基于相对论修正的超快电子枪偏转扫描系统的理论研究

　　经过几十年的发展,超快电子衍射(UED)已经成为探测物质状态、物质瞬态结构相变以及一些化学或生物学反应过程不可或缺的实验手段,且在研究物质结构微观、超快演化方面已经取得很多研究成果。目前利用具有时间分辨能力的超快电子衍射系统完成的著名实验有非加热熔化[1]、超热电子方向性[2]、强驱动热熔化[3]、超快原子运动[4]、分子结构的瞬态变化[5]以及定时瞬态化学反应[6]等。

　　1999年我国在实验上首次观察到fs级定向发射的准单能快电子束[2],并提出利用这种单能快电子束进行超快电子衍射可用于研究超快过程,同时,飞秒激光器的研制成果也为飞秒电子衍射系统的研制提供了有力的支持[7-8]。中国科学院西安光学精密机械研究所和中国科学院物理研究所在超快电子衍射系统方面展开研究,初步的设计目标是研制时间分辨率达500 fs的超快电子衍射系统。目前已经完成了该系统的设计、调试和部分指标的测量工作[9-11],并且已有部分实验结果[12]。

　　本文对超快电子脉冲在扫描电压作用下的偏转过程进行了分析与建模,对电子束的偏转距离进行了理论分析,并讨论了电子束运动速度的相对论修正和非相对论修正值对数值模拟结果的影响。

　　1　飞秒电子衍射扫描偏转系统

　　在飞秒电子衍射系统中,既有旋转对称单元(阴极、栅极、阳极、荧光屏等),也具有非旋转对称单元(扫描偏转单元);在追踪电子轨迹的时候,既存在稳定的电场、磁场,也存在随时间变化的电场(扫描偏转场)。在计算过程中,主要采用如下方法:根据飞秒电子衍射系统电(磁)极结构参数,电场(静电场或变化电场)采用有限差分法计算,磁聚焦透镜周围的磁场采用有限元法计算;电子轨迹追踪则用四阶Runge-Kutta法计算。

　　图1是飞秒电子衍射系统结构图。偏转部分设计了x,y方向共两对偏转板,其作用为:一是实现电子束在荧光屏平面内的2维移动,其次是在测量电子束脉冲宽度时用做扫描板,以实现将电子束脉冲的时间信息转化为空间信息加以测量。在ns,甚至ps量级的电子脉冲宽度的测量过程中,一般假设将一恒定的电压U施加于偏转板,则电子束会在偏转电压的作用下在荧光屏上偏转一定的距离y,由此计算出偏转系统的偏转灵敏度P,即P=y/U。如果施加于偏转板的是一随时间线性变化的电压,可以假设在一个非常短的时间间隔内,此电压的变化率(即斜坡电压的斜率)为一恒定值K,则偏转扫描系统的扫描速度v=PK。这样,对于脉宽为τ的电子脉冲,脉冲前沿和脉冲后沿在不同的时刻进入偏转板系统,因此其在荧光屏上的偏转的距离不同,因而会在荧光屏平面上拉开一定的距离,由一个亮斑变为一条亮线,如果电子束被拉开的距离为δL,则有τ=δL/v[11]。在需要测量电子束脉冲宽度的情形下,施加于偏转板的不是恒定的电压,因此,基于恒定电压而计算的偏转距离y值是不准确的。偏转距离y不准确,扫描电压U是变量,会对测量过程有什么样的影响呢?下面的分析讨论将解决这些问题,即由于不能准确计算扫描状态下电子斑到达荧光屏的精确位置而给电子束的扫描同步实验所造成的困难。实际上,电子束偏转距离的准确数值对同步过程非常关键,尤其是对于fs量级的电子脉冲。