阅读说明：本技术 一种低能电子衍射仪 (Low-energy electron diffractometer ) 是由 乔山 于 2018-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种低能电子衍射仪,包括：电子发生装置、带电粒子光学系统、样品及二维图像型电子探测器。电子发生装置用于生成电子;带电粒子光学系统包括磁场及非轴对称电透镜群,磁场用于分离入射及出射带电粒子的运动轨道,并实现带电粒子运动方向的偏转；非轴对称电透镜群用于补偿磁场光学特性在垂直及平行磁场方向的非对称性,减小像差,并使带电粒子束在像平面上在沿垂直磁场方向和平行磁场的两个方向上同时成像。本发明的低能电子衍射仪可以实现入射和出射带电粒子轨道的分离,从而避免各个部件的几何配置困难,实现无电子枪阴影的低能电子衍射测量并使时间分辨低能电子衍射测量更为便利。(The invention provides a low-energy electron diffractometer, comprising: an electron generating device, a charged particle optical system, a sample, and a two-dimensional image type electron detector. The charged particle optical system comprises a magnetic field and a non-axisymmetric electric lens group, wherein the magnetic field is used for separating the movement tracks of incident and emergent charged particles and realizing the deflection of the movement direction of the charged particles; the non-axisymmetric electric lens group is used for compensating the asymmetry of the magnetic field optical characteristics in the vertical and parallel magnetic field directions, reducing aberration and enabling the charged particle beams to be imaged on an image plane in two directions along the vertical magnetic field direction and the parallel magnetic field simultaneously. The low-energy electron diffractometer can realize the separation of the incident charged particle orbit and the emergent charged particle orbit, thereby avoiding the difficulty of the geometric configuration of each part, realizing the low-energy electron diffraction measurement without the shadow of an electron gun and enabling the time-resolved low-energy electron diffraction measurement to be more convenient.)

一种低能电子衍射仪

技术领域

本发明涉及带电粒子光学及低能电子衍射领域，特别是涉及一种低能电子衍射仪。

背景技术

电透镜系统已经获得了广泛的应用，从第一代电视机中的显像管到电子能量分析器等科学仪器中都可以发现其身影。磁场及磁透镜系统在高能电子及离子束的成像中起了重要作用。磁场对运动带电粒子的时间反演反对称性已经被应用在对入射和出射粒子轨道的分离。磁场对带电粒子在垂直和平行于磁场方向具有不同的光学特性。在垂直磁场方向，由于罗伦磁力的作用，从同一点出射的带电粒子会在弯转180度后重新汇聚；而在平行磁场方向，带电粒子不受力，维持直线运动。为了消除这种非对称性，目前的常用方法是构筑补偿磁场，通过补偿磁场的调节消除这种非对称性。本发明所构筑的带电粒子光学系统采用非轴对称电透镜的非对称性补偿磁场光学特性的非对称性，同时电多极透镜还可以提供偏转器功能，使得带电粒子光学系统的结构更简单，调节更便利。低能电子衍射(相干背散射)可以测量物质表面的原子结构信息。目前的低能电子衍射仪均采用将图像型探测器放置于样品前方直接观测背散射电子的方式进行测量，由于电子枪与探测器均位于样品前方，不可避免地在衍射图像中会有电子枪的阴影，从而丧失小衍射角衍射斑点的信息。为了减小此阴影对测量的影响，需要采用较小尺寸的电子枪和比较大的探测器。

此外，时间分辨低能电子衍射是通过使用脉冲激光照射处于临界状态的场发射电子枪针尖，利用光电效应产生脉冲电子来实现的。但目前的低能电子衍射仪的电子枪与探测器均处于样品正面，激光光束仅能从针尖侧面入射，不利于高质量脉冲电子的产生；同时，虽然场发射电子枪具有结构简单、单色性好及易产生电子脉冲的优点，由于大尺寸的高灵敏二维探测器(如多通道板)价格昂贵，场发射电子枪发射电流又较小，不易在常规的低能电子衍射仪中得到应用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低能电子衍射仪，用于解决现有技术中的低能电子衍射仪存在的上述各问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低能电子衍射仪，所述低能电子衍射仪至少包括：电子发生装置、带电粒子光学系统、样品及二维图像型电子探测器；其中，

所述电子发生装置用于生成电子；

所述带电粒子光学系统用于将由所述电子发生装置生成的电子偏转第一预定角度后成聚焦平行束入射至所述样品表面，并使从所述样品表面衍射的电子束偏转第二预定角度后在所述二维图像型电子探测器上成像；所述带电粒子光学系统包括磁场及非轴对称电透镜群，所述磁场用于分离所述入射及出射带电粒子运动轨道，并实现所述带电粒子运动方向的偏转；所述非轴对称电透镜群用于补偿磁场电子光学特性在垂直及平行磁场方向的非对称性，减小像差，并使带电粒子束在像平面上在沿垂直磁场方向和平行磁场的两个方向上同时成像。

