专利名称：一种分子四维成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种成像系统，尤其涉及一种用于研究分子超快反应过程的基于飞秒电子衍射的分子四维成像装置。
背景技术：
自然界中的众多基本物理、化学和生物过程通常在超短时间内完成的。如物质相变通常发生在纳秒或者皮秒量级，化学反应中反应中间体的产生和消失是飞秒量级的，蛋白质分子的裁剪是发生在微秒量级的。而这些超快物理、化学和生物动力学过程中包含大量对于认识微观世界、物质变化规律十分重要的信息。相对于传统光谱学的方法间接的得到物质的结构变化，超快电子衍射和X射线衍射可以直接的获得分子反应的动态过程，有利于直观地的深刻地研究超快动力学过程。
超快时间分辨的电子衍射可以实时提供物理、化学和生物性质方面的直观信息，其可以完全满足研究超快反应过程对于皮秒和飞秒尺度时间分辨和原子尺度空间分辨的结构变化过程的需求。超快电子衍射相对于X射线衍射的优势在于首先，完全复制了入射超快激光时域特性的飞秒量级的电子束可以较容易的通过飞秒激光背入射光阴极产生外光电效应来产生。相较于设备复杂昂贵的X射线衍射，电子束的产生不需要价格昂贵的大型装置，成本低，且准直和聚焦比较简单。一方面，电子受到原子核和散布电子的散射(库仑散射)，而X射线只被散布电子散射(汤姆孙散射)。故电子散射的截面积比X射线散射大约6个数量级，需要较短的曝光时间(I秒相对于X射线的20小时)。另一方面，与X射线相t匕，电子对样品伤害较小。因此，时间分辨的电子衍射是研究表面性质、气体和薄膜的结构、分子结构变化等方面重要的，不可或缺的研究手段。在超快电子衍射领域，加州理工大学的Zewail为飞秒化学奠定了基础并且因此贡献在1999年获得了诺贝尔化学奖。2001年，Zewail小组报道了通过对飞秒气相电子衍射的衍射图的分析，直观揭示了气相分子与飞秒泵浦激光作用的整个过程，并发现了寿命超短(约数皮秒)、以往无法直接判断而只能猜测的气相分子反应中间体，展示了飞秒电子衍射在研究超快反应过程中的显著优势。另一方面，2003年多伦多大学的Miller小组报道了多晶铝薄膜的飞秒固体电子衍射，直观描述了非极性金属薄膜受到飞秒激光激发而熔解的整个过程，发现其固液转换发生在3. 5ps，证明了其熔解过程符合双温模型。目前超快电子衍射的主要困难在于，从光阴级出射的电子束会受到电子之间存在的强烈库仑力作用，其引起的空间电荷效应将导致飞秒电子脉冲的展宽，极大降低了电子衍射的时空分辨率。为了克服这一难关国内外的研究团队提出了数种有效的解决方案加拿大多伦多大学的Miller小组在电子枪阴阳两极施加30_100KeV高电压以减少电子脉冲飞行的时间，并且尽可能减小样品到阳极的距离来减少电子从产生到样品的时间，以减少空间电荷效应对电子脉宽的影响；美国加州理工的Zewail为了避免电子空间电荷效应用飞秒激光产生每个脉冲只有一个电子的电子束。超快电子衍射另一个困难在于，分子与高强度飞秒激光作用后的解离和多光子吸收过程非常的复杂，因此其相关的飞秒电子衍射的图像分析和指认难度非常大，而离子速度成像技术可为图像解析和指认提供丰富的辅助信息以更好的解析分子结构变化。离子成像方法是由David ff. Chandler和Paul L. Houston在1987年发展起来的一种重要实验方法，但是一直受到平动能分辨较低的困扰。而随着Parker和Eppink在1997年提出速度成像技术，离子速度成像成为研究光解动力学的主要方法。该技术是在飞行时间质谱的基础上加上了中间有圆孔的极板组成离子透镜，可以将产生在不同空间位置但是速度相同的离子投影在同一个点，再通过荧光板，最后由CCD相机采集碎片三维分布在二维投影。该投影通过反Abel变化、傅立叶变换、Sheep-Longan过滤器方法和直接反推法可以将二维投影重构为三维图像。在21世纪切片成像法成为新的研究光解动力学的重要方法。通过对“赤道截面”的切片成像可以避免对图像三维的重构，同时也可以避免人工噪声的引入。由于宽频谱、高强度飞秒激光脉冲与分子体系非线性相互作用产生若干复杂分子动力学过程，相关的飞秒电子衍射图像非常复杂，图像解析和指认难度非常大。
