接在真空腔體12外，可沿所述真空腔體12軸向移動。相對真空腔體12，由近及遠，在真空腔體14中，依次平行設(shè)置有一對X方向偏轉(zhuǎn)板15、一對Y方向偏轉(zhuǎn)板16、一對電子掃描板17，且與所述真空腔體14同軸設(shè)置，所述真空腔體14與所述樣品室21連通。圖3是本發(fā)明中磁透鏡11的截面圖。磁透鏡11設(shè)置在真空腔體12的外側(cè)，由聚焦線圈111、磁殼112、及坡莫合金制成的保護層113構(gòu)成。本實施例中，磁透鏡11為空心圓柱，內(nèi)徑r為50mm,外徑R為140mm,長度L為45-55mm,磁隙為5mm,這樣可以使得磁場能夠集中在這5_的間隙中。聚焦線圈111的阻數(shù)為800匝，可通過在磁透鏡11上施加不同的電流使得電子聚焦在不同的位置上。聚焦線圈111采用的材料是銅導(dǎo)線，直徑為Imm ;磁殼112采用的是99%鐵；保護層113的厚度為2mm ；
其中，磁透鏡11內(nèi)徑可以是40-60mm，外徑可以是120_180mm，其長度可以是45_55mm，聚焦線圈111的匝數(shù)可以是800-1000匝，聚焦線圈111直徑可以是O. 5-lmm，磁殼112采用的材料可以是純度為99. 6-99. 8%的工業(yè)純鐵，保護層113的厚度可以是l_2mm。本實施例中，磁透鏡11可沿真空腔體軸向移動的距離為0_20mm。圖4是本發(fā)明的電子槍44中，X方向偏轉(zhuǎn)板15、Y方向偏轉(zhuǎn)板16、電子掃描板17的局部放大圖。X方向偏轉(zhuǎn)板15、Y方向偏轉(zhuǎn)板16、電子掃描板17依次平行設(shè)置在真空腔體14中，且X方向偏轉(zhuǎn)板15、Y方向偏轉(zhuǎn)板16、電子掃描板17與真空腔體14同軸設(shè)置。本實施例中，X方向偏轉(zhuǎn)板15、Y方向偏轉(zhuǎn)板16、電子掃描板17之間設(shè)有圓柱形絕緣陶瓷柱b ;—對X方向偏轉(zhuǎn)板15板之間的距離為6mm ;—對Y方向偏轉(zhuǎn)板16板之間的距離為6mm 對電子掃描板17為平折形狀，目的在于避免電子打到電子掃描板17上，以增加電子運動的空間，電子掃描板17之間的距離為3mm。本發(fā)明中，一對X方向偏轉(zhuǎn)板15板之間的距離可以是5_6mm,—對Y方向偏轉(zhuǎn)板16板之間的距離可以是5-6mm，一對電子掃描板17板之間的距離可以是3_4mm。本發(fā)明中，離子速度成像裝置45包括飛行腔43，與分子泵41連通設(shè)置，分子泵41與前極干泵42連通設(shè)置。還包括，設(shè)置在飛行腔43 —端的真空腔體39，并與之連通，設(shè)置在真空腔體39外側(cè)的4根波紋管37及可調(diào)節(jié)模塊38。波紋管37主要用于調(diào)節(jié)離子速度成像裝置，設(shè)置4根可以更穩(wěn)固均勻的調(diào)節(jié)離子速度成像裝置45的位置。圖5為本發(fā)明中離子速度成像裝置的局部放大圖。在真空腔體39中，相對飛行腔43，由遠及近,依次平行設(shè)置第一極板32、第二極板33、第三極板34、第四極板35、漂移極極板組36，且與所述真空腔體39同軸設(shè)置，真空腔體39與所述樣品室21連通。波紋管37通過所述可調(diào)節(jié)模塊38調(diào)節(jié)位置以控制所述第一極板32、所述第二極板33、所述第三極板34、所述第四極板35、所述漂移極極板組36的相對位置。本實施例中，第一極板32、第二極板33、第三極板34、第四極板35、漂移極極板組36由不銹鋼圓盤構(gòu)成。第一極板32直徑136mm,孔徑7mm,厚度1mm。第二極板33直徑136mm,孔徑14mm,厚度1mm。第三極板34直徑136mm,孔徑32mm,厚度1mm。