[논문 리뷰] GHz Laser-free Time-resolved Transmission Electron Microscopy: a Stroboscopic High-duty-cycle Method

Jiaqi Qiu, Gwanghui Ha외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 17.

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 DC 전자 빔으로부터 초단기 전자 펄스를 생성하기 위해 전자기기계 펄서(EMMP)를 사용하는 레이저 없는 GHz 반복률 시간해상 분 giải 투과전자현미경(TEM) 방법을 제시한다. EMMP를 고주파(RF) 소스와 동기화하고 레이저 기반 자극을 제거함으로써, 레이저에 의한 샘플 손상 없이 고-duty-cycle, 현장 내 및 작동 중 연구가 가능한 방법을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 DC 전자원을 사용하는 데 적합한 레이저 없는 고반복률 시간해상 분 해 TEM 방법을 개발하는 것.
• 레이저 기반 광음극 시스템의 한계, 즉 레이저에 의한 샘플 손상과 비레이저 전문가에게 복잡한 점을 극복하는 것.
• 1–50 GHz 반복률에서 동적 자극을 받는 과정에 대해 고-duty-cycle, 스토브로스코픽 영상 촬영을 가능하게 하는 것.
• 전자기적으로 자극을 받는 물질의 작동 중 연구를 위한 확장 가능한 RF 동기화 솔루션을 제공하는 것.
• 레이저 펌프가 필요 없이도 피크초 이하의 시간 해상도와 높은 시간 안정성을 유지하는 것.

제안 방법

• EMMP는 횡방향 빛줄기 빔 캐비티와 자석 쿼드루폴 렌즈로 구성되어 연속적인 DC 전자 빔을 조절하고 분할한다.
• EMMP는 1 GHz 이상의 반복률에서 100 fs에서 10 ps 사이의 펄스 길이를 가진 주기적인 전자 펄스를 생성한다.
• EMMP와 샘플은 외부 RF 소스와 지연선을 통해 동기화되어 정밀한 스토브로스코픽 샘플링이 가능하다.
• 실제 200 keV DC 빔 조건을 고려한 얇은 렌즈 근사에서 일반화된 행렬 접근법을 사용해 빔 동역학을 모델링한다.
• 광음극이나 레이저를 사용하지 않고, 오직 RF 기반 빔 조절에 의존한다.
• 표준 TEM에 DC 전자원이 장착된 경우에 모두 호환 가능하여 광범위한 적용 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RF 기반 빔 조절만으로 레이저 없는 GHz 반복률 전자 펄스 소스를 개발할 수 있는가?
• RQ2 광음극 자극 없이 DC 전자 빔에서 피크초 이하의 전자 펄스를 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ3 실제 200 keV 빔 조건 하에서 이 시스템의 시간 해상도와 듀티 사이클은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 레이저에 의한 샘플 손상 없이 RF 자극을 받는 과정의 현장 내 및 작동 중 연구를 가능하게 하는가?
• RQ5 EMMP 설계는 1–50 GHz 범위에서 안정적이고 고반복률의 펄스 생성을 어떻게 보장하는가?

주요 결과

• EMMP는 1 GHz 이상의 반복률에서 100 fs에서 10 ps 사이의 펄스 길이를 가진 전자 펄스를 성공적으로 생성하였다.
• 레이저 기반 전자 주입이 필요 없어지면서 고-duty-cycle 작동이 가능해졌다.
• 1–50 GHz에서 RF 자극을 받는 과정에 대해 스토브로스코픽 영상 촬영이 가능해져 고반복률 동역학 연구에 대한 접근성이 확대되었다.
• 일반화된 행렬 모델은 실제 200 keV 빔 조건 하에서의 빔 동역학을 정확히 예측하였다.
• 레이저 펌프가 없어 레이저 기반 시간해상 분 해 TEM에서 흔히 발생하는 잔여 가열과 샘플 손상 위험이 제거되었다.
• DC 전자원을 사용하는 표준 TEM과 호환되어 특수한 광음극 시스템 없이 널리 보급 가능하다.