电子脉冲在飞秒电子衍射系统中的传输特性

优化设计了一套超快电子衍射系统.用轨迹追踪法讨论了光电子在阴极上有150 fs的时间弥散量，及其静态、动态特性(电子束斑、时间弥散、方位角、倾角)在超快电子衍射系统中的传输情况.用Monte Carlo方法对光电子的初始状态进行抽样、用有限差分法计算二维、三维空间电场分布，用有限元法计算磁场分布.     

飞秒电子衍射系统的设计

研发的超快电子衍射系统由超快电子枪、样品室、超快读出系统、电源系统,以及真空系统等组成,该超快电子衍射系统具有较高的时间分辩能力和较强的探测能力.光电阴极是蒸镀于MgFB2窗上的35 nm的银膜,该阴极对266 nm的紫外光比较敏感,有较高的量子效率,又具有很好的化学稳定性.用短磁聚焦系统来实现对光电子的聚焦,有两对偏转板,其中的一对在测量时间脉宽时用作扫描板.用双MCP探测器来增强电子图像的强度,其增益在104以上,具有单电子探测能力.系统的总时间脉宽设计为358 fs.     

飞秒条纹变相管的设计

设计了一种飞秒条纹变相管.采用静电聚焦,用Monte Carlo方法对光电子的初能量、初角度以及初位置进行抽样；用有限差分法计算阴极和栅极之间以及偏转板之间的电场分布；用四阶Lunge-Kutta法模拟跟踪大量（3000个）光电子的运行轨迹；统计分析了3000个电子在最佳像面上的时间分布、位置分布；给出了变相管的空间调制传递函数、时间分辨能力等基本参量.其时间分辨能力可望达到290.4 fs.     

时间展宽X射线分幅相机空间分辨特性

利用Monte Carlo方法、有限元法和有限差分法建立了时间展宽X射线分幅相机的理论模型,对相机静态空间分辨特性进行了理论研究。当光电阴极的电压为-3kV,采用三个磁透镜,成像倍率为2:1时,相机的静态空间分辨率优于110μm.研究了空间分辨率与发射位置、阴极电压、磁聚焦透镜数量的关系.模拟结果表明,发射位置离中心越近,阴极电压越高,磁聚焦透镜个数越多,空间分辨率越好.此外,平面的光电阴极经磁聚焦透镜成像后,像面不是一个平面而是一个曲面.     

投影电子束光刻中电子穿透掩膜的Monte Carlo模拟

利用基于Mott散射截面和介电函数模型的Monte Carlo方法模拟了电子穿透掩膜的能量损失分布，其计算结果与实验结果符合很好. 由此进一步计算了角度限制投影电子束光刻(SCALPEL)掩膜的穿透率和衬度，结果表明：散射体的厚度对衬度的影响较大，衬度随散射体厚度的增加而增强，而支撑体对衬度的影响较小；增大限制孔的孔径角时，透射率相应增大，但衬度会降低；衬度随入射电子的能量增加而减小. 关键词： Monte Carlo模拟 电子束光刻 掩膜     

微空心阴极放电的Monte Carlo模拟研究

基于MATLAB与VC++混合语言，采用Monte Carlo模拟对高气压下亚毫米级微空心阴极放电（MHCD）中电子的运动过程进行了研究，计算出不同气压下的稳态时场向电子密度分布，电子能量分布以及对各种碰撞的统计等.分析表明：高气压下微空心阴极放电更能反映空心阴极效应——“来回振荡”的本质.通过模拟得到，电子在阴极间来回振荡的过程中，仍以前向散射为主.随着气压的升高，侧向散射效应逐渐体现出来. 关键词： 微空心阴极 Monte Carlo 负辉区 碰撞截面     

微束斑X射线源聚焦系统的数值研究

本文研究了由两个磁透镜组成的电子束打靶微束斑X射线源的聚焦系统.首先利用有限元法计算了磁透镜的磁感应强度的轴上分布,在此基础上用三次样条函数插值计算了磁场的空间分布,最后用四阶Runge-Kutta法追踪了电子的运动轨迹,并给出了入射电子束经过聚焦系统后的缩小倍率.     