第四極板35直徑136mm,孔徑40mm,厚度1mm。漂移極極板組36中每個電極直徑136mm,孔徑100mm,厚10mm。第一極板32與第二極板33間距為14mm，第二極板33與第三極板34間距為21mm，第三極板34與第四極板35間距為29mm，第四極板35與漂移極極板組(36)的第一個極板間 距為10mm。本實施例中，漂移極極板組36中包括9個極板，每個極板之間的間距均為10mm。波紋管37可調(diào)節(jié)離子透鏡的范圍為0-150_。其中，第一極板32、第二極板33、第三極板34及第四極板35可以是由直徑140mm左右，厚度O. 5-lmm,孔徑5_40_不等的不銹鋼圓盤構(gòu)成。本實施例中，超聲分子束產(chǎn)生裝置46包括樣品氣源31，通過第一減壓閥28與載氣管27連通。惰性氣體載氣源30，通過第二減壓閥29與載氣管27連通，載氣管27插入真空腔體24中，與脈沖閥23連通。漏勺22相對脈沖閥23平行設(shè)置，漏勺22設(shè)置在真空腔體24中。真空腔體24與樣品室21連通，所述真空腔體24連通設(shè)置有離子泵25。本實施例中，真空系統(tǒng)使得電子槍44、超聲分子束產(chǎn)生裝置45、離子速度成像系統(tǒng)46和樣品室21的真空度優(yōu)于10_7mbar。本基于飛秒電子衍射的分子四維成像系統(tǒng)的工作流程
基于飛秒電子衍射的分子四維成像系統(tǒng)的工作流程由飛秒電子束產(chǎn)生、超聲分子束產(chǎn)生和離子速度成像組成。首先，真空系統(tǒng)使得電子槍44、超聲分子束產(chǎn)生裝置45、離子速度成像系統(tǒng)46和樣品室21的真空度優(yōu)于10_7mbar。隨后，一方面中心波長800nm的飛秒激光通過三倍頻后產(chǎn)生266nm飛秒激光，其通過入射窗口 2入射到電子槍44的光陰極5后表面，透過白寶石沉底與厚度2nm的鎢打底層后該266nm飛秒激光入射到40nm厚的銀膜，發(fā)生外光電效應(yīng)產(chǎn)生能量彌散度為O. 95eV的電子束，該電子束在時域上的特性與入射激光完全相同。加速電極中，陽極7接地，光陰極5上接入_50kV的負高壓使兩極之間產(chǎn)生10kV/mm的加速電場，在該電場下，電子獲得50keV的能量，得到O. 0536埃的電子波長，最終從電子槍44出射的脈沖電子可以達到低于幾百飛秒的時間分辨能力以及小于I埃的空間分辨能力。飛秒電子束經(jīng)過套有磁透鏡11的真空腔體12時，磁透鏡11通過5mm范圍內(nèi)的高斯磁場對電子束脈寬進行壓縮。真空腔體14中的X方向偏轉(zhuǎn)板15和Y方向偏轉(zhuǎn)板16用于在X方向和Y方向上校正電子束的位置，通過調(diào)節(jié)一對X方向偏轉(zhuǎn)板15板之間的電場大小可以控制電子束X方向上的位置，通過調(diào)節(jié)一對Y方向偏轉(zhuǎn)板16板之間的電場大小可以控制電子束Y方向上的位置。經(jīng)過磁透鏡11、X方向偏轉(zhuǎn)板15和Y方向偏轉(zhuǎn)板16校正后的飛秒電子束飛向樣品室21中飛秒電子束、超聲分子束和入射的中心波長800nm的泵浦激光共點處。產(chǎn)生的飛秒電子束需要用電子掃描板17測量電子束的脈寬。本實施例中，采用傳統(tǒng)的條紋相機法測量電子脈寬，當(dāng)電子束到達電子掃描板17時,在電子掃描板17上施加一個隨時間變化的斜坡電壓，使得電子束中不同位置的電子在空間上被拉開，通過對其空間位置的測量就可以得到電子束的脈寬。可在電子掃描板17接微通道、熒光板和CCD來觀察電子斑的位置變化。在本發(fā)明基于飛秒電子衍射的分子四維成像系統(tǒng)的電子槍44后方，可接用于探測電子束的電流密度的法拉第杯，探測電子脈沖的電子個數(shù)。