用于超快扫描电子显微镜的光发射电子枪及电子光学模拟

超快扫描电子显微镜将泵浦探测技术与显微成像相结合,能够实现高时空分辨率下光诱导表面电荷动力学的可视化研究,对于半导体表面态以及光电器件的高分辨检测具有非常重要的意义.本文基于首台全国产化超快扫描电子显微镜的研制工作,阐述了将热发射电子枪改造成光发射电子枪后的参数化设计,定量分析了偏压,阴极、韦氏极、阳极的空间位置与交叉点位置、大小、发散角的依赖关系.分析结果显示,当韦氏极与阳极位置从8 mm调整到23 mm后,通过将灯丝深度从0.65 mm调整至0.45 mm,配合偏压调节可以实现热发射高分辨成像、低工作电压以及光发射的正常使用.此外,也分析了反射镜分布对电子光路的影响,发现当阳极高出反射镜1.4 mm后,图像畸变几乎消失.还研究了偏置电压对脉冲光电子在时域上的影响,结果表明随着偏压的增大,光发射的时间零点会推后且时间展宽变大.这些工作将为后续超快电子显微镜的发展及光发射电子源的设计奠定基础.

超快电子衍射仪理论及实验研究

研制一套同时具有时间分辨及空间分辨能力的超快电子衍射(UED)系统,理论时间分辨能力达到300fs,空间分辨能力160lp/mm,并对该系统进行了静态性能分析。实验表明,优化后系统电子束直径约为300μm,电子打靶角度约为0.09°,同时对x和y偏转板的灵敏度、电子束斑尺寸及位置稳定性进行定量分析,利用该系统进行多晶铝膜电子衍射实验,分析衍射图样表明系统最小可以分辨单个晶格间距的0.36%。

100 keV直流光阴极电子枪接入真空电极后的电场仿真

采用三维电场仿真软件对100 keV超快电子衍射装置的直流光阴极电子枪在接入真空电极后的整体电场进行仿真,观察真空电极的工作特性及其对电子枪的影响.仿真结果表明,高压导线与真空电极连接的金属球表面电场约为4 kV/mm,处于易引发电晕放电的范围,放置PVC保护罩可阻挡其发展至空气击穿;真空电极大气压侧的陶瓷表面电场维持一较小值,不会发展出沿陶瓷表面的沿面放电;进入真空腔部分的电极导线表面电场最大值接近17 kV/mm,远超过电子枪阴极和阳极表面,极容易产生真空电子发射而导致真空击穿.在真空电极导线外套5 mm半径表面光滑金属长圆柱可有效降低表面电场,陶瓷材质效果更好,但由于陶瓷存在高电压下的间隙击穿和气孔击穿,陶瓷加工需严格.

超快电子衍射装置的束流能量反馈控制

上海交通大学的超快电子衍射(UED)装置由一台电子直线加速器作为驱动,电子枪为一台光阴极微波电子枪。加速器在运行中电子枪会偶尔打火,腔体失谐,造成束流损失,束流能量产生变化,束流需要很长时间才能恢复到初始状态,影响了用户的使用。为此,对低电平控制器(LLRF)的幅度相位控制环路进行了改进,增加了能量反馈,代替了幅度反馈,通过对束流的中心位置进行实时的反馈以控制低电平控制器输出信号的幅度,保证了电子束流的能量稳定和电子枪加速场强的稳定。长时间的稳定性测试表明,电子枪在打火产生时,束流能量可以很快恢复,能量抖动由4.2933×10^-4(RMS)提高到2.8557×10^-4(RMS),实现了束流能量的长期稳定。