一種分子四維成像系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于飛秒電子衍射的分子四維成像系統，其包括飛秒電子槍系統、超聲分子束系統、樣品室、離子速度成像系統、真空系統和相關校正調節系統。本發明專利技術通過高壓電極加速和磁透鏡聚焦獲得了飛秒電子脈沖，該電子脈沖與超聲分子束作用可獲得直接的、實時的分子衍射圖像。本發明專利技術通過集成離子速度成像技術獲得解離碎片的速度分布和角分布參數等輔助分析信息，可以更好地解析和指認復雜的分子動力學過程的電子衍射圖像。本發明專利技術具有較高的時間分辨能力和空間分辨能力，在離子速度成像技術的輔助下，可以方便地解析出飛秒時間分辨、原子尺度空間分辨的分子四維動態圖像。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種成像系統，尤其涉及一種用于研究分子超快反應過程的基于飛秒電子衍射的分子四維成像裝置。
技術介紹
自然界中的眾多基本物理、化學和生物過程通常在超短時間內完成的。如物質相變通常發生在納秒或者皮秒量級，化學反應中反應中間體的產生和消失是飛秒量級的，蛋白質分子的裁剪是發生在微秒量級的。而這些超快物理、化學和生物動力學過程中包含大量對于認識微觀世界、物質變化規律十分重要的信息。相對于傳統光譜學的方法間接的得到物質的結構變化，超快電子衍射和X射線衍射可以直接的獲得分子反應的動態過程，有利于直觀地的深刻地研究超快動力學過程。 超快時間分辨的電子衍射可以實時提供物理、化學和生物性質方面的直觀信息，其可以完全滿足研究超快反應過程對于皮秒和飛秒尺度時間分辨和原子尺度空間分辨的結構變化過程的需求。超快電子衍射相對于X射線衍射的優勢在于首先，完全復制了入射超快激光時域特性的飛秒量級的電子束可以較容易的通過飛秒激光背入射光陰極產生外光電效應來產生。相較于設備復雜昂貴的X射線衍射，電子束的產生不需要價格昂貴的大型裝置，成本低，且準直和聚焦比較簡單。一方面，電子受到原子核和散布電子的散射(庫侖散射)，而X射線只被散布電子散射(湯姆孫散射)。故電子散射的截面積比X射線散射大約6個數量級，需要較短的曝光時間(I秒相對于X射線的20小時)。另一方面，與X射線相t匕，電子對樣品傷害較小。因此，時間分辨的電子衍射是研究表面性質、氣體和薄膜的結構、分子結構變化等方面重要的，不可或缺的研究手段。在超快電子衍射領域，加州理工大學的Zewail為飛秒化學奠定了基礎并且因此貢獻在1999年獲得了諾貝爾化學獎。2001年，Zewail小組報道了通過對飛秒氣相電子衍射的衍射圖的分析，直觀揭示了氣相分子與飛秒泵浦激光作用的整個過程，并發現了壽命超短(約數皮秒)、以往無法直接判斷而只能猜測的氣相分子反應中間體，展示了飛秒電子衍射在研究超快反應過程中的顯著優勢。另一方面，2003年多倫多大學的Miller小組報道了多晶鋁薄膜的飛秒固體電子衍射，直觀描述了非極性金屬薄膜受到飛秒激光激發而熔解的整個過程，發現其固液轉換發生在3. 5ps，證明了其熔解過程符合雙溫模型。目前超快電子衍射的主要困難在于，從光陰級出射的電子束會受到電子之間存在的強烈庫侖力作用，其引起的空間電荷效應將導致飛秒電子脈沖的展寬，極大降低了電子衍射的時空分辨率。為了克服這一難關國內外的研究團隊提出了數種有效的解決方案加拿大多倫多大學的Miller小組在電子槍陰陽兩極施加30_100KeV高電壓以減少電子脈沖飛行的時間，并且盡可能減小樣品到陽極的距離來減少電子從產生到樣品的時間，以減少空間電荷效應對電子脈寬的影響；美國加州理工的Zewail為了避免電子空間電荷效應用飛秒激光產生每個脈沖只有一個電子的電子束。超快電子衍射另一個困難在于，分子與高強度飛秒激光作用后的解離和多光子吸收過程非常的復雜，因此其相關的飛秒電子衍射的圖像分析和指認難度非常大，而離子速度成像技術可為圖像解析和指認提供豐富的輔助信息以更好的解析分子結構變化。離子成像方法是由David ff. Chandler和Paul L. Houston在1987年發展起來的一種重要實驗方法，但是一直受到平動能分辨較低的困擾。而隨著Parker和Eppink在1997年提出速度成像技術，離子速度成像成為研究光解動力學的主要方法。該技術是在飛行時間質譜的基礎上加上了中間有圓孔的極板組成離子透鏡，可以將產生在不同空間位置但是速度相同的離子投影在同一個點，再通過熒光板，最后由CCD相機采集碎片三維分布在二維投影。該投影通過反Abel變化、傅立葉變換、Sheep-Longan過濾器方法和直接反推法可以將二維投影重構為三維圖像。在21世紀切片成像法成為新的研究光解動力學的重要方法。通過對“赤道截面”的切片成像可以避免對圖像三維的重構，同時也可以避免人工噪聲的引入。由于寬頻譜、高強度飛秒激光脈沖與分子體系非線性相互作用產生若干復雜分子動力學過程，相關的飛秒電子衍射圖像非常復雜，圖像解析和指認難度非常大。
