用于更亮更清晰衍射图像的新镜头系统王袁
发布时间:2022-08-04 17:05:58
用于更亮,更清晰衍射图像的新镜头系统
为了设计和改进储能材料,智能设备和更多技术,研究人员需要了解其隐藏的结构和化学。先进的研究技术,如超快电子衍射成像可以揭示这些信息。现在,来自美国能源部布鲁克海文国家实验室的一组研究人员在布鲁克海文加速器测试设施开发了一种新的改进型电子衍射 - 一个 DOE科学用户设施办公室,提供先进和独特的用于研究来自世界各地研究人员的粒子加速的实验仪器研究人员 在 自然研究的开放获取期刊“ 科学报告”上发表了他们的 发现。
推进超快电子衍射等研究技术将有助于未来的材料科学家以更高的精度研究材料和化学反应。材料中的许多有趣变化发生得非常快,并且在狭小的空间内,因此需要改进的研究技术来研究它们以用于未来的应用。这种新的和改进的电子衍射版本为改进各种与电子束相关的研究技术和现有仪器提供了垫脚石。
“我们实施了新的电子束聚焦系统,并证明了与传统的螺线管技术相比,我们可以显着提高分辨率,”该研究的作者,国家同步加速器光源II的加速器物理学家Xi Yang说。 II),布鲁克海文实验室的DOE科学用户设施办公室。“分辨率主要取决于光的特性 - 或者在我们的例子中 - 是电子束的特性。这对所有成像技术都是通用的,包括光学显微镜和X射线成像。然而,聚焦带电电子更具挑战性。由于电子带负电并因此相互排斥,所以样品上的铅笔状光束几乎与光相似,这就是所谓的空间电荷效应。通过使用我们的新设置,我们能够克服空间电荷效应并获得三倍亮度和两倍锐度的衍射数据; 这是解决方案的一次重大飞跃。“
每个电子衍射装置都使用聚焦在样品上的电子束,使电子从样品中的原子反射出来并进一步传播到样品后面的探测器。电子产生所谓的衍射图案,其可以转化为纳米级材料的结构组成。使用电子成像这种材料内部结构的优势在于所谓的电子衍射极限非常低,这意味着与其他衍射方法相比,科学家可以在结构中分辨出更小的细节。
需要一个多元化的研究团队来改进这种复杂的研究方法。Brookhaven实验室团队由来自NSLS-II的电子束专家,ATF的电子加速器专家和来自凝聚态物理和材料科学部门的材料科学专家组成。
“如果没有我们在布鲁克海文实验室的所有专业知识的结合,这种进步是不可能的。在NSLS-II,我们拥有如何处理电子束的专业知识.ATF小组带来了电子枪和激光技术的专业知识和能力 - 首先需要两者来创建电子束。而CMPMS小组拥有样品专业知识,当然也可以满足应用需求。这是一种独特的协同作用,我们一起展示了如何该研究的合着者,NSLS-II高级加速器物理学家李华宇说,该技术的分辨率可以大大提高。
为了提高分辨率,该团队开发了一种聚焦电子束的不同方法。研究人员使用两组四个四极磁铁来调谐电子束,而不是使用涉及螺线管磁铁的传统方法。与螺旋形磁铁相比,四极磁铁就像一个专门的电子透镜系统一样,它们可以根据实验需要灵活地调整和塑造光束。 。
“我们的透镜系统可以提供广泛的光束可调性。我们可以根据实验条件优化最重要的参数,如光束尺寸,电荷密度和光束发散,从而为科学提供最佳光束质量。需要,“杨说。
该团队甚至可以使用在线优化工具即时调整参数,并校正光束形状的任何不均匀性; 然而,为了使这种测量成为可能,该团队需要ATF提供的出色的电子束。ATF有一种电子枪,可产生极亮和超短的电子束,为电子衍射提供最佳条件。
“该团队使用了一种光电阴极枪,通过一种称为光电发射的过程产生电子,”ATF的加速器物理学家Mikhail Fedurin说。“我们将超短激光脉冲射入铜阴极,当脉冲撞击阴极时,铜上形成一团电子。我们用电场将电子拉走,然后加速它们。其中一个电子中的电子数量。脉冲和我们将它们加速到特定能量的能力使我们的系统对材料科学研究具有吸引力 - 特别是对于超快电子衍射。
聚焦系统与ATF电子束一起非常灵敏,因此研究人员可以测量地球磁场对电子束的影响。
“一般来说,电子总是受到磁场的影响 - 这就是我们首先在粒子加速器中引导它们的方式;然而,对于我们在这个实验中使用的低能量束,地球磁场的影响是不可忽略的, “NSLS-II加速器物理组组长兼该研究的共同作者Victor Smalyuk说。“光束偏离了所需的轨迹,这在最初的起始阶段造成了困难,因此我们必须纠正这种影响。”
除了电子束的高亮度和聚焦系统的高精度之外,该团队还需要正确的样品来进行这些测量。CMPMS小组为团队提供了一个多晶金膜,以充分探索新设计的镜头系统并进行测试。
“我们通过使用一种称为热蒸发的技术将金原子沉积在几纳米厚的碳膜上来制作样品,”CMPMS部门的物理学家李俊杰说。“我们将金颗粒蒸发,使它们凝结在碳膜上,形成微小的,孤立的纳米颗粒,慢慢融合在一起形成多晶薄膜。”
这部电影对于测量至关重要,因为它具有随机定向的晶体,它们融合在一起。因此,样品的内部结构不均匀,但由许多不同取向的区域组成,这意味着衍射图案主要取决于电子束质量。这为科学家提供了真正测试他们的透镜系统,调整光束,以及直接看到衍射测量质量的调整影响的最佳基础。
“我们最初开始着手改进材料科学研究的电子衍射,但我们也发现这种技术可以帮助我们表征电子束。事实上,衍射对电子束参数非常敏感,所以我们可以使用衍射图案一个已知的样本精确直接地测量我们的光束参数,这通常不那么容易,“杨说。
该团队打算进一步改进,他们已经计划开发另一种超快速电子显微镜设置,以直接观察生物样品。
“我们希望在某些时候实现超快速单次电子束成像,甚至可能制作分子电影,这是目前电子束成像设置无法实现的,”杨说。
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