射频压缩超快电子衍射系统中超短电子脉冲产生和结构动力学研究

发布时间：2017-12-15 10:01

  本文关键词：射频压缩超快电子衍射系统中超短电子脉冲产生和结构动力学研究

  更多相关文章： 超快电子衍射 射频压缩 库伦相互作用 同步抖动 直流高压电子腔 相变材料 结构动力学

【摘要】：结合超短电子脉冲和超快激光技术的超快电子衍射技术可以直观的探测时间分辨的原子级动力学,最近得到了迅速的发展。超快电子衍射系统中,飞秒激光泵浦激发结构动力学,keV-MeV能量的超短电子脉冲探测衍射信息,该系统具有亚皮米和百飞秒的时空分辨能力,被广泛的应用于物理,化学和生物领域的研究中。库伦相互作用主导的keV超快电子衍射系统可以替代实现X-FEL技术的功能,成本更低,仪器更小巧,但是,由于电子脉冲中电子间的库伦相互作用以及激光和射频信号之间的同步抖动,文献报道的系统时间分辨能力大于200 fs,时间分辨能力还有很大的提升空间。本文中我们自主设计并实现了基于射频压缩的keV高亮度电子源超快电子衍射系统,并主要研究了我们系统以及该技术的时间分辨能力,开展了合金相变材料结构动力学研究。主要内容分为以下几部分:(1)完成了基于直流加速射频压缩高亮度电子源的超快电子衍射系统的性能测试和部分系统优化。系统可实现单脉冲电子个数105下,2.3psFWHM的时间分辨能力,其中压缩后电子脉宽300-400 fs FWHM,激光-射频同步抖动1.2 ps FWHM。设计了结构优化的二代直流高压电子枪结构,有效避免了局部场增强效应导致的电极场致电离击穿和绝缘子表面闪络击穿,通过高压老练,电子枪可以稳定工作在70-80 kV,场强7-8 kV/mm。通过粒子束模拟软件GPT和电磁场模拟软件POISSON SUPERFISH对整个系统进行了精确的模拟,进行了实验结果理论模拟解析和整个系统的优化升级。(2)首次在实验中发现并提出了库伦相互作用诱导的抖动放大效应,指出多电子脉冲中库伦相互作用导致样品处电子脉冲到达时间抖动显著大于激光-射频间的相对时间抖动(即同步抖动)。对此效应我们给出了明确的物理机制分析和优化解决方法,对其不可完全抑制性和广泛存在性给出了清晰的物理图景。(3)通过理论模拟,探索了射频压缩keV高亮度电子源超快电子衍射技术的时间分辨极限,首次综合分析了横向相干长度,脉宽,同步抖动,库伦相互作用等对时间分辨的影响,并创新性的提出了高精度的抖动校正方法。我们提出的基于新的压缩和抖动校正方法的射频压缩超快电子衍射系统理论上可获得sub-10 fs时间分辨能力。(4)通过理论模拟,我们首次提出并证明了利用激光脉冲整形技术产生自压缩超短电子脉冲。结合新型异质结光阴极对电子能带的调制作用以及直接光传输光电效应模型,可以使初始啁啾化飞秒光脉冲通过光电效应产生对应的带有能量啁啾的初始电子脉冲,该电子脉冲在后续传输过程中会产生自压缩,得到sub-10 fs的超短电子脉冲。这一技术可广泛应用于超快电子衍射系统。(5)开展了基于超快电子衍射系统的合金相变材料Ge2Sb2Te5结构动力学研究。研究了飞秒激光诱导Ge2Sb2Te5的结晶,非晶化以及瞬态结构动力学过程,并对实验中观测到的飞秒激光精确控制的Ge2Sb2Te5结晶动力学,非晶化过程中出现的晶体纹理结构和异于Debye-Waller效应的瞬态动力学过程做了细致的分析。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O572.322

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本文编号：1291525