在本發(fā)明基于飛秒電子衍射的分子四維成像系統(tǒng)的電子槍44后方，可接用于放大電子衍射信號的微通道板和熒光板，與用于采集電子衍射信號的CCD。而另一方面，惰性氣體載氣源30和樣品氣源31中的氣體分別通過第一減壓閥28和第二減壓閥29在載氣管27中混合并進入真空腔體24中的脈沖閥23。脈沖閥23噴出的 超聲分子束經(jīng)過漏勺22準(zhǔn)直后飛入樣品室21中飛秒電子束、超聲分子束和入射的中心波長800nm的泵浦激光共點處。最后，經(jīng)過飛秒激光激發(fā)，超聲分子束中的分子將發(fā)生庫倫爆炸或者解離電離為離子碎片。通過第一極板32、第二極板33、第三極板34、第四極板35、漂移極極板組36分別加載不同的電壓使得離子碎片中不同空間位置但是速度相同的離子入射到離子速度成像裝置45后方。在本發(fā)明基于飛秒電子衍射的分子四維成像系統(tǒng)的離子速度成像裝置45后方，可接用于放大離子碎片信號的微通道板和熒光板，與用于采集離子碎片信號的CCD。飛秒電子衍射可快速獲得直接的、實時的分子結(jié)構(gòu)變化的衍射圖像，結(jié)合離子速度成像獲得的解離碎片的速度分布和角分布參數(shù)，從而獲得飛秒分辨、原子尺度空間分辨的分子四維動態(tài)圖像。無論是超快電子衍射還是離子速度成像部分都需要一個很好的時序調(diào)整以保證超聲分子束、泵浦激光、飛秒電子束在時域上的完好同步，并且反復(fù)調(diào)整入射光、入射樣品、入射電子的位置以使他們在空間上的嚴格共點。
權(quán)利要求
1.ー種分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，包括樣品室(21)，其分別與電子槍(44)、離子速度成像裝置(45)、超聲分子束產(chǎn)生裝置(46)連通； 所述樣品室(21)與分子泵(19)連通，所述分子泵(19)與前極干泵(20)連通； 所述樣品室(21)設(shè)置有至少I個入射窗ロ ； 其中所述電子槍(44)、所述離子速度成像裝置(45)、所述超聲分子束產(chǎn)生裝置(46)分別的入射軸相交在所述樣品室(21)的同一點(47)上； 設(shè)置在樣品室(21)外的中心波長800nm的飛秒激光束(18)，所述中心波長800nm的飛秒激光束(18)入射到所述電子槍(44)、所述離子速度成像裝置(45)、所述超聲分子束產(chǎn)生裝置(46)分別的入射軸相交的所述樣品室(21)中的所述點(47)上。
2.如權(quán)利要求I所訴的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述電子槍(44)、所述離子速度成像裝置(45)、所述中心波長SOOnm的飛秒激光束(18)在同一平面上，所述超聲分子束產(chǎn)生裝置(46)與所述電子槍(44)、離子速度成像裝置(45)、中心波長SOOnm的飛秒激光束(18)三者所在的平面垂直；所述電子槍(44)與所述離子速度成像裝置(45)呈45度角設(shè)置，所述中心波長800nm的飛秒激光束(18)與所述電子槍(44)呈90度角設(shè)置。
3.如權(quán)利要求I所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述電子槍(44)包括中心波長266nm的飛秒激光束(I )，設(shè)置在所述中心波長266nm的飛秒激光束(I)前的入射窗ロ(2);與所述入射窗ロ(2)連通的真空腔體(4)，所述真空腔體(4)連通設(shè)置有分子泵(8)，所述分子泵(8)連通有前極干泵(9);相對所述入射窗ロ(2)，由近及遠，在所述真空腔體(4)中，依次平行設(shè)置有光陰極(5)、柵網(wǎng)(6)、陽極(7)，所述入射窗ロ(2)、所述真空腔體(4)、所述光陰極(5)、所述柵網(wǎng)(6)、所述陽極(7)同軸設(shè)置；真空腔體(12)，其兩端分別與真空腔體(14)和所述真空腔體(4)同軸連通；磁透鏡(11)，其同軸套接在所述真空腔體(12)夕卜，可沿所述真空腔體(12)軸向移動；相對所述真空腔體(12)，由近及遠，在所述真空腔體(14)中，依次平行設(shè)置有ー對X方向偏轉(zhuǎn)板(15)、ー對Y方向偏轉(zhuǎn)板(16)、一對電子掃描板(17)，且與所述真空腔體(14)同軸設(shè)置，所述真空腔體(14)與所述樣品室(21)連通。
