宽分辨量程、大俘获角极限绝热磁镜型电子能谱探测技术研究

Electron spectroscopy detection technique has been the key to basic science research in atomic and molecular physics and surface science, which is called "fingerprinting" technique. Based on clarifying the bottlenecks of the current techniques, the project intends to study the physical mechanism of extreme adiabatic magnetic mirror effect, the extreme form of magnetic mirror effect. The content includes: studying the mechanism of focusing and mapping charged particle initial energy state by the adiabatic magnetic mirror effect; exploring the technical principles of enhancing energy resolution by weakening the angle dispersive Dangle for any emission energy, and equivalently increasing the energy dispersive Denergy for any emission angle; analyzing the strong collimation impact of magnetic mirror effect on improve the particle collection efficiency; and ultimately providing a comprehensive theoretical technical elaboration. The corresponding output is a complete instrument design of extreme adiabatic magnetic-mirror type electron spectroscopy detection technique, of which the initial kinetic electron energy that can be resolved is 0 ~1000 eV, particle capture angle is 2pi, and the relative energy resolution in full energy range is of less than 0.5%. At last but not least, a test prototype will be conducted to do experimental study of verify the design performance. Achievement of the goals of the research subject, not only will enrich the current high-performance composite electron spectroscopy analysis theory, while its engineering implementation will also meet the urgent needs for high-end electron spectroscopy in the field of attosecond laser spectroscopy and photoelectron spectroscopy. In addition, the outcome may be used as a direct reference electron momentum spectrometer performance improvement.

电子能谱精细探测技术一直是原子分子物理学、表面科学等基础科学研究中的关键技术，被称为该领域的“指纹技术”。本项目拟在明晰现有技术瓶颈基础上，阐述磁镜效应极限形式——极限绝热磁镜聚焦效应物理机制，重点论述该效应所具备的电子聚焦及能谱精细映射功能，以及基于新型侧极靴不对称外透镜技术的功能实现，分析其在抑制单一能量的角度色散性Dangle、等效增加单一角度的能量色散性Denergy、以及提高系统带电粒子收集效率方面的技术原理，最终形成完备的宽分辨量程、大俘获角极限绝热磁镜型电子能谱探测技术理论阐述；给出一种电子能量仪设计方案：能谱探测量程0～1000 eV，电子俘获角为2pi、全量程相对能量分辨率优于0.5%；同时进行原理验证。该课题研究目标的达成，不仅将丰富当前高复合性能电子能谱精细映射分析技术理论，同时其工程实现也将满足阿秒激光能谱/光谱学、光电子能谱学等领域对高端电子能谱仪的迫切需求。

阿秒物理诊断研究亟需高性能电子能谱探测技术。本项目提出了基于磁镜效应的电子能谱分析技术，可同时实现宽分辨量程、大俘获角探测性能。从绝热磁镜效应物理本质出发，以解析计算和数值分析相结合的方法，通过逐步逼近极限绝热磁镜条件及相应的电子状态轨迹跟踪，详细探究了极限绝热磁镜聚焦效应电子聚焦及初始能量状态映射机理，同时也给出了该极限条件的技术实现要求。研究给出了一种电子能谱仪设计方案：对初始发射动能为1～1000 eV的电子而言，相对能量分辨率达0.45%；进行了原理验证，完成了项目研究目标。根据电子脉冲中电子之间的多体相互作用机制，建立了“多体作用电子碟片”分析模型，揭示了电子源中瞬时离散空间电荷效应对“电子产生状态”的瞬时整形过程动力学。结果表明，电子脉冲动态自展宽过程可分为两步：首先是极短距离内(1m以内)急剧的雪崩式展宽过程，之后是缓慢的准线性自展宽过程。该模型具备普适性，在变像管条纹相机技术、超快电子衍射技术中均可获得应用。基于该项目还开展了其他相关工作：针对现有主流技术中严重制约阿秒脉冲光子产率的相位失配问题，提出了可实现极端非线性阿秒脉冲产生过程最佳相位匹配的技术思路，并获实验验证，该成果受邀写入英文专著章节。针对阿秒激光技术对新型长波驱动源的迫切需求，提出了基于纳米天线等离激元共振机制的宽光谱光场相干调控技术，为高时空局域性（时域宽度小于光场周期、空域焦斑突破衍射极限）极端非线性光场相干合成、以及基于固体靶的大能量阿秒激光技术提供了新方案。项目研究成果包括期刊/会议论文5篇，中文专著1部（科学出版社），英文专著章节1章，专利申请12项，软件著作权2项，培养硕士研究生2名，参加国际学术研讨会3次。该课题输出的研究成果，不仅将丰富当前高性能电子能谱精细映射分析技术理论，而且其后续工程实现也将满足阿秒物理诊断、光电子能谱学等领域对高端电子能谱仪的迫切需求，因而具有重要的科学意义和可期的应用前景。