技術實現思路
本專利技術提供一種分子四維成像系統，由集成的離子速度成像技術獲得的解離碎片 的速度分布和角分布參數，可以為圖像解析和指認提供豐富的信息，從而大大提高儀器解析能力。飛秒電子衍射系統獲得直接的、實時的分子結構變化的衍射圖像，同時結合離子速度成像系統獲得用于輔助圖像解析指認的豐富信息，可以較容易的解析出飛秒時間分辨、原子尺度空間分辨的分子四維動態圖像。為達到上述目的，本專利技術采用的技術方案如下 本專利技術提出了一種分子四維成像系統，其包括樣品室，其分別與電子槍、離子速度成像裝置、超聲分子束產生裝置連通； 所述樣品室與分子泵連通，所述分子泵與前極干泵連通； 所述樣品室設置有至少I個入射窗口； 其中所述電子槍、所述離子速度成像裝置、所述超聲分子束產生裝置分別的入射軸相交在所述樣品室的同一點上； 設直在樣品室外的中心波長800nm的飛秒激光束，所述中心波長800nm的飛秒激光束入射到所述電子槍、所述離子速度成像裝置、所述超聲分子束產生裝置分別的入射軸相交的所述樣品室中的所述點上。本專利技術的分子四維成像系統中，所述電子槍、所述離子速度成像裝置、所述中心波長SOOnm的飛秒激光束在同一平面上，所述超聲分子束產生裝置與所述電子槍、離子速度成像裝置、中心波長SOOnm的飛秒激光束三者所在的平面垂直；所述電子槍與所述離子速度成像裝置呈45度角設置，所述中心波長SOOnm的飛秒激光束與所述電子槍呈90度角設置。本專利技術的分子四維成像系統中，所述電子槍包括中心波長266nm的飛秒激光束，設置在所述中心波長266nm的飛秒激光束前的入射窗口 ；與所述入射窗口連通的真空腔體，所述真空腔體連通設置有分子泵，所述分子泵連通有前極干泵；相對所述入射窗口，由近及遠，在所述真空腔體中，依次平行設置有光陰極、柵網、陽極，所述入射窗口、所述真空腔體、所述光陰極、所述柵網、所述陽極同軸設置；真空腔體，其兩端分別與真空腔體和所述真空腔體同軸連通；磁透鏡，其同軸套接在所述真空腔體外，可沿所述真空腔體軸向移動；相對所述真空腔體，由近及遠，在所述真空腔體中，依次平行設置有一對X方向偏轉板、一對Y方向偏轉板、一對電子掃描板，且與所述真空腔體同軸設置，所述真空腔體與所述樣品室連通。本專利技術的分子四維成像系統中，所述離子速度成像裝置，包括飛行腔，與分子泵連通設置，所述分子泵與前極干泵連通設置；設置在飛行腔一端的與之連通的真空腔體，設置在所述真空腔體外側的波紋管及可調節模塊； 在所述真空腔體中，相對飛行腔，由遠及近，依次平行設置第一極板、第二極板、第三極板、第四極板、漂移極極板組，且與所述真空腔體同軸設置，所述真空腔體與所述樣品室連通， 所述波紋管通過所述可調節模塊調節位置以控制所述第一極板、所述第二極板、所述第三極板、所述第四極板、所述漂移極極板組的相對位置。本專利技術的分子四維成像系統中，所述超聲分子束產生裝置，包括樣品氣源，通過 第一減壓閥與載氣管連通；惰性氣體載氣源，通過第二減壓閥與所述載氣管連通，所述載氣管插入真空腔體中，與脈沖閥連通；漏勺相對所述脈沖閥平行設置，設置在所述真本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種分子四維成像系統，其特征在于，包括：樣品室（21），其分別與電子槍（44）、離子速度成像裝置（45）、超聲分子束產生裝置（46）連通；所述樣品室（21）與分子泵（19）連通，所述分子泵（19）與前極干泵（20）連通；所述樣品室（21）設置有至少1個入射窗口；其中所述電子槍（44）、所述離子速度成像裝置（45）、所述超聲分子束產生裝置（46）分別的入射軸相交在所述樣品室（21）的同一點（47）上；設置在樣品室（21）外的中心波長800nm的飛秒激光束（18），所述中心波長800nm的飛秒激光束（18）入射到所述電子槍（44）、所述離子速度成像裝置（45）、所述超聲分子束產生裝置（46）分別的入射軸相交的所述樣品室（21）中的所述點（47）上。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：江熠峰，曹琦，李靜，楊巖，仝艷麗，裴敏潔，周彬，陳瑜婷，鄧莉，張詩按，孫真榮，
申請(專利權)人：華東師范大學，
類型：發明
國別省市：