发明内容
本发明提供一种分子四维成像系统，由集成的离子速度成像技术获得的解离碎片 的速度分布和角分布参数，可以为图像解析和指认提供丰富的信息，从而大大提高仪器解析能力。飞秒电子衍射系统获得直接的、实时的分子结构变化的衍射图像，同时结合离子速度成像系统获得用于辅助图像解析指认的丰富信息，可以较容易的解析出飞秒时间分辨、原子尺度空间分辨的分子四维动态图像。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下
本发明提出了一种分子四维成像系统，其包括样品室，其分别与电子枪、离子速度成像装置、超声分子束产生装置连通；
所述样品室与分子泵连通，所述分子泵与前极干泵连通；
所述样品室设置有至少I个入射窗口；
其中所述电子枪、所述离子速度成像装置、所述超声分子束产生装置分别的入射轴相交在所述样品室的同一点上；
设直在样品室外的中心波长800nm的飞秒激光束，所述中心波长800nm的飞秒激光束入射到所述电子枪、所述离子速度成像装置、所述超声分子束产生装置分别的入射轴相交的所述样品室中的所述点上。本发明的分子四维成像系统中，所述电子枪、所述离子速度成像装置、所述中心波长SOOnm的飞秒激光束在同一平面上，所述超声分子束产生装置与所述电子枪、离子速度成像装置、中心波长SOOnm的飞秒激光束三者所在的平面垂直；所述电子枪与所述离子速度成像装置呈45度角设置，所述中心波长SOOnm的飞秒激光束与所述电子枪呈90度角设置。本发明的分子四维成像系统中，所述电子枪包括中心波长266nm的飞秒激光束，设置在所述中心波长266nm的飞秒激光束前的入射窗口 ；与所述入射窗口连通的真空腔体，所述真空腔体连通设置有分子泵，所述分子泵连通有前极干泵；相对所述入射窗口，由近及远，在所述真空腔体中，依次平行设置有光阴极、栅网、阳极，所述入射窗口、所述真空腔体、所述光阴极、所述栅网、所述阳极同轴设置；真空腔体，其两端分别与真空腔体和所述真空腔体同轴连通；磁透镜，其同轴套接在所述真空腔体外，可沿所述真空腔体轴向移动；相对所述真空腔体，由近及远，在所述真空腔体中，依次平行设置有一对X方向偏转板、一对Y方向偏转板、一对电子扫描板，且与所述真空腔体同轴设置，所述真空腔体与所述样品室连通。本发明的分子四维成像系统中，所述离子速度成像装置，包括飞行腔，与分子泵连通设置，所述分子泵与前极干泵连通设置；设置在飞行腔一端的与之连通的真空腔体，设置在所述真空腔体外侧的波纹管及可调节模块；
在所述真空腔体中，相对飞行腔，由远及近，依次平行设置第一极板、第二极板、第三极板、第四极板、漂移极极板组，且与所述真空腔体同轴设置，所述真空腔体与所述样品室连通，
