兆电子伏超快电子衍射的优化研究和应用探索

发布时间：2017-03-22 21:14

  本文关键词：兆电子伏超快电子衍射的优化研究和应用探索，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超快电子衍射(UED)是用于观测物质和材料超快结构变化过程的探针工具,在物理、化学、材料等学科前沿研究中发挥了重要的作用。Me V UED利用微波电子枪获得超短电子束团并从衍射样斑中获得样品结构演化的信息。相比于传统的静电高压加速的ke V UED,Me V UED具有电荷量更高、穿透能力更强等优势。本论文围绕Me V UED的系统优化问题进行了研究,设计搭建了Me V UED装置并开展了超快物理过程的应用探索研究。我们对Me V UED系统的优化研究集中在横向的空间分辨能力和纵向的束团压缩两个方面。在空间分辨能力方面,我们利用传输矩阵和基于三维均匀椭球分布的束团模型以研究聚焦场、空间电荷力等因素对束团尺寸演化的影响,并利用粒子跟踪程序对阴极激光进行了优化研究。在束团压缩方面,我们研究了利用加速管对Me V UED束团进行速度压缩的方案,设计了适用于低电荷量、低能量超短束团的基于相干渡越辐射的束长测量方案。在研究过程中发现束团的横向尺寸因素显著降低了相干辐射能量,我们对这一效应进行了定量计算,并在实验中引入了横向聚焦。根据理论计算我们开展了实验研究,测量到小于40飞秒的束长,这一结果和模拟相一致。在理论优化的指导下我们设计并搭建了一套紧凑型Me V UED装置。该装置包括光阴极微波电子枪、微波偏转腔、激光系统、束团控制及测量系统、束线控制程序及数据采集程序等分系统。我们对装置进行了测试,并利用单发电子束获得了高质量的单金晶的衍射斑。利用搭建的Me V UED装置,我们开展了超快物理过程的泵浦 探测实验研究。首先我们用电子阴影方法研究了激光泵浦金属针尖的超快过程,找到了泵浦 探测实验的时间零点。对于单晶金样品,我们开展了泵浦 探测研究,获得了泵浦后25皮秒内样品结构的动态过程并测量了金样品在德拜 沃勒效应中衍射斑衰减的时间常数。最后我们利用偏转腔对泵浦后的衍射斑条纹化,以研究Me V UED装置的连续时间分辨工作模式。实验结果验证了清华紧凑型Me V UED系统在泵浦 探测实验中具备亚皮秒、原子尺度的分辨能力。
【关键词】：兆电子伏超快电子衍射 均匀椭球束团模型 超短束长测量 泵浦 探测实验
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O572.322
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-30
• 1.1 兆电子伏超快电子衍射简介10-18
• 1.1.1 泵浦 探测方法和keV UED10-15
• 1.1.2 MeV UED的原理和发展15-18
• 1.2 近年来的研究热点和装置发展18-27
• 1.2.1 近年来基于MeV UED的实验20-23
• 1.2.2 MeV UED装置设计的发展23-25
• 1.2.3 兆电子伏超快电子成像（MeV UEM)25-27
• 1.3 论文的主要工作内容及创新点27-30
• 1.3.1 论文主要内容27-29
• 1.3.2 论文的创新点29-30
• 第2章 MeV UED束团尺寸演化研究和建模30-47
• 2.1 UED束团参数及模型30-36
• 2.1.1 束团参数对UED系统性能的影响30-33
• 2.1.2 UED的束团模型33-36
• 2.2 束团尺寸演化解析模型研究36-42
• 2.2.1 无空间电荷力的传输矩阵模型36-39
• 2.2.2 均匀椭球分布的束团演化模型39-42
• 2.3 束团横向尺寸的参数优化及讨论42-46
• 2.3.1 束团电荷量对空间分辨能力的影响42-43
• 2.3.2 激光尺寸参数的优化43-46
• 2.4 小结46-47
• 第3章 MeV UED超短束团的实现及束长测量方法研究47-66
• 3.1 UED对超短束长的需求及研究47-48
• 3.2 Pegasus实验室的束团压缩研究48-52
• 3.2.1 Pegasus束线介绍48
• 3.2.2 利用双槽型谐振加速管的速度压缩研究48-52
• 3.3 多频段CTR方法测量超短束长的理论研究52-58
• 3.3.1 超短束长测量的方法介绍52-53
• 3.3.2 CTR方法的原理及束团形状因子计算53-55
• 3.3.3 束团横向尺寸对CTR谱的影响55-56
• 3.3.4 利用多个滤波器进行超短束长测量的方法56-58
• 3.4 多频段CTR方法测量超短束长的实验研究58-64
• 3.4.1 CTR产生及测量装置59-60
• 3.4.2 实验调束过程及数据处理60-62
• 3.4.3 实验结果及分析误差讨论62-64
• 3.5 小结64-66
• 第4章 紧凑型MeV UED系统的研制66-86
• 4.1 紧凑型MeV UED系统的设计分析66-67
• 4.2 分系统的设计研究67-79
• 4.2.1 电子源及射频系统67-69
• 4.2.2 激光系统及光路设计69-71
• 4.2.3 束流控制和测量装置71-73
• 4.2.4 样品操作装置73-75
• 4.2.5 基于LabVIEW的集成控制程序75-77
• 4.2.6 基于LabVIEW的数据自动采集程序77-79
• 4.3 系统测试及实验结果79-85
• 4.3.1 束团能量测量实验79-80
• 4.3.2 束团长度测量实验80-82
• 4.3.3 静态电子衍射样斑实验82-83
• 4.3.4 微波系统稳定性实验83-84
• 4.3.5 激光纵向同步粗调实验84-85
• 4.4 小结85-86
• 第5章 泵浦 探测实验研究86-105
• 5.1 超快电子阴影实验86-90
• 5.1.1 超快电子阴影原理86-87
• 5.1.2 清华MeV UED上的超快电子阴影实验87-90
• 5.2 单金晶的泵浦 探测实验研究90-99
• 5.2.1 德拜 沃勒效应90-91
• 5.2.2 单晶金衍射模拟研究91-94
• 5.2.3 泵浦 探测实验研究94-96
• 5.2.4 实验数据的采集和分析96-99
• 5.3 单晶金的连续时间分辨模式研究99-103
• 5.3.1 实验过程及数据统计99-100
• 5.3.2 实验数据分析及讨论100-103
• 5.4 小结103-105
• 第6章 结论105-107
• 参考文献107-116
• 致谢116-118
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果118

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