优选地，所述第一设定角度为大于0°且小于360°，所述第二设定角度为大于0°且小于360°。

优选地，所述第一设定角度为5°、10°、15°、20°、25°、30°、45°、60°、90°、120°、135°或180°中任意一个角度；所述第二预定角度为5°、10°、15°、20°、25°、30°、45°、60°、90°、120°、135°或180°中任意一个角度。

优选地，所述非轴对称电透镜群包括多个电透镜组，其中至少一个电透镜组为非轴对称电透镜组。

优选地，所述非轴对称电透镜组至少包括一个非轴对称电透镜。

优选地，所述非轴对称电透镜为圆柱形电透镜一分为多而构筑的电多极透镜。

优选地，所述非轴对称电透镜为电四极透镜、电六极透镜或电八极透镜。

优选地，通过调整所述电多极透镜的电极电压，实现带电粒子束的偏转。

优选地，所述二维图像型电子探测器包括微通道板、荧光板及相机。

优选地，所述二维图像型电子探测器包括微通道板及延迟线探测器。

优选地，所述电子产生装置包括场发射电子枪。

优选地，所述电子产生装置包括：激光器及场发射电子枪，其中，处于临界状态的所述场发射电子枪在所述激光器的照射下通过光电效应产生电子。

优选地，所述磁场包括等边三角形磁场，所述激光器位于所述磁场顶角外侧，所述电子枪位于所述等边三角形磁场底边外侧，且所述激光器及所述电子枪均位于所述等边三角形磁场中线的延长线上；所述样品位于所述等边三角形磁场一侧边的外侧，所述二维图像型电子探测器位于所述等边三角形磁场另一侧边的外侧。

如上所述，本发明的低能电子衍射仪，具有以下有益效果：

本发明的低能电子衍射仪中通过引进磁场以实现入射电子轨道和出射电子轨道的分离，从而避免各个部件的几何配置困难，并可以使各部件采用灵活的尺寸从而获得较小的像差及一定的功能；通过非轴对称电透镜群的引入补偿磁场在垂直及平行磁场方向光学特性的非对称性，从而实现在此两个方向的同时成像；非轴对称电透镜同时实现带电粒子的偏转从而使光学系统的调试更为简单；入射带电粒子与出射带电粒子运动轨道的分离可以实现无电子枪阴影的低能电子衍射测量；相比于目前的低能电子衍射仪，本发明由于可以采用更小的探测器从而可以方便地采用微通道板探测器实现电子倍增从而可以采用结构更简单、单色性更好的场发射电子枪。将光电效应和场发射电子枪相结合可以方便地构筑短脉冲电子枪从而实现时间分辨的低能电子衍射测量。由于本发明构筑的场发射电子枪与样品法线不共轴，可以从场发射电子枪针尖的正前方引入激光，可以产生性能更佳的脉冲电子束。

附图说明

图1显示为本发明的低能电子衍射仪的结构示意图。

图2显示为本发明的四极透镜的工作原理示意图。

元件标号说明

2 电子枪

31、32、33 第一～第三电透镜组

4 样品

5 二维图像型电子探测器

6 磁场

7 激光器

e1、e2、e3、e4 第一～第四极板

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

具体实施方式请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中显示的组件并非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例均可以变化，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种低能电子衍射仪，所述低能电子衍射仪至少包括：电子发生装置、带电粒子光学系统、样品4及二维图像型电子探测器5；其中，所述电子发生装置用于生成电子；所述带电粒子光学系统用于将使所述电子发生装置生成的电子偏转第一预定角度后成聚焦平行束入射至所述样品4表面，并使从所述样品4表面衍射的电子偏转第二预定角度后在所述二维图像型电子探测器5上成像；所述带电粒子光学系统包括磁场6及非轴对称电透镜群，所述磁场用于分离所述入射及衍射电子的运动轨道，并实现所述电子运动方向的偏转；所述非轴对称电透镜群用于补偿磁场电子光学特性在垂直及平行磁场方向的非对称性，减小像差，并使带电粒子束在像平面上在沿垂直磁场方向和平行磁场的两个方向上同时成像。