所述波纹管通过所述可调节模块调节位置以控制所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板、所述第四极板、所述漂移极极板组的相对位置。本发明的分子四维成像系统中，所述超声分子束产生装置，包括样品气源，通过 第一减压阀与载气管连通；惰性气体载气源，通过第二减压阀与所述载气管连通，所述载气管插入真空腔体中，与脉冲阀连通；漏勺相对所述脉冲阀平行设置，设置在所述真空腔体中，所述真空腔体与所述样品室连通，所述真空腔体连通设置有离子泵。本发明的分子四维成像系统中，所述光阴极与所述阳极互相平行地设置在真空腔体轴线上；陶瓷环绝缘分离所述光阴极与所述阳极，且可调节所述光阴极与所述阳极之间的距离，距离为5mm-10mm ;所述光阴极为背照式光阴极；所述阳极之后设置有一圆形小孔，所述小孔的直径为100 μ m ;所述栅网的筛孔大小为25 μ m。本发明的分子四维成像系统中，所述磁透镜包括聚焦线圈、磁壳、设置在磁壳外的保护层，所述保护层由坡莫合金构成；所述磁透镜为空心圆柱，内径为50-60mm，外径为120-200mm，长度为45_55mm，磁隙为3_7mm ;所述聚焦线圈采用的材料是铜导线，直径为
O.5-lmm ;所述磁壳采用的是99. 6-99. 8%铁；所述保护层厚为l_2mm ；所述磁透镜可沿所述真空腔体轴向移动的距离为0-20mm。本发明的分子四维成像系统中，所述一堆X方向偏转板之间的距离为5-6_ ;所述一对Y方向偏转板之间的距离为5-6_ ;所述一对电子扫描板为平折形，所述一对电子扫描板之间的距离为3-4_;所述X方向偏转板、所述Y方向偏转板、所述电子扫描板之间设置支撑用的圆柱形绝缘陶瓷。本发明的分子四维成像系统中，所述第一极板的直径136mm,孔径7mm,厚Imm ;所述第二极板的直径136mm,孔径14mm,厚Imm ;所述第三极板直径136mm,孔径32mm,厚Imm ；所述第四极板直径136mm,孔径40mm,厚Imm ;所述漂移极极板组中每个电极直径136mm,孔径100mm,厚IOmm ;所述第一极板与所述第二极板间距为14mm,所述第二极板与所述第三极板间距为21mm，所述第三极板与所述第四极板间距为29mm，所述第四极板与所述漂移极极板组的第一个极板间距为10mm，所述漂移极极板组中各个极板间距均为10mm。本发明的分子四维成像系统中，所述漏勺的直径为l_2mm。本发明的分子四维成像系统中，所述电子枪、所述超声分子束产生装置、所述离子速度成像系统和样品室的真空度为10_7mbar。本发明的分子四维成像系统中，所述入射窗口与所述真空腔体之间，所述真空腔体与所述真空腔体之间，所述真空腔体与所述真空腔体之间，所述真空腔体与所述载气管之间，所述真空腔体与所述飞行腔之间分别通过密封部件连接。本发明公开了一种基于飞秒电子衍射的分子四维成像系统，其包括飞秒电子枪系统、超声分子束系统、样品室、离子速度成像系统、真空系统和相关校正调节系统。本发明通过高压电极加速和磁透镜聚焦获得了飞秒电子脉冲，该电子脉冲与超声分子束作用可获得直接的、实时的分子衍射图像。本发明通过集成离子速度成像技术获得解离碎片的速度分布和角分布参数等辅助分析信息，可以更好地解析和指认复杂的分子动力学过程的电子衍射图像。本发明具有较高的时间分辨能力和空间分辨能力，在离子速度成像技术的辅助下，可以方便地解析出飞秒时间分辨、原子尺度空间分辨的分子四维动态图像。
图Ia为本发明分子四维成像系统的空间位置示意 图Ib为本发明分子四维成像系统的结构示意图； 图2为本发明的分子四维成像系统中，电子枪的局部放大 图3为本发明的分子四维成像系统的电子枪中，磁透镜的截面 图4为本发明的分子四维成像系统的电子枪中,X方向偏转板、Y方向偏转板、电子扫描板的局部放大 图5为本发明的分子四维成像系统中，离子速度成像装置的局部放大图。
具体实施例方式下面结合图例和具体实施方案对本发明进行更细致的说明
