一种电子束90度偏转器

摘要

本发明公开了一种电子束90度偏转器，它包括金属偏转阳极、金属偏转阴极和偏压电极片，金属偏转阳极位于90度圆弧的内层，金属偏转阴极位于90度圆弧的外层，两块偏压电极片通过螺栓和刚玉陶瓷垫片贴压在金属偏转阳和金属偏转阴极的两侧面，由金属偏转阳极、金属偏转阴极和两块偏压电极片所围成的空腔构成偏转器通道，金属偏转阴极上开设有从正面直射光阴极的激光通孔，金属偏转阴极内壁弧面设有沟槽，沟槽内嵌插有超薄玻璃。本发明的优点是：激光正面垂直入射微米级打在光阴极，避免了现有电子束90度偏转器电极开较大孔径空洞对内电场畸变的影响，有效的提升了电子显微术的时间和空间分辨率。

权利要求

1.一种电子束90度偏转器，包括有金属偏转阳极（1）、金属偏转阴极（4）和偏压电极片（3），金属偏转阳极（1）位于90度圆弧的内层，金属偏转阴极（4）位于90度圆弧的外层，两块偏压电极片（3）通过螺栓和刚玉陶瓷垫片（2）贴压在金属偏转阳极（1）和金属偏转阴极（4）的两侧面，由金属偏转阳极（1）、金属偏转阴极（4）和两块偏压电极片（3）所围成的空腔构成偏转器通道（8），金属偏转阴极（4）上开设有从正面直射光阴极（12）的激光通孔（5），其特征是：金属偏转阴极（4）内壁弧面设有沟槽（9），沟槽内嵌插有超薄玻璃（10）。

2.根据权利要求1所述的电子束90度偏转器，其特征是：所述超薄玻璃（10）的材料选用厚度为50微米的ITO导电玻璃。

3.根据权利要求1或2所述的电子束90度偏转器，其特征是：金属偏转阴极（4）内壁弧面的沟槽（9）下端设有台阶（11）。

说明书

一种电子束90度偏转器

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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

[0010] 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。

[0011] 本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括金属偏转阳极、金属偏转阴极和偏压电极片，金属偏转阳极位于90度圆弧的内层，金属偏转阴极位于90度圆弧的外层，两块偏压电极片通过螺栓和刚玉陶瓷垫片贴压在金属偏转阳极和金属偏转阴极的两侧面，由金属偏转阳极、金属偏转阴极和两块偏压电极片所围成的空腔构成偏转器通道，金属偏转阴极上开设有从正面直射光阴极的激光通孔，金属偏转阴极内壁弧面设有沟槽，沟槽内嵌插有超薄玻璃。

[0012] 本发明将电子束90度偏转器的阴极分为两个部分，金属偏转阴极和超薄玻璃。超薄玻璃厚度为50微米，该超薄玻璃已有日本Nippon Electric Glass公司量产。超薄玻璃具有良好的导电性，柔韧性，耐热性和高的激光通过率。超薄玻璃嵌插固定在金属偏转阴极内壁弧面的沟槽内，与金属内壁紧密贴合，共同形成90度电子束偏转器的阴极。当加电压时，超薄玻璃表面形成等势面，避免了激光圆孔对电场的畸变影响。本发明采用较大大的激光通孔，利用短聚焦在光阴极表面将激光聚焦到几个微米。

[0013] 本发明的技术效果是：解决了电子束90度偏转器中正面垂直入射激光引入的问题，既保证了激光微米级打在光阴极，也避免了较大孔径对电子束90度偏转器内电场畸变的影响。最终将显著的提升超快激光泵浦/超快电子束探测的泵浦探测技术及电子显微技术的时间和空间分辨率。与此同时，本发明具有广泛的应用，不仅可以用于激光泵浦电子束探测技术电子显微装置，也可独立用作光阴极电子枪的核心部件。