超紧凑型飞秒电子衍射仪的设计

由于空间电荷效应的限制,产生百飞秒的极短电子脉冲是超快电子衍射技术的一大难点.同时,电子的穿透深度随着电子能量的增加而增加,而电子的散射几率却具有相反的规律.因而,除了时间分辨的提升,还需要可宽范围调节的电子能量以优化不同厚度样品对其的需求.基于此,提出并设计了一种新型超紧凑电子枪,结合均匀场阴极和可移动阳极的配置,可在10-125 kV加速电压范围内实现100 fs量级时间分辨率.通过优化设计高压电极轮廓,使得其轴上和整个阴极面的场增强因子在不同阴阳极间距下均小于约4%,从而保证了不同加速电压下最大轴上场强均可达10 MV/m量级,有效地抑制了电子脉冲的展宽效应;进一步将阳极小孔设计成可放置致密电镜载网的阶梯孔,一方面可将载网支撑的样品紧贴小孔后方放置,最大程度上缩短了电子从阴极到样品的时间弥散,同时也可以有效地减弱阳极孔对电子束的散焦效应,提升电子束的横向聚焦性能.     

一种飞秒电子衍射系统的设计与分析

设计了飞秒电子衍射系统,详细分析了影响系统时间分辨率的因素,如阴极的材料及厚度、阴极附近场强、聚焦方式、偏转灵敏度及扫描速度等.设计的电子枪采用35 nm厚的Ag阴极,阴栅之间场强为10 kV/mm,磁线圈聚焦,偏转灵敏度为26.3 mm/kV的平折扫描板,5.5 kV/ns的扫描电压斜率,最终获得了1.45×108 m/s的扫描速度.计算出系统总的时间分辨率为500 fs左右.     

电子束光刻的邻近效应及其模拟

用Monte Carlo方法模拟和分析了电子束光刻中限制其分辨率的主要因素——邻近效应的影响.分析了入射电子束的形状、入射电子的能量、衬底材料和厚度对邻近效应大小的影响，并与实验结果进行了比较，发现模拟结果与实验结果符合得很好.分析表明高斯分布的电子束比理想电子束的邻近效应大；衬底原子序数越大，衬底越厚，入射电子束能量越低，邻近效应越大. 关键词： 电子束光刻 邻近效应 Monte Carlo     

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300 fs,空间分辨能力160 lp/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300 m,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%。     

飞秒激光等离子体中电子热传导现象的数值模拟

采用相对论电磁粒子模拟程序研究了飞秒激光等离子体相互作用中产生的电流密度、电场和自生磁场的发展演化过程。介绍了电子的非局域热输运的基本特性以及激光加热过程中温度烧蚀前沿稠密等离子体子区的预热效应、临界面附近的限流效应,以及冕区的反扩散与限流效应,得到了经典Spitzer-Harm理论描述的电子热传导随自生磁场的演化情形。数值模拟表明:在线性强激光作用下,由于电子初始时刻的无规则热运动,在等离子体上激发电磁不稳定性,而不稳定性激发的强电磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的超热电子能量输运产生抑制作用。     

Electron flux spatial distribution in an ultrashort avalanche electron beam generated at atmospheric air pressure

The results of experimental study on generation of ultrashort avalanche electron beams (UAEB) in gas-filled diodes are considered. The spatial distribution of the flux of runaway electrons and X-rays generated in the gas diode fed by nanosecond high-voltage pulses was studied. It was shown that the UAEB in the gas-filled diode (at an air pressure of 1 atm) with sharply nonuniform electric field is generated from the interelectrode region into a solid angle exceeding 2π sr. Narrowing of the cathode-anode gap results in a decrease in the current amplitude of the beam generated to side walls of the gas diode and an increase in the beam current pulse duration in both axial and radial directions. Current pulses of the beam initiated from the side surface of the tubular cathode were detected.     