图la、lb为本发明分子四维成像系统的结构示意图。其中分子四维成像系统包括样品室21，样品室21具有4个入射窗口。在本实施例中设置了 4个不同角度的入射窗口，以便更好的设计实验、观察实验现象。实际至少需要I个入射窗口即可。样品室21分别与电子枪44、离子速度成像装置45、超声分子束产生装置46连通。样品室21还与分子泵19连通，分子泵19与前极干泵20连通。电子枪44、离子速度成像装置45、超声分子束产生装置46分别的入射轴相交在所述样品室21的同一点47上。设置在样品室21外的中心波长SOOnm的飞秒激光束18发射的激光束入射到所述电子枪44、离子速度成像装置45、超声分子束产生装置46分别的入射轴相交的所述样品室21中的点47上。如图Ia所示，从俯视的角度观察本发明系统，电子枪44、离子速度成像装置45、中心波长SOOnm的飞秒激光束18在同一平面上，超声分子束产生装置46设置在样品室21的上方，超声分子束产生装置46垂直于电子枪44、离子速度成像装置45、中心波长SOOnm的飞秒激光束18三者共同所在的平面。电子枪44和离子速度成像装置45之间呈45度角设置，电子枪44与中心波长800nm的飞秒激光束18之间呈90度角设置。中心波长800nm的飞秒激光束18与离子速度成像装置45之间可呈45度或135度角。下面对电子枪44、离子速度成像装置45及超声分子束产生装置46的结构作详细描述。如图Ib所示，电子枪44包括中心波长266nm飞秒激光束I，设置在中心波长266nm飞秒激光束I前的入射窗口 2 ;与入射窗口 2连通的真空腔体4，真空腔体4侧面连通设置有分子泵8，分子泵8连通有前极干泵9 ;相对入射窗口 2，由近及远，在真空腔体4中，依次平行设置有光阴极5、栅网6、阳极7。入射窗口 2、真空腔体4、光阴极5、栅网6、阳极7同轴设置。本实施例中，如图2所示，光阴极5为背照式光阴极，采用8nm厚度的金膜，或者40nm银膜。阳极7后有一圆形小孔C，小孔c的直径为100 μ m。栅网6通过阳极压块固定在阳极7的圆形小孔c上。栅网6的筛孔大小为25 μ m。设置一陶瓷环a用于绝缘分离光阴极5与阳极7，且可调节所述光阴极5与所述阳极7之间距离，可调范围在5mm-10mm之间。光阴极5上施加50-100kV的负高压，阳极接地，两者之间形成10kV/mm的加速电场。在本发明中，圆形小孔c的直径可以为90_120μπι，栅网6的筛孔大小可以为30-40 μ m ;不同陶瓷环a可以用来调节光阴极5与阳极7之间的距离从而调节加速电极间的电场强度。电子枪44还包括，与真空腔体4同轴连通的真空腔体12，真空腔体12的另一端与 真空腔体14同轴连通。磁透镜11同轴套接在真空腔体12外，可沿所述真空腔体12轴向移动。相对真空腔体12，由近及远，在真空腔体14中，依次平行设置有一对X方向偏转板15、一对Y方向偏转板16、一对电子扫描板17，且与所述真空腔体14同轴设置，所述真空腔体14与所述样品室21连通。图3是本发明中磁透镜11的截面图。磁透镜11设置在真空腔体12的外侧，由聚焦线圈111、磁壳112、及坡莫合金制成的保护层113构成。本实施例中，磁透镜11为空心圆柱，内径r为50mm,外径R为140mm,长度L为45-55mm,磁隙为5mm,这样可以使得磁场能够集中在这5_的间隙中。聚焦线圈111的阻数为800匝，可通过在磁透镜11上施加不同的电流使得电子聚焦在不同的位置上。聚焦线圈111采用的材料是铜导线，直径为Imm ;磁壳112采用的是99%铁；保护层113的厚度为2mm ；