4.如權(quán)利要求I所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述離子速度成像裝置(45)，包括飛行腔(43)，與分子泵(41)連通設(shè)置，所述分子泵(41)與前極干泵(42)連通設(shè)置；設(shè)置在飛行腔(43)—端的與之連通的真空腔體(39)，設(shè)置在所述真空腔體(39)外側(cè)的波紋管(37)及可調(diào)節(jié)模塊(38); 在所述真空腔體(39)中，相對飛行腔(43)，由遠及近，依次平行設(shè)置第一極板(32)、第二極板(33)、第三極板(34)、第四極板(35)、漂移極極板組(36)，且與所述真空腔體(39)同軸設(shè)置，所述真空腔體(39)與所述樣品室(21)連通， 所述波紋管(37)通過所述可調(diào)節(jié)模塊(38)調(diào)節(jié)位置以控制所述第一極板(32)、所述第二極板(33)、所述第三極板(34)、所述第四極板(35)、所述漂移極極板組(36)的相對位置。
5.一種如權(quán)利要求I所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲分子束產(chǎn)生裝置(46)，包括樣品氣源(31)，通過第一減壓閥(28)與載氣管(27)連通；惰性氣體載氣源(30)，通過第二減壓閥(29)與所述載氣管(27)連通，所述載氣管(27)插入真空腔體(24)中，與脈沖閥(23)連通；漏勺(22)相對所述脈沖閥(23)平行設(shè)置，設(shè)置在所述真空腔體(24)中，所述真空腔體(24)與所述樣品室(21)連通，所述真空腔體(24)連通設(shè)置有離子泵(25)。
6.如權(quán)利要求3所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光陰極(5)與所述陽極(7)互相平行地設(shè)置在真空腔體(4)軸線上； 陶瓷環(huán)(a)絕緣分離所述光陰極(5)與所述陽極(7)，且可調(diào)節(jié)所述光陰極(5)與所述陽極(7)之間的距離，距離為5mm-10_ ； 所述光陰極(5)為背照式光陰極；所述陽極(7)之后設(shè)置有一圓形小孔(c)，所述小孔(C)的直徑為100 μ m ； 所述柵網(wǎng)(6)的篩孔大小為25 μ m。
7.如權(quán)利要求3所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述磁透鏡(11)包括聚焦線圈(111)、磁殼(112)、設(shè)置在磁殼(112)外的保護層(113)，所述保護層(113)由坡莫合金構(gòu)成； 所述磁透鏡(11)為空心圓柱，內(nèi)徑為50-60mm,外徑為120-200mm,長度為45_55mm,磁隙為3-7_ ； 所述聚焦線圈(111)采用的材料是銅導(dǎo)線，直徑為O. 5-lmm ； 所述磁殼(112)采用的是99. 6-99. 8%鐵；所述保護層(113)厚為l_2mm ； 所述磁透鏡(11)可沿所述真空腔體(12)軸向移動的距離為0-20mm。
