日本加速器学会年会、幕張、2016年8月8‐10日

MeVフェムト秒電子線パルスを用いた超高速電子顕微鏡の開発
楊 金峰
大阪大学・産業科学研究所

Motivation
An observation in “real space（実空間）” and “real time（実時間）”
has long been in goal for the scientists.
Many ultrafast phenomena or dynamics in materials begin in
femtosecond time region over nanometer spatial dimension, e.g.
•

Ultrafast chemical reactions (e.g. excitation, relaxation, making andbreaking of bonds, …)•Ultrafast dynamics in biology (e.g. charge/energy transfers, growth ofdamage, …)•Structural changes in solids (e.g. phase transformations, melting andresolidification, …)

 Single-shot measurement is necessary, because many structural
phenomena or dynamics are not reversible（不可逆的な構造変化）!
MeVフェムト秒電子線パルスを用いた超高速電子顕微鏡の開発

フォトカソードRF電子銃
Femtosecond laser
fs, 266nm

Femtosecond e- bunchwith MeV energy

RF source
2856MHz、～MWSpace-charge effectis reduced!
Photocathodee.g. Cu

RF accelerating cavities(Usually 1.5-cell)

15cm
現在、X線FELなどの先端加速器分野に利用されている。

electric field: 100MV/m
x10 higher than DC electric field

期待される電子ビームの特性:
Electron energy:
Bunch length:
Norm. emittance:Energy spread:No. of electrons:

1～5 MeV
100 fs
0.1 mm-mrad
10-4 (10-5 for challenge)
107～108e-’s/pulse（現状）ほぼ達成！

Concept of RF gun based UEM
RF gunSol. lensFemtosecond
Laser
Cond.
lens

Femtosecond
electronbeam

Femtosecond
photocathodeelectron gun

Obj.
lens
Interm.
lens

electron
opticallensesProj.
lens

imagemeas.

Prototype of MeV UEM

Electron energy： 1 ～ 3 MeV
Bunch length ： 100 fs
Emittance：
0.1 mm-mrad
Energy spread： 10-4 ～ 10-5Charge：
107～108e-’s/pulse

Time resolution:
100 fsSpatial resolution: 1 nm
Challenge !

RF電子銃を用いた超高速電子顕微鏡実証機の写真
Femtosecondlaser

fs laser
MeV-energy
fs electron pulses

Femtosecond
electron pulse

Obj. lens

本装置は、関連研究者の経験と知恵・努力を結集して独自に設計・製作したもの！
Size: 3m(H) x 0.7m(D)0.1m- emittance electron beam generation(1) reduce the thermal emittanceby focusing laser on the cathode

Measurement results of emittanceas a function of aperture diameter

Low-emittancefs e- beam

fs UV laser(2) collimate the emittance after RF gun~0.1 mm-mrad using <0.5mmφ aperture!Dependence of image contrast on emittance
10 m

500xSingle shot

Sample:Cu grid(1000-mesh)

10-pulse

Low-emittance is a key parameter in EM
for high spatial resolution.

100-pulse

3.1 MeV
0.6 mm-mrad
7 pC/pulse
6x109 e-/mm2mrad2
3.1 MeV
0.3 mm-mrad
4 pC/pulse
1.4x1010 e-/mm2mrad2

3.1 MeV
0.14 mm-mrad
1 pC/pulse
1.6x1010 e-/mm2mrad2

フェムト秒電子線パルスによる電子回折の測定結果
Femtosecond
electron gun

Single shot
Sample:Single-crystal Au
Thickness: ~10nm

CL

Diffraction15mm

10-pulse
Diffraction2

Electron beam:
Energy:3.1 MeV
Pulse length: 100 fs
e- charge: ~1pC/pulse(107e-’s/pulse)
Results:
High-quality MeV electron
diffraction patterns can beobserved with MeV-highenergy e- pulses.

Diffraction3

Diffraction measurement

Single-shot measurement
is available.

MeV TEM imaging of MoO3 crystal
Electron beam: 3.1 MeV, 100 fs, ~1pC/pulse
Diameter of MoO3 crystal: ~2m
1,000 pulses

x1,6002,000 pulses

5m

x4,0002mDependence on electron pulse number
Electron beam: 3.1 MeV, 100 fs, ~1pC/pulse
Sample: MoO3 crystal (diameter: ~2m)
1-pulse

10-pulse

100-pulse

500-pulse

x1,600Contrast TEM images can be observed with 500 pulses.

シングルショットとパルス積算で観測したTEM像の比較
Electron beam: 3.1 MeV, 100 fs, ~1pC/pulse
Sample: single crystal gold (thickness: 10nm)
30mSingle shot

10-pulse

100-pulse

280x

In the averaging measurement, good-contrast TEM images can beobserved for Au sample.
At low-magnification observation, the single-shot imaging is available.

まとめ 世界先駆けて相対論的フェムト秒電子線パルスを用いた超高速電子顕微鏡実証機を開発し、原理実証に成功した。
 電子回折の測定モードでは、シングルショットの観測でも十分明瞭な電子回折パターンを得ることができる。
 電子顕微鏡像の測定モードでは、３MeVのフェムト秒電子線パルスを用いて、微粒子や微結晶等のTEM像の観測に成功し、低倍率ではシングルショットの観測も可能である。

今後の課題：
 電子ビーム高輝度化→ エミッタンスの低減（<0.1m）、エネルギー分散の低減（~10-5）

 安定度（~10-5）と検出効率の向上⇒ 空間分解能の向上、フェムト秒超高速電子顕微鏡の実現！
12謝辞

共同研究者
（阪大産研）淺川稜、菅晃一、近藤孝文、神戸正雄、吉田陽一（阪大産研）吉田秀人、竹田精治（阪大工）谷村克己、保田英洋（北大）成瀬延康（ローザンヌ工科大）室岡義栄（KEK）高富俊和、照沼信浩、浦川順治

産研量子ビーム科学研究施設のご協力

基盤研究(A) (22246127、H22～24)、基盤研究(A) (26246026、H26～28)、
萌芽研究 （16K13687、H28～29)
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