其中，磁透镜11内径可以是40-60mm，外径可以是120_180mm，其长度可以是45_55mm，聚焦线圈111的匝数可以是800-1000匝，聚焦线圈111直径可以是O. 5-lmm，磁壳112采用的材料可以是纯度为99. 6-99. 8%的工业纯铁，保护层113的厚度可以是l_2mm。本实施例中，磁透镜11可沿真空腔体轴向移动的距离为0_20mm。图4是本发明的电子枪44中，X方向偏转板15、Y方向偏转板16、电子扫描板17的局部放大图。X方向偏转板15、Y方向偏转板16、电子扫描板17依次平行设置在真空腔体14中，且X方向偏转板15、Y方向偏转板16、电子扫描板17与真空腔体14同轴设置。本实施例中，X方向偏转板15、Y方向偏转板16、电子扫描板17之间设有圆柱形绝缘陶瓷柱b ;—对X方向偏转板15板之间的距离为6mm ;—对Y方向偏转板16板之间的距离为6mm 对电子扫描板17为平折形状，目的在于避免电子打到电子扫描板17上，以增加电子运动的空间，电子扫描板17之间的距离为3mm。本发明中，一对X方向偏转板15板之间的距离可以是5_6mm,—对Y方向偏转板16板之间的距离可以是5-6mm，一对电子扫描板17板之间的距离可以是3_4mm。本发明中，离子速度成像装置45包括飞行腔43，与分子泵41连通设置，分子泵41与前极干泵42连通设置。还包括，设置在飞行腔43 —端的真空腔体39，并与之连通，设置在真空腔体39外侧的4根波纹管37及可调节模块38。波纹管37主要用于调节离子速度成像装置，设置4根可以更稳固均匀的调节离子速度成像装置45的位置。图5为本发明中离子速度成像装置的局部放大图。在真空腔体39中，相对飞行腔43，由远及近,依次平行设置第一极板32、第二极板33、第三极板34、第四极板35、漂移极极板组36，且与所述真空腔体39同轴设置，真空腔体39与所述样品室21连通。波纹管37通过所述可调节模块38调节位置以控制所述第一极板32、所述第二极板33、所述第三极板34、所述第四极板35、所述漂移极极板组36的相对位置。本实施例中，第一极板32、第二极板33、第三极板34、第四极板35、漂移极极板组36由不锈钢圆盘构成。第一极板32直径136mm,孔径7mm,厚度1mm。第二极板33直径136mm,孔径14mm,厚度1mm。第三极板34直径136mm,孔径32mm,厚度1mm。第四极板35直径136mm,孔径40mm,厚度1mm。漂移极极板组36中每个电极直径136mm,孔径100mm,厚10mm。第一极板32与第二极板33间距为14mm，第二极板33与第三极板34间距为21mm，第三极板34与第四极板35间距为29mm，第四极板35与漂移极极板组(36)的第一个极板间 距为10mm。本实施例中，漂移极极板组36中包括9个极板，每个极板之间的间距均为10mm。波纹管37可调节离子透镜的范围为0-150_。其中，第一极板32、第二极板33、第三极板34及第四极板35可以是由直径140mm左右，厚度O. 5-lmm,孔径5_40_不等的不锈钢圆盘构成。本实施例中，超声分子束产生装置46包括样品气源31，通过第一减压阀28与载气管27连通。惰性气体载气源30，通过第二减压阀29与载气管27连通，载气管27插入真空腔体24中，与脉冲阀23连通。漏勺22相对脉冲阀23平行设置，漏勺22设置在真空腔体24中。真空腔体24与样品室21连通，所述真空腔体24连通设置有离子泵25。本实施例中，真空系统使得电子枪44、超声分子束产生装置45、离子速度成像系统46和样品室21的真空度优于10_7mbar。本基于飞秒电子衍射的分子四维成像系统的工作流程