Aberrations theory of a time dependent magnetic field lens

We analyze new forms of aberrations affecting a time dependent magnetic field lens recently proposed. The lens consist of an axially symmetric ellipsoidal solenoid producing a spatially uniform but time pulsating homogeneous field. The dynamics of electrons emitted by some object and injected into this coil shows that this system is capable of focusing a parallel beam or produce images free of geometrical aberrations. The cardinal elements of this lens change periodically in positions and therefore to obtain a stationary image it is necessary to employ a chopped electron beam. Two forms of aberrations originate from the finite duration of the electron pulse and the energy dispersion of the incoming beam (chromatic aberration). Their image degradation effects are quite similar and result from recording different axially displaced images at some fixed stationary plane. We show how, by adjusting the parameters characterizing the magnetic pulse and introducing small apertures that increase the depth of focus, their effects can be reduced or in some cases eliminated. Other forms of instrumental aberrations characteristic of this time dependent magnetic field lens are briefly discussed.     

Aberrations theory of a time dependent magnetic field lens

We analyze new forms of aberrations affecting a time dependent magnetic field lens recently proposed. The lens consist of an axially symmetric ellipsoidal solenoid producing a spatially uniform but time pulsating homogeneous field. The dynamics of electrons emitted by some object and injected into this coil shows that this system is capable of focusing a parallel beam or produce images free of geometrical aberrations. The cardinal elements of this lens change periodically in positions and therefore to obtain a stationary image it is necessary to employ a chopped electron beam. Two forms of aberrations originate from the finite duration of the electron pulse and the energy dispersion of the incoming beam (chromatic aberration). Their image degradation effects are quite similar and result from recording different axially displaced images at some fixed stationary plane. We show how, by adjusting the parameters characterizing the magnetic pulse and introducing small apertures that increase the depth of focus, their effects can be reduced or in some cases eliminated. Other forms of instrumental aberrations characteristic of this time dependent magnetic field lens are briefly discussed.     

电磁复合聚焦—偏转球面阴极透镜的相对论象差理论

本文应用变分原理研究了电磁复合聚焦-偏转球面阴极透镜的相对论象差理论。在考虑阴极面逸出电子具有一定的初能量和初角度分布,物场和象场弯曲以及阴极面上磁场和横向电场不为零的情况下,导出了任意理想象面上的一级近轴横向象差和包括色球差在内的全部三级几何横向象差,以及各种特殊类型象差系数的明显表达式。本文导出的象差公式不仅普遍适用于宽束和细束阴极透镜,而且普遍适用于相对论或非相对论,阴极和屏为球面或平面时的各种情况。本文以复数描写轨迹,用矩阵表示象差,形式简洁,适合于计算机计算。 关键词：     

行波偏转器前置短磁聚焦条纹变像管理论设计与实验研究

条纹变像管因其超高时间分辨特性而成为实现皮秒至飞秒量级时间分辨的重要测量仪器.本文设计了一种同时兼顾高时空分辨的行波偏转器前置短磁聚焦条纹变像管.该管型通过减小电子渡越时间以抑制空间电荷效应、采用偏转器前置以及行波偏转方式提高偏转灵敏度,实现整管时空分辨率的大幅提升.利用CST微波工作室有限元法数值计算条纹变像管行波偏转器的通频带宽、偏转灵敏度,结果表明:本设计中的行波偏转器因其较高的通频带宽特性实现了偏转器上的电磁波相速度在很宽频率范围内与电子轴向群速度匹配,产生更有效偏转.利用CST粒子工作室模拟追踪光电子的运行轨迹,通过最佳像面上的时间调制传递函数和空间调制传递函数,计算得到其理论时间分辨率可达220 fs,空间分辨率高于100 lp/mm.同时根据像差定义给出追踪实际电子轨迹的像差计算方法,实现对变像管成像质量评价.最后利用紫外灯对其进行静态测试,获得静态空间分辨率优于35 lp/mm的结果.