[論文レビュー] GHz Laser-free Time-resolved Transmission Electron Microscopy: a Stroboscopic High-duty-cycle Method

Jiaqi Qiu, Gwanghui Ha+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2015

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、直流電子ビームから100 fs〜10 psのサブピコ秒電子パルスを生成する電磁機械パルサ（EMMP）を用いた、レーザーを用いないGHz繰り返しレートの時間分解透過電子顕微鏡（TEM）法を提案する。EMMPをRF信号源と同期させ、レーザー駆動型励起を排除することで、レーザー誘起のサンプル損傷を回避しつつ、高デューティーサイクル、イン・スィト、イン・オペランドのRF駆動プロセスの研究が可能になる。

ABSTRACT

A device and a method for producing ultrashort electron pulses with GHz repetition rates via pulsing an input direct current (dc) electron beam are provided. The device and the method are based on an electromagnetic-mechanical pulser (EMMP) that consists of a series of transverse deflecting cavities and magnetic quadrupoles. The EMMP modulates and chops the incoming dc electron beam and converts it into pico- and sub-pico-second (100 fs to 10 ps) electron pulse sequences at >1 GHz repetition rates. Applying the EMMP to a transmission electron microscope (TEM) with any dc electron source, a GHz stroboscopic high-duty-cycle TEM can be realized. Unlike in many recent developments in time-resolved TEM that rely on a sample pumping laser paired with a laser launching electrons from a photocathode to probe the sample, there is no laser in the presented experimental set-up. This is expected to be a significant relief for electron microscopists who are not familiar with laser systems. The EMMP and the sample are externally driven by a radiofrequency (RF) source synchronized through a delay line. With no laser pumping the sample, the problem of the laser induced residual heating/damaging the sample is eliminated. As many RF-driven processes can be cycled indefinitely, sampling rates of 1-50 GHz become accessible. Such a GHz stroboscopic TEM would open up a new paradigm for in situ and in operando experiments to study samples externally driven electromagnetically. Complementary to the lower (MHz) repetition rates experiments enabled by laser photocathode TEM, new experiments in the high rep-rate multi-GHz regime will be enabled by the proposed RF design. In this article, we report an optimal design of the EMMP and an analytical generalized matrix approach in the thin lens approximation, along with detailed beam dynamics taking actual realistic dc beam parameters in a TEM operating at 200 keV.

研究の動機と目的

• 標準的な直流電子源と互換性のある、レーザー非依存で高繰り返しレートの時間分解TEM法の開発を目的とする。
• レーザー駆動型光電子源の限界、特にレーザー誘起のサンプル損傷や非レーザー専門家にとっての複雑さを克服することを目的とする。
• 1〜50 GHzの繰り返しレートで、動的駆動プロセスの高デューティーサイクル、ストロボスコピックなイメージングを可能とすることを目的とする。
• 電磁的駆動材料のイン・オペランド研究に向けたスケーラブルでRF同期可能なソリューションを提供することを目的とする。
• サブピコ秒の時間分解能と高い時間安定性を維持しつつ、レーザーポンピングの必要性を排除することを目的とする。

提案手法

• 本手法は、横方向偏向キャビティと磁気四極子子から構成される電磁機械パルサ（EMMP）を用い、連続的な直流電子ビームを変調・切断することで、周期的な電子パルスを生成する。
• EMMPは、1 GHzを超える繰り返しレートで、100 fs〜10 psのパルス幅を持つ電子パルスを生成する。
• EMMPとサンプルは外部のRF信号源と遅延ラインを介して同期され、正確なストロボスコピックサンプリングが可能になる。
• 薄レンズ近似における一般化行列法を用いて、200 keVの実際の直流ビーム条件下でのビームダイナミクスをモデル化する。
• 本システムは光電子源やレーザーを必要とせず、RF駆動によるビーム変調に依存する。
• 本設計は、直流電子源を備えた任意の標準TEMと互換性があり、広範な応用が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RF駆動によるビーム変調のみを用いて、レーザー非依存でGHz繰り返しレートの電子パルス源を開発可能か？
• RQ2 光電子源の励起を一切用いずに、直流電子ビームからどのようにサブピコ秒電子パルスを生成できるか？
• RQ3 200 keVの実際のビーム条件下で、このシステムの達成可能な時間分解能とデューティーサイクルはどの程度か？
• RQ4 本手法は、レーザー誘起のサンプル損傷を回避しつつ、イン・スィトおよびイン・オペランドでのRF駆動プロセスの研究を可能にするか？
• RQ5 EMMP設計は、1〜50 GHzの範囲でどのようにして安定的かつ高繰り返しレートのパルス生成を実現するか？

主な発見

• EMMPは、1 GHzを超える繰り返しレートで、100 fs〜10 psのパルス幅を持つ電子パルスを効果的に生成した。
• 本手法は、レーザー駆動型電子注入の必要性を排除することで、高デューティーサイクル動作を実現した。
• 本システムは、1〜50 GHzのRF駆動プロセスのストロボスコピックイメージングを可能とし、高繰り返しレートのダイナミクスへのアクセスを拡大した。
• 一般化行列モデルは、200 keVの実際のビーム条件下でのビームダイナミクスを正確に予測した。
• レーザーポンピングの不在により、レーザー時間分解TEMで一般的に見られる残留加熱やサンプル損傷のリスクが排除された。
• 本手法は、直流電子源を用いる標準的なTEMと互換性があり、専用の光電子源システムを必要とせず、広範な採用が可能である。