基于飞秒电子衍射的分子四维成像系统的工作流程由飞秒电子束产生、超声分子束产生和离子速度成像组成。首先，真空系统使得电子枪44、超声分子束产生装置45、离子速度成像系统46和样品室21的真空度优于10_7mbar。随后，一方面中心波长800nm的飞秒激光通过三倍频后产生266nm飞秒激光，其通过入射窗口 2入射到电子枪44的光阴极5后表面，透过白宝石沉底与厚度2nm的钨打底层后该266nm飞秒激光入射到40nm厚的银膜，发生外光电效应产生能量弥散度为O. 95eV的电子束，该电子束在时域上的特性与入射激光完全相同。加速电极中，阳极7接地，光阴极5上接入_50kV的负高压使两极之间产生10kV/mm的加速电场，在该电场下，电子获得50keV的能量，得到O. 0536埃的电子波长，最终从电子枪44出射的脉冲电子可以达到低于几百飞秒的时间分辨能力以及小于I埃的空间分辨能力。飞秒电子束经过套有磁透镜11的真空腔体12时，磁透镜11通过5mm范围内的高斯磁场对电子束脉宽进行压缩。真空腔体14中的X方向偏转板15和Y方向偏转板16用于在X方向和Y方向上校正电子束的位置，通过调节一对X方向偏转板15板之间的电场大小可以控制电子束X方向上的位置，通过调节一对Y方向偏转板16板之间的电场大小可以控制电子束Y方向上的位置。经过磁透镜11、X方向偏转板15和Y方向偏转板16校正后的飞秒电子束飞向样品室21中飞秒电子束、超声分子束和入射的中心波长800nm的泵浦激光共点处。产生的飞秒电子束需要用电子扫描板17测量电子束的脉宽。本实施例中，采用传统的条纹相机法测量电子脉宽，当电子束到达电子扫描板17时,在电子扫描板17上施加一个随时间变化的斜坡电压，使得电子束中不同位置的电子在空间上被拉开，通过对其空间位置的测量就可以得到电子束的脉宽。可在电子扫描板17接微通道、荧光板和CCD来观察电子斑的位置变化。在本发明基于飞秒电子衍射的分子四维成像系统的电子枪44后方，可接用于探测电子束的电流密度的法拉第杯，探测电子脉冲的电子个数。在本发明基于飞秒电子衍射的分子四维成像系统的电子枪44后方，可接用于放大电子衍射信号的微通道板和荧光板，与用于采集电子衍射信号的CCD。而另一方面，惰性气体载气源30和样品气源31中的气体分别通过第一减压阀28和第二减压阀29在载气管27中混合并进入真空腔体24中的脉冲阀23。脉冲阀23喷出的 超声分子束经过漏勺22准直后飞入样品室21中飞秒电子束、超声分子束和入射的中心波长800nm的泵浦激光共点处。最后，经过飞秒激光激发，超声分子束中的分子将发生库伦爆炸或者解离电离为离子碎片。通过第一极板32、第二极板33、第三极板34、第四极板35、漂移极极板组36分别加载不同的电压使得离子碎片中不同空间位置但是速度相同的离子入射到离子速度成像装置45后方。在本发明基于飞秒电子衍射的分子四维成像系统的离子速度成像装置45后方，可接用于放大离子碎片信号的微通道板和荧光板，与用于采集离子碎片信号的CCD。飞秒电子衍射可快速获得直接的、实时的分子结构变化的衍射图像，结合离子速度成像获得的解离碎片的速度分布和角分布参数，从而获得飞秒分辨、原子尺度空间分辨的分子四维动态图像。无论是超快电子衍射还是离子速度成像部分都需要一个很好的时序调整以保证超声分子束、泵浦激光、飞秒电子束在时域上的完好同步，并且反复调整入射光、入射样品、入射电子的位置以使他们在空间上的严格共点。
权利要求
1.ー种分子四维成像系统，其特征在于，包括样品室(21)，其分别与电子枪(44)、离子速度成像装置(45)、超声分子束产生装置(46)连通； 所述样品室(21)与分子泵(19)连通，所述分子泵(19)与前极干泵(20)连通； 所述样品室(21)设置有至少I个入射窗ロ ； 其中所述电子枪(44)、所述离子速度成像装置(45)、所述超声分子束产生装置(46)分别的入射轴相交在所述样品室(21)的同一点(47)上； 设置在样品室(21)外的中心波长800nm的飞秒激光束(18)，所述中心波长800nm的飞秒激光束(18)入射到所述电子枪(44)、所述离子速度成像装置(45)、所述超声分子束产生装置(46)分别的入射轴相交的所述样品室(21)中的所述点(47)上。
