一种具有反向磁场补偿透镜的原位磁场ARPES电子能量分析器及其应用的制作方法

本发明涉及角分辨光电子能谱仪器，尤其涉及一种具有反向磁场补偿透镜的原位磁场 arpes 电子能量分析器，属于电子能量分析器、电子光学透镜、原位磁场调控和光电子谱测量技术的交叉领域。

背景技术：

1、角分辨光电子能谱技术，即 arpes，能够直接测量材料电子结构在能量和动量空间中的分布，是研究拓扑材料、超导材料、磁性材料、强关联材料和二维材料的重要实验手段。常规 arpes 测量通常需要在低磁场或近零磁场环境中进行，这是因为光电子由样品内部激发并从样品表面逸出后，需要在真空中飞行并进入电子能量分析器。若光电子飞行路径中存在磁场，光电子将受到洛伦兹力作用而发生偏转、旋转或聚焦条件变化，从而导致探测器上的角分辨图像发生旋转、压缩、偏移或展宽。

2、然而，磁场是调控材料电子结构、磁畴、拓扑态、超导态和对称性破缺态的重要外场。为了在 arpes 中研究材料对磁场的原位响应，现有技术中已经提出在样品附近设置线圈或局域磁场装置，以在样品表面施加面内磁场、面外磁场或矢量磁场。该类方案能够使样品处于磁场调控环境中，但同时不可避免地在样品表面上方或光电子飞行路径中引入磁场及漏磁。

3、在理想情形下，磁场仅作用于样品本身，而不影响从样品逸出的光电子；但在实际仪器中，样品区磁场和边缘漏磁会对光电子飞行产生影响。对于沿电子飞行方向或近似沿电子光轴方向的磁场分量，光电子的横向速度分量会发生旋转，表现为探测器图像中的极角旋转、费米面旋转或动量坐标旋转。对于横向磁场分量，光电子还可能产生横向偏移、角度收缩和动量峰展宽。

4、现有处理方式通常依赖事后软件校正，即在采集到受磁场影响的 arpes 谱图后，通过坐标旋转、动量反演、卷积或去卷积等方法修正数据。然而，事后处理存在若干不足：其一，校正模型依赖磁场分布、电子动能、出射角和电子透镜参数，难以对所有工作模式保持准确；其二，若磁场已经导致电子束聚焦条件改变或动量峰展宽，仅靠后处理难以恢复电子光学分辨能力或角分辨能力；其三，对于需要在线观察或快速调节样品磁场的实验，复杂后处理降低了仪器使用效率。

5、因此，有必要提出一种新的原位磁场 arpes 电子能量分析器，使样品能够处于目标磁场中，同时在电子飞行路径中通过硬件方式抵消或减小样品区磁场及其漏磁对光电子角度分布和空间分布的扰动，使探测器获得更接近未受飞行路径磁场扰动的角度映射关系和/或空间成像关系，从而减少人工后处理，提高磁场 arpes 测量的准确性、稳定性和可操作性。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种具有反向磁场补偿透镜的原位磁场 arpes 电子能量分析器及其应用。为了解决现有技术中在 arpes 测量中，当样品区施加原位磁场后，光电子在从样品飞向电子能量分析器和探测器的过程中会发生旋转、偏移或聚焦条件变化，导致探测器图像偏离样品在目标磁场调控下对应的角分辨分布。以及现有软件后处理方式难以完全消除该影响，尤其难以实时、稳定地补偿不同磁场强度和不同电子动能下的旋转误差、偏移误差和/或聚焦误差。

2、为了实现本发明的技术目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种具有反向磁场补偿透镜的原位磁场 arpes 电子能量分析器，沿光电子飞行路径设有透镜模块、电子探测模块；其中，所述透镜模块一端为样品测量区域，另一端为电子探测模块；

4、在样品测量区域设有样品区原位磁场发生模块，在样品测量区域形成目标磁场，作用于位于该区域的样品；

5、在样品测量区域与电子探测模块之间的光电子飞行路径上设置反向磁场补偿模块，用于产生补偿磁场，所述补偿磁场的方向、强度或空间分布被设置为对光电子产生与样品测量区域磁场或样品区漏磁所导致电子旋转方向相反的旋转作用，以抵消或减小目标磁场及其漏磁对光电子角度分布和空间分布的扰动；

6、控制校准模块与样品区原位磁场发生模块、反向磁场补偿模块、透镜模块、电子探测模块信号连接，根据目标磁场强度、补偿磁场强度、光电子动能、样品偏压、分析器通过能、分析器透镜模式、出射角范围和/或实验标定数据，确定反向磁场补偿模块的目标工作参数，所述目标工作参数包括补偿电流、补偿电压、补偿磁场强度、补偿磁场方向、补偿磁场积分量、各补偿段工作参数比例、静电透镜电压修正量和/或分析器入口透镜联动参数。

7、进一步，样品区原位磁场发生模块包括励磁线圈以及磁芯、极靴和磁轭中的至少一种，所述励磁线圈和/或所述极靴用于在样品测量区域形成目标磁场，所述磁轭用于构成磁通返回路径，以降低目标磁场向电子光学传输路径的泄漏。

8、进一步，所述样品区原位磁场发生模块在样品测量区域形成面内磁场、面外磁场或具有面内分量和面外分量的矢量磁场。

9、进一步，在透镜模块、电子探测模块之间设有能量分辨模块，所述能量分辨模块采用半球型能量分辨模块，或采用由飞行时间漂移区、脉冲/计时电子学与电子探测模块共同形成的时间飞行型能量分辨模块。

10、进一步，所述控制校准模块调节所述反向磁场补偿模块，使光电子在样品区目标磁场或其漏磁场作用后产生的出射角偏转、方位角旋转、拉莫尔旋转和/或角度映射畸变被所述补偿磁场至少部分抵消。

11、进一步，反向磁场补偿模块围绕或邻近光电子飞行路径布置，用于在所述光电子飞行路径的至少一部分区域产生补偿磁场。

12、进一步，所述反向磁场补偿模块包括至少一组补偿线圈，所述补偿线圈为螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、鞍形线圈、分段线圈或多极线圈中的一种或多种，并通过调节通电方向和/或电流大小，使所述补偿磁场对光电子形成与样品区目标磁场或其漏磁场相反的旋转作用。

13、进一步，所述反向磁场补偿模块设置在样品测量区域与透镜模块之间、透镜模