本文關(guān)鍵詞：射頻壓縮超快電子衍射系統(tǒng)中超短電子脈沖產(chǎn)生和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究

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【摘要】：結(jié)合超短電子脈沖和超快激光技術(shù)的超快電子衍射技術(shù)可以直觀的探測(cè)時(shí)間分辨的原子級(jí)動(dòng)力學(xué),最近得到了迅速的發(fā)展。超快電子衍射系統(tǒng)中,飛秒激光泵浦激發(fā)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué),keV-MeV能量的超短電子脈沖探測(cè)衍射信息,該系統(tǒng)具有亞皮米和百飛秒的時(shí)空分辨能力,被廣泛的應(yīng)用于物理,化學(xué)和生物領(lǐng)域的研究中。庫(kù)倫相互作用主導(dǎo)的keV超快電子衍射系統(tǒng)可以替代實(shí)現(xiàn)X-FEL技術(shù)的功能,成本更低,儀器更小巧,但是,由于電子脈沖中電子間的庫(kù)倫相互作用以及激光和射頻信號(hào)之間的同步抖動(dòng),文獻(xiàn)報(bào)道的系統(tǒng)時(shí)間分辨能力大于200 fs,時(shí)間分辨能力還有很大的提升空間。本文中我們自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于射頻壓縮的keV高亮度電子源超快電子衍射系統(tǒng),并主要研究了我們系統(tǒng)以及該技術(shù)的時(shí)間分辨能力,開(kāi)展了合金相變材料結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。主要內(nèi)容分為以下幾部分:(1)完成了基于直流加速射頻壓縮高亮度電子源的超快電子衍射系統(tǒng)的性能測(cè)試和部分系統(tǒng)優(yōu)化。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單脈沖電子個(gè)數(shù)105下,2.3psFWHM的時(shí)間分辨能力,其中壓縮后電子脈寬300-400 fs FWHM,激光-射頻同步抖動(dòng)1.2 ps FWHM。設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的二代直流高壓電子槍結(jié)構(gòu),有效避免了局部場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)導(dǎo)致的電極場(chǎng)致電離擊穿和絕緣子表面閃絡(luò)擊穿,通過(guò)高壓老練,電子槍可以穩(wěn)定工作在70-80 kV,場(chǎng)強(qiáng)7-8 kV/mm。通過(guò)粒子束模擬軟件GPT和電磁場(chǎng)模擬軟件POISSON SUPERFISH對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了精確的模擬,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)結(jié)果理論模擬解析和整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)。(2)首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并提出了庫(kù)倫相互作用誘導(dǎo)的抖動(dòng)放大效應(yīng),指出多電子脈沖中庫(kù)倫相互作用導(dǎo)致樣品處電子脈沖到達(dá)時(shí)間抖動(dòng)顯著大于激光-射頻間的相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)(即同步抖動(dòng))。對(duì)此效應(yīng)我們給出了明確的物理機(jī)制分析和優(yōu)化解決方法,對(duì)其不可完全抑制性和廣泛存在性給出了清晰的物理圖景。(3)通過(guò)理論模擬,探索了射頻壓縮keV高亮度電子源超快電子衍射技術(shù)的時(shí)間分辨極限,首次綜合分析了橫向相干長(zhǎng)度,脈寬,同步抖動(dòng),庫(kù)倫相互作用等對(duì)時(shí)間分辨的影響,并創(chuàng)新性的提出了高精度的抖動(dòng)校正方法。我們提出的基于新的壓縮和抖動(dòng)校正方法的射頻壓縮超快電子衍射系統(tǒng)理論上可獲得sub-10 fs時(shí)間分辨能力。(4)通過(guò)理論模擬,我們首次提出并證明了利用激光脈沖整形技術(shù)產(chǎn)生自壓縮超短電子脈沖。結(jié)合新型異質(zhì)結(jié)光陰極對(duì)電子能帶的調(diào)制作用以及直接光傳輸光電效應(yīng)模型,可以使初始啁啾化飛秒光脈沖通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的帶有能量啁啾的初始電子脈沖,該電子脈沖在后續(xù)傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生自壓縮,得到sub-10 fs的超短電子脈沖。這一技術(shù)可廣泛應(yīng)用于超快電子衍射系統(tǒng)。(5)開(kāi)展了基于超快電子衍射系統(tǒng)的合金相變材料Ge2Sb2Te5結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。研究了飛秒激光誘導(dǎo)Ge2Sb2Te5的結(jié)晶,非晶化以及瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,并對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的飛秒激光精確控制的Ge2Sb2Te5結(jié)晶動(dòng)力學(xué),非晶化過(guò)程中出現(xiàn)的晶體紋理結(jié)構(gòu)和異于Debye-Waller效應(yīng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程做了細(xì)致的分析。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O572.322

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