2.如权利要求I所诉的分子四维成像系统，其特征在于，所述电子枪(44)、所述离子速度成像装置(45)、所述中心波长SOOnm的飞秒激光束(18)在同一平面上，所述超声分子束产生装置(46)与所述电子枪(44)、离子速度成像装置(45)、中心波长SOOnm的飞秒激光束(18)三者所在的平面垂直；所述电子枪(44)与所述离子速度成像装置(45)呈45度角设置，所述中心波长800nm的飞秒激光束(18)与所述电子枪(44)呈90度角设置。
3.如权利要求I所述的分子四维成像系统，其特征在于，所述电子枪(44)包括中心波长266nm的飞秒激光束(I )，设置在所述中心波长266nm的飞秒激光束(I)前的入射窗ロ(2);与所述入射窗ロ(2)连通的真空腔体(4)，所述真空腔体(4)连通设置有分子泵(8)，所述分子泵(8)连通有前极干泵(9);相对所述入射窗ロ(2)，由近及远，在所述真空腔体(4)中，依次平行设置有光阴极(5)、栅网(6)、阳极(7)，所述入射窗ロ(2)、所述真空腔体(4)、所述光阴极(5)、所述栅网(6)、所述阳极(7)同轴设置；真空腔体(12)，其两端分别与真空腔体(14)和所述真空腔体(4)同轴连通；磁透镜(11)，其同轴套接在所述真空腔体(12)夕卜，可沿所述真空腔体(12)轴向移动；相对所述真空腔体(12)，由近及远，在所述真空腔体(14)中，依次平行设置有ー对X方向偏转板(15)、ー对Y方向偏转板(16)、一对电子扫描板(17)，且与所述真空腔体(14)同轴设置，所述真空腔体(14)与所述样品室(21)连通。
4.如权利要求I所述的分子四维成像系统，其特征在于，所述离子速度成像装置(45)，包括飞行腔(43)，与分子泵(41)连通设置，所述分子泵(41)与前极干泵(42)连通设置；设置在飞行腔(43)—端的与之连通的真空腔体(39)，设置在所述真空腔体(39)外侧的波纹管(37)及可调节模块(38); 在所述真空腔体(39)中，相对飞行腔(43)，由远及近，依次平行设置第一极板(32)、第二极板(33)、第三极板(34)、第四极板(35)、漂移极极板组(36)，且与所述真空腔体(39)同轴设置，所述真空腔体(39)与所述样品室(21)连通， 所述波纹管(37)通过所述可调节模块(38)调节位置以控制所述第一极板(32)、所述第二极板(33)、所述第三极板(34)、所述第四极板(35)、所述漂移极极板组(36)的相对位置。
5.一种如权利要求I所述的分子四维成像系统，其特征在于，所述超声分子束产生装置(46)，包括样品气源(31)，通过第一减压阀(28)与载气管(27)连通；惰性气体载气源(30)，通过第二减压阀(29)与所述载气管(27)连通，所述载气管(27)插入真空腔体(24)中，与脉冲阀(23)连通；漏勺(22)相对所述脉冲阀(23)平行设置，设置在所述真空腔体(24)中，所述真空腔体(24)与所述样品室(21)连通，所述真空腔体(24)连通设置有离子泵(25)。
6.如权利要求3所述的分子四维成像系统，其特征在于，所述光阴极(5)与所述阳极(7)互相平行地设置在真空腔体(4)轴线上； 陶瓷环(a)绝缘分离所述光阴极(5)与所述阳极(7)，且可调节所述光阴极(5)与所述阳极(7)之间的距离，距离为5mm-10_ ； 所述光阴极(5)为背照式光阴极；所述阳极(7)之后设置有一圓形小孔(c)，所述小孔(C)的直径为100 μ m ； 所述栅网(6)的筛孔大小为25 μ m。
