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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2017年
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百千伏超快电子衍射系统的研发

李梦超  
【摘要】:超快电子衍射与成像技术在最近十多年内得到快速发展,至今已有多个科学机构进行了相关仪器研发及研究工作,取得了许多重要进展。其中直流电子枪的电子脉冲能量由起始的几十千伏发展到数百千伏,而最新应用到该领域的微波电子枪则将能量提升至兆伏量级;电子脉冲的纵向脉宽(时间尺度)则由皮秒量级变至飞秒量级,甚至有望到达阿秒量级。在此基础上,发展起来了包括超快扫描电子显微镜,超快透射电镜等多种时间分辨电子成像技术。研究范围也从晶格探测扩展至表面物理、超导、磁学、等离子、生物、化学等多个领域,逐步显示处了其强大的生命力。在此背景下,我们进行了100kV超快电子衍射系统的研发与搭建。我们先进行了系统设计所需的相关模拟,然后在此基础搭建了一台多功能紧凑型的百千伏超快电子衍射系统,包括100kV直流光阴极电子枪、电子脉冲控制装置、超高真空腔室、样品送入调节装置、探测成像装置、数据自动化采集系统以及外接设备等。通过模拟我们发现当电子脉冲经过电场边界后,其在z方向(纵向)上的扩展速度将会有一个很大幅度的减小,这对电子脉冲后期的行为具有决定性影响。我们修改并发展了传统的Mean field模型,给出了一个描述超快电子衍射系统内部电子脉冲运动的合理方案,使其可以准确描述超快电子束的运动行为,并优于其他模型。电子枪的设计极大程度避免了局部场强突变的出现,使电子枪可在一百千伏电压下稳定工作;增加了反射工作模式,单发电子产额有望达到百万量级,以实现对不可逆过程的探测。特殊的同轴对称结构保证了电场的对称与稳定,良好的磁屏蔽效果保证了电子脉冲的质量,外接保护电阻及保护罩等保证了电子枪工作的安全性。整套装置采用了特殊内嵌安装结构设计,使电子枪阴极至样品的距离在加磁透镜的情况下最短可至130mm,没有磁透镜时最短可小于100mm。装置的腔体设计最高真空度可达10-10Torr,由靶室,电子枪腔室,泵浦反射镜腔室,法拉第筒腔室以及排气腔室等组成。超高真空靶室具有多个窗口,其中侧向的34mm直径法兰窗口特殊设计。特殊设计了装置泵浦激光反射模式,使其沿电子脉冲运动相反的方向入射。样品靶室后期可与其它多个装置连接,实现多功能扩展。样品送入部分具有五维调节范围。样品承载装置——样品架能保证未来多种探测方案的实施,可被换装为其它装置,可升级。装置的探测成像系统包括特殊设计的法拉第筒,电子脉冲成像系统等。采用Labview编写的数据自动化采集系统正在研发中。在进行样品表面时间分辨衍射探测实验时(TR-RHEED),发现衍射条纹出现分裂,距离随延迟时间的变化呈现类高斯分布。等级越高的衍射条纹,其分裂间距越小。我们猜测该现象与样品发射电子有关,并通过分裂间距近似估计样品泵浦后表面电场峰值为107V/m量级。该实验有望同时获得样品晶格信息和表面电场信息,提供一种新的时间分辨电子衍射探测方法。
【关键词】:超快电子探测 超高真空设计 100kV直流光阴极电子枪 Mean-field模型 时间分辨高能电子衍射
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O572.322
【目录】:
  • 摘要3-5
  • ABSTRACT5-9
  • 第一章 简介9-21
  • 1.1 背景9-10
  • 1.2 产生及发展10-13
  • 1.3 探测实例13-16
  • 1.4 国内现状16-18
  • 1.5 仪器研发思路18-21
  • 第二章 100KV直流光阴极电子枪的设计21-39
  • 2.1 电子枪真空放电机理21-22
  • 2.2 电子枪模拟优化22-24
  • 2.3 电子枪设计24-28
  • 2.4 电子枪工作模式28-30
  • 2.5 三倍频原理30
  • 2.6 电源及接入30-38
  • 2.6.1 高压真空接入30-33
  • 2.6.2 限流电阻及保护33-36
  • 2.6.3 绝缘介质放电稳定性36-37
  • 2.6.4 电子枪电源37-38
  • 2.7 小结38-39
  • 第三章 基于系统设计的模拟—改善的平均场模型39-59
  • 3.1 平均场模型介绍39-42
  • 3.2 电场边界处修正42-44
  • 3.3 修正的平均场模型44-49
  • 3.3.1 加速区45-47
  • 3.3.2 边界修正47-49
  • 3.3.3 自由漂移区49
  • 3.4 结果讨论49-55
  • 3.4.1 计算结果50
  • 3.4.2 Boundary kick的构成50-51
  • 3.4.3 其它近似算法51-55
  • 3.5 阳极孔的影响55-57
  • 3.6 小结57-59
  • 第四章 基于系统设计的模拟—电子光学模拟59-67
  • 4.1 磁透镜59-62
  • 4.1.1 磁透镜模拟59-60
  • 4.1.2 N-particle模拟60-62
  • 4.2 RF谐振腔62-65
  • 4.2.1 谐振腔参数62-63
  • 4.2.2 谐振腔N-particle模拟63-65
  • 4.3 小结65-67
  • 第五章 超高真空腔体67-81
  • 5.1 腔体设计67-70
  • 5.1.1 紧凑型设计67-68
  • 5.1.2 磁透镜的绕制工艺68
  • 5.1.3 靶室窗口68-69
  • 5.1.4 泵浦反射镜69-70
  • 5.2 腔室重要部分尺寸70-74
  • 5.2.1 靶室70-72
  • 5.2.2 电子枪腔室72-73
  • 5.2.3 排气73-74
  • 5.3 真空实现74-79
  • 5.3.1 外接真空装置74-75
  • 5.3.2 腔体烘烤75-78
  • 5.3.3 腔体真空工作记录78-79
  • 5.4 小结79-81
  • 第六章 系统其它构成81-89
  • 6.1 样品送入调节装置81-83
  • 6.2 探测部分83-87
  • 6.2.1 法拉第筒设计83-85
  • 6.2.2 成像系统85-87
  • 6.3 基于LabVIEW的数据采集系统87
  • 6.4 小结87-89
  • 第七章 系统整体89-95
  • 7.1 系统构成89-91
  • 7.2 系统法兰尺寸91-93
  • 7.3 系统后期升级93-94
  • 7.4 小结94-95
  • 第八章 GAAS电子表面衍射实验95-107
  • 8.1 研究背景95-96
  • 8.2 实验布局96-98
  • 8.3 电子阴影98-102
  • 8.3.1 实验原理98-99
  • 8.3.2 电子阴影成像99
  • 8.3.3 电子阴影成像模拟99-102
  • 8.4 衍射条纹102-104
  • 8.5 电场及电荷密度104-105
  • 8.6 小结105-107
  • 第九章 总结和展望107-109
  • 参考文献109-119
  • 个人简历及发表文章目录119-121
  • 致谢121-123

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