在一种实施例中，如图1所示，所述电子产生装置包括：激光器7及电子枪2，其中，所述电子枪2在所述激光器7的照射下通过光电效应生成所述电子，具体的，所述电子枪可以为但不仅限于场发射电子枪，所述激光器7照射处于临界状态的场发射电子枪针尖表面，所述场发射电子枪在所述激光器的照射下通过光电效应生成脉冲电子束，从而实现时间分辨的低能电子衍射测量；所述磁场6可以为如图1所示的等边三角形磁场，当然，在其他实施例中，所述磁场6也可以为六边形磁场、五边形磁场或矩形磁场。优选地，在本实施例中，所述磁场6为等边三角形磁场；所述激光器7位于所述等边三角形磁场顶角外侧，所述电子枪2位于所述等边三角形磁场底边外侧，且所述激光器7及所述电子枪2均位于所述等边三角形磁场中线的延长线上；所述样品4位于所述等边三角形磁场一侧边的外侧，所述二维图像型电子探测器5位于所述等边三角形磁场另一侧边的外侧。将所述磁场6选择为三角形磁场，可以使得所述电子发生装置生成的电子在磁场6中偏转的第一预定角度及从所述样品4表面衍射的电子在所述磁场6中偏转的第二预定角度均为120度，这样就可以使得所述低能电子衍射仪中的各个部件之间更加紧凑，从而缩小整个所述低能电子衍射仪的尺寸；同时，通过将所述激光器7及所述电子枪2均设置于所述等边三角形的中线的延长线上可比较简单地实现所述激光器7与所述电子枪2场发射针尖的对准；此外，所述激光器7位于所述电子枪2的正前方，更利于高质量脉冲电子的产生；所述样品4与所述二维图像型电子探测器5分别位于所述磁场6的不同侧，可以实现无电子枪阴影的低能电子衍射观测。作为示例，如图1所示，所述非轴对称电透镜群包括三个电透镜组，分别为第一电透镜组31、第二电透镜组32及第三电透镜组33，在实际应用中可根据需要设定透镜组的数量，不以本实施例为限。在本实施例，为了适于所述低能电子衍射仪安装空间的要求，所述第一电透镜组31位于所述电子枪2与所述磁场6之间，所述第二电透镜组32位于所述样品4与所述磁场6之间，所述第三电透镜组33位于所述二维图像型电子探测器5与所述磁场6之间；所述第一电透镜组31、所述磁场6与所述第二电透镜组32组成的带电粒子光学子系统实现所述电子枪2到所述样品4的点到平行成像；同样，所述第二透镜组32、所述磁场6与所述第三透镜33组成的粒子光学子系统实现样品4到所述二维图像型电子探测器5的平行到点成像。

在另外的实施例中，所述电子发生装置还可以仅包括场发射电子枪。

更具体地，所述磁场6用于分离入射至所述样品4的电子和从所述样品4表面衍射的电子的运动轨道并实现电子运动方向的偏转，从而增加所述电子枪2、所述样品4及所述二维图像型电子探测器5的几何配置自由度。所述电子枪2发出的电子进入所述磁场6后，在所述磁场6的作用下运动方向发生所述第一设定角度的偏转，所述第一设定角度为大于0°且小于360°，所述第一设定角度优选为5°、10°、15°、20°、25°、30°、45°、60°、90°、120°、135°或180°中任意一个角度。经所述样品4表面衍射的的电子在进入所述磁场6后，在所述磁场6的作用下运动方向发生所述第二设定角度的偏转，所述第二设定角度为大于0°且小于360°，所述第二设定角度优选为5°、10°、15°、20°、25°、30°、45°、60°、90°、120°、135°或180°中任意一个角度。在实际使用中，可根据几何配置要求设置所述第一设定角度及所述第二设定角度，所述第一设定角度与所述第二设定角度可以相同，也可以不同；当所述第二设定角度与所述第一设定角度不同时，需要采用特殊的磁场几何结构实现不同的偏转角度，在此不一一赘述。

所述磁场6在垂直磁场方向和平行磁场方向具有不同的电子光学特性。在垂直磁场方向，由于罗伦茨力提供的向心力，带电粒子做圆周运动，在偏转180°后，带电粒子在磁场出口处再一次聚焦；而在平行磁场方向，带电粒子不受力，维持发散。因此，所述磁场6在垂直磁场方向和平行磁场方向具有不同的电子光学特性，若与轴对称透镜群相配合，则会导致带电粒子光学系统在垂直磁场方向和平行磁场方向具有不同的焦距，从而不可能在这两个方向同时成像，最终呈现在所述二维图像型电子探测器5上的像差比较大。本发明通过所述非轴对称电透镜群的引入，补偿所述磁场6在垂直磁场方向和平行磁场方向上电子光学特性的不对称性，并使带电粒子束在像平面上在沿垂直磁场方向和平行磁场的两个方向上同时成像，减小像差。