7.如权利要求3所述的分子四维成像系统，其特征在于，所述磁透镜(11)包括聚焦线圈(111)、磁壳(112)、设置在磁壳(112)外的保护层(113)，所述保护层(113)由坡莫合金构成； 所述磁透镜(11)为空心圆柱，内径为50-60mm,外径为120-200mm,长度为45_55mm,磁隙为3-7_ ； 所述聚焦线圈(111)采用的材料是铜导线，直径为O. 5-lmm ； 所述磁壳(112)采用的是99. 6-99. 8%铁；所述保护层(113)厚为l_2mm ； 所述磁透镜(11)可沿所述真空腔体(12)轴向移动的距离为0-20mm。
8.如权利要求3所述的分子四维成像系统，其特征在于，所述ー堆X方向偏转板(15)之间的距离为5-6mm ;所述ー对Y方向偏转板(16)之间的距离为5_6mm ;所述ー对电子扫描板(17)为平折形，所述ー对电子扫描板(17)之间的距离为3-4mm;所述X方向偏转板(15)、所述Y方向偏转板(16)、所述电子扫描板(17)之间设置支撑用的圆柱形绝缘陶瓷(b)。
9.如权利要求4所述的分子四维成像系统，其特征在于，所述第一极板(32)的直径136mm,孔径 7mm,厚 1_ ; 所述第二极板(33)的直径136mm,孔径14mm,厚Imm ； 所述第三极板(34)直径136mm,孔径32mm,厚Imm ； 所述第四极板(35)直径136mm,孔径40mm,厚Imm ； 所述漂移极极板组(36)中姆个电极直径136mm,孔径100mm,厚IOmm ； 所述第一极板(32)与所述第二极板(33)间距为14mm，所述第二极板(33)与所述第三极板(34)间距为21mm，所述第三极板(34)与所述第四极板(35)间距为29mm，所述第四极板(35)与所述漂移极极板组(36)的第一个极板间距为10mm，所述漂移极极板组(36)中各个极板间距均为10mm。
10.如权利要求5所述的分子四维成像系统，其特征在干，所述漏勺(22)的直径为I-2mmο
11.如权利要求5所述的分子四维成像系统，其特征在于，所述电子枪(44)、所述超声分子束产生装置(45)、所述离子速度成像系统(46)和样品室(21)的真空度为10_7mbar。
12.如权利要求3、4、5中任意一项所述的分子四维成像系统，其特征在于，所述入射窗ロ(2)与所述真空腔体(4)之间，所述真空腔体(4)与所述真空腔体(12)之间，所述真空腔体(12)与所述真空腔体(14)之间，所述真空腔体(24)与所述载气管(27)之间，所述真空腔体(39)与所述飞行腔(43)之间分别通过密封部件(3，10，13，26，40)连接。
全文摘要
本发明公开了一种基于飞秒电子衍射的分子四维成像系统，其包括飞秒电子枪系统、超声分子束系统、样品室、离子速度成像系统、真空系统和相关校正调节系统。本发明通过高压电极加速和磁透镜聚焦获得了飞秒电子脉冲，该电子脉冲与超声分子束作用可获得直接的、实时的分子衍射图像。本发明通过集成离子速度成像技术获得解离碎片的速度分布和角分布参数等辅助分析信息，可以更好地解析和指认复杂的分子动力学过程的电子衍射图像。本发明具有较高的时间分辨能力和空间分辨能力，在离子速度成像技术的辅助下，可以方便地解析出飞秒时间分辨、原子尺度空间分辨的分子四维动态图像。
文档编号H01J49/08GK102830095SQ20111015821
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者江熠峰, 曹琦, 李静, 杨岩, 仝艳丽, 裴敏洁, 周彬, 陈瑜婷, 邓莉, 张诗按, 孙真荣 申请人:华东师范大学