8.如權(quán)利要求3所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述ー堆X方向偏轉(zhuǎn)板(15)之間的距離為5-6mm ;所述ー對Y方向偏轉(zhuǎn)板(16)之間的距離為5_6mm ;所述ー對電子掃描板(17)為平折形，所述ー對電子掃描板(17)之間的距離為3-4mm;所述X方向偏轉(zhuǎn)板(15)、所述Y方向偏轉(zhuǎn)板(16)、所述電子掃描板(17)之間設(shè)置支撐用的圓柱形絕緣陶瓷(b)。
9.如權(quán)利要求4所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一極板(32)的直徑136mm,孔徑 7mm,厚 1_ ; 所述第二極板(33)的直徑136mm,孔徑14mm,厚Imm ； 所述第三極板(34)直徑136mm,孔徑32mm,厚Imm ； 所述第四極板(35)直徑136mm,孔徑40mm,厚Imm ； 所述漂移極極板組(36)中姆個電極直徑136mm,孔徑100mm,厚IOmm ； 所述第一極板(32)與所述第二極板(33)間距為14mm，所述第二極板(33)與所述第三極板(34)間距為21mm，所述第三極板(34)與所述第四極板(35)間距為29mm，所述第四極板(35)與所述漂移極極板組(36)的第一個極板間距為10mm，所述漂移極極板組(36)中各個極板間距均為10mm。
10.如權(quán)利要求5所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在干，所述漏勺(22)的直徑為I-2mmο
11.如權(quán)利要求5所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述電子槍(44)、所述超聲分子束產(chǎn)生裝置(45)、所述離子速度成像系統(tǒng)(46)和樣品室(21)的真空度為10_7mbar。
12.如權(quán)利要求3、4、5中任意一項所述的分子四維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述入射窗ロ(2)與所述真空腔體(4)之間，所述真空腔體(4)與所述真空腔體(12)之間，所述真空腔體(12)與所述真空腔體(14)之間，所述真空腔體(24)與所述載氣管(27)之間，所述真空腔體(39)與所述飛行腔(43)之間分別通過密封部件(3，10，13，26，40)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于飛秒電子衍射的分子四維成像系統(tǒng)，其包括飛秒電子槍系統(tǒng)、超聲分子束系統(tǒng)、樣品室、離子速度成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和相關(guān)校正調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本發(fā)明通過高壓電極加速和磁透鏡聚焦獲得了飛秒電子脈沖，該電子脈沖與超聲分子束作用可獲得直接的、實時的分子衍射圖像。本發(fā)明通過集成離子速度成像技術(shù)獲得解離碎片的速度分布和角分布參數(shù)等輔助分析信息，可以更好地解析和指認復(fù)雜的分子動力學(xué)過程的電子衍射圖像。本發(fā)明具有較高的時間分辨能力和空間分辨能力，在離子速度成像技術(shù)的輔助下，可以方便地解析出飛秒時間分辨、原子尺度空間分辨的分子四維動態(tài)圖像。
文檔編號H01J49/08GK102830095SQ20111015821
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者江熠峰, 曹琦, 李靜, 楊巖, 仝艷麗, 裴敏潔, 周彬, 陳瑜婷, 鄧莉, 張詩按, 孫真榮 申請人:華東師范大學(xué)