更具体地，所述非轴对称电透镜群包括多个电透镜组，其中至少一个电透镜组为非轴对称电透镜组。各透镜组由若干个透镜构成，非轴对称电透镜组中至少包括一个非轴对称电透镜。透镜组的数量以及各透镜组中透镜的数量可根据实际需要设定。在本实施例中，所述第一电透镜组31和所述第三电透镜组33均为非轴对称电透镜组，用于补偿所述磁场6在垂直磁场方向及平行磁场方向上电子光学特性的不对称性。本发明优选非轴对称电透镜补偿磁场电子光学特性在垂直及平行磁场方向的非对称性，该非轴对称电透镜可以是由圆柱形透镜一分为多而构筑的电多极透镜，包括但不限于电四极透镜、电六极透镜及电八极透镜，可以通过调整多极透镜的各个极板的电压调整非轴对称电子光学特性。在本发明的一种实施方式中采用电四极透镜，其最简单的结构是如图2所示将圆柱型透镜一分为四，分别作为第一极板e1、第二极板e2、第三极板e3及第四极板e4。若所述第一极板e1及所述第二极板e2处于电位U12，所述第三极板e3及所述第四极板e4处于电位U34，则通过调整电位U12与电位U34的电位差可以调整电四极透镜在x方向及y方向的焦距差，从而补偿所述磁场6在x及y方向的焦距差。此外，由于机械加工与安装误差，在实际的带电粒子光学系统中需要加装偏转器以补偿上述误差。本发明中的多极电透镜在实现非轴对称电子光学特性的同时，也可以通过调整各极板的电位同时实现偏转器功能。具体地，调整所述第一极板e1与所述第二极板e2间的电压可以实现带电粒子束在y方向的偏转；同样调整所述第三极板e3与所述第四极板e4间的电压可以实现带电粒子束在x方向的偏转。

具体地，所述二维图像型电子探测器5可以是任意一种能记录电子强度分布的器件。作为本发明的一种实施方式，所述二维图像型电子探测器5由微通道板(Micro-channelPlate，MCP)、荧光板及高感度相机构成。作为本发明的另一种实施方式，所述二维图像型电子探测器5由微通道板及延迟线探测器((Delay Line Detector，DLD)构成。

需要说明的是，本领域技术人员应该理解，上述所述仅仅只是例示，而非对本发明的限制，事实上，任何利用非轴对称电透镜群与磁场相结合，使入射带电粒子束弯转一定角度后以最优入射角入射至散射靶并成像在相对于散射靶的特定平面处、同时能使从散射靶散射出的出射带电粒子束弯转一定角度后以最优出射角到达并在二维图像型电子探测器上成像的设计均包含在本发明的范围内。

如图1所示，以本发明的一种实施方式来详述本发明的低能电子衍射仪的工作过程：

如图1所示，首先，从所述电子枪2处出发的入射电子束经过所述非轴对称第一电透镜组31后进入所述磁场6，并在所述磁场6的作用下向上弯转第一预定角度后经过所述第二电透镜组32以聚焦平行束垂直入射至所述样品4；随后，经所述样品4表面衍射的具有不同衍射角的电子束经过所述第二电透镜组32后再次进入所述磁场6，并在所述磁场6作用下向上弯转第二预定角度后经过所述非轴对称第三电透镜组33垂直到达并二维聚焦于所述二维图像型电子探测器5的入口平面上不同的位置，所述二维图像型电子探测器5所包含的高感度相机记录荧光板上的二维电子强度图像。

综上所述，本发明提供一种低能电子衍射仪，所述低能电子衍射仪至少包括：电子发生装置、带电粒子光学系统、样品及二维图像型电子探测器；其中，所述电子发生装置用于生成电子；所述带电粒子光学系统，用于将所述电子发生装置生成的电子偏转第一预定角度后以聚焦平行束入射至所述样品表面，并使从所述样品表面衍射的电子偏转第二预定角度后在所述二维图像型电子探测器上成像；所述带电粒子光学系统包括磁场及非轴对称电透镜群，所述磁场用于分离所述入射及出射电子的运动轨道，并实现所述电子运动方向的偏转；所述非轴对称电透镜群用于补偿磁场电子光学特性在垂直及平行磁场方向的非对称性，减小像差，并使电子束在像平面上在沿垂直磁场方向和平行磁场的两个方向上同时成像。本发明通过引进磁场以实现入射和出射电子轨道的分离，从而避免各个部件的几何配置困难，并可以使各部件采用较灵活的尺寸从而获得较小的像差及一定的功能；通过非轴对称电透镜群的引入补偿磁场在垂直及平行磁场方向光学特性的非对称性，从而实现在此两个方向的同时成像；非轴对称电透镜可以同时实现带电粒子的偏转从而使光学系统的调试更为简单；入射电子与出射电子运动轨道的分离可以实现无电子枪阴影的低能电子衍射测量；场发射电子枪的引入及电子枪与样品法线不共轴使得更容易实现时间分辨的低能电子衍射测量。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。