附图说明

[0014] 图1为SIMION模拟有孔与无孔90度偏转器等势线的对比图；

[0015] 图2为SIMION 模拟有孔与无孔90度偏转器中心电子轨迹的对比图；

[0016] 图3为SIMION模拟激光聚焦半径为5微米、2毫米时经偏转器获得的电子分布图；

[0017] 图4为本发明的结构示意图；

[0018] 图5为超薄玻璃与金属偏转阴极组合示意图；

[0019] 图6为ZEMAX模拟本发明激光光路图；

[0020] 图7为ZEMAX模拟本发明超薄玻璃厚度对激光焦斑影响示意图；

[0021] 图8为装有本发明的激光泵浦电子束探测系统的示意图。

[0022] 图中：1.金属偏转阳极；2. 刚玉陶瓷垫片；3.偏压电极片；4.金属偏转阴极；5.激光通孔；6.固定螺孔；7.电压引线；8.偏转器通道；9.沟槽；10.超薄玻璃；11.台阶；12光阴极；13.消色差双胶合透镜；14.视窗；15.扩束镜；16.反射镜；17.激光器；18.分光镜；19.90度电子束偏转器系统；20.电子显微系统；21.样品；22.延迟线设备；23.凹槽。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0024] 如图4、图5所示，本发明包括金属偏转阳极1、金属偏转阴极4和偏压电极片3，金属偏转阳极1位于90度圆弧的内层，金属偏转阴极4位于90度圆弧的外层，两块偏压电极片3通过螺栓和刚玉陶瓷垫片2贴压在金属偏转阳极1和金属偏转阴极4的两侧面，由金属偏转阳极1、金属偏转阴极4和两块偏压电极片3所围成的空腔构成偏转器通道8，金属偏转阴极4上开设有从正面直射光阴极12的激光通孔5，金属偏转阴极4内壁弧面设有沟槽9，沟槽内嵌插有超薄玻璃10。

[0025] 金属偏转阳极1、金属偏转阴极4和偏压电极片3是同心轴的，每个电极具有电压引线7，用于加不同的偏转电压。金属偏转阳极1和金属偏转阴极4上有若干个限位螺孔6，用于固定90度电子束偏转器和真空腔体。金属偏转阳极1外弧和金属偏转阴极4内弧边缘均有凹槽23，将两侧偏压电极片3分隔出一定间距。金属偏转阴极的激光通孔孔径为毫米级。各金属电极边缘需要倒圆角。刚玉陶瓷垫片2的材料采用纯度99.9%以上的刚玉。

[0026] 如图5所示，金属偏转阴极4内壁弧面沟槽9尺寸很小，对偏转器通道8的电场分布影响可以忽略。超薄玻璃10插入沟槽9，与金属阴极内壁紧密贴合，共同作为阴极。金属偏转阴极4内壁弧面的沟槽9下端设有台阶11，用于限制和校准超薄玻璃10的位置，沟槽9的上端需要倒圆角。

[0027] 如图6所示，一束激光通过扩束镜扩束到16毫米直径，经过视窗14，再由消色差双胶合透镜13聚焦，依次通过激光通孔5（激光通孔的直径为10毫米至20毫米，取决于偏转器通道8的宽度），超薄玻璃10，偏转器通道8，正面照射在光阴极12上，ZEMAX模拟结果表明焦斑半径在2.5微米左右。

[0028] 如图7所示，横坐标为超薄玻璃的厚度，纵坐标为样品处聚焦激光的均方根半径。我们计算了偏转半径为45毫米(图7左图)、偏转半径为90毫米(图7右图)情况下激光波长为
760纳米，780纳米，800纳米时经过不同厚度超薄玻璃后聚焦的焦斑半径。图中附带的小图为激光焦斑处的点列图。超薄玻璃10厚度对于激光焦斑大小和形状具有一定影响，对于45毫米偏转半径情况而言，激光聚焦斑点半径与超薄玻璃厚度基本呈线性关系，而对于90毫米偏转半径而言，激光聚焦斑点半径在超薄玻璃10厚度为50微米处有一最小值。而超薄玻璃10厚度对激光斑点的形状也有影响，具体如附带的点列图形状所示。如采用50微米厚度的超薄玻璃，激光焦斑对于45毫米偏转半径可以达到2.5微米左右，而对于90毫米偏转半径小于2微米且十分接近于圆。因此对激光实验效果的影响可以忽略。

[0029] 超薄玻璃10的材料选用厚度为50微米的ITO导电玻璃，通常是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用溅射、蒸发等多种方法镀上一层氧化铟锡（俗称ITO）膜加工制作成的。对激光具有极高的通过率，同时兼顾导电性和柔韧性。实施例

[0030] 本发明的实施例如图8所示，超快激光17通过分光镜18分为泵浦激光束和探测激光束，泵浦激光束经过反射镜反射直接进入电子显微系统20，打在样品21上激发一个动力学过程。

[0031] 探测束由反射镜16反射进入延迟线设备22，再由反射镜16反射到扩束镜15扩束到厘米量级，然后透过视窗14进入真空腔体，再由消色差胶合透镜聚焦13，通过金属偏转阴极4上的激光通孔5、超薄玻璃10、偏转器通道8以微米量级聚焦在光阴极12上激发出光电子束。

[0032] 光电子束经过本发明进入电子显微系统20，探测样品21的动力学过程。在样品21处，泵浦激光束和探测光电子束在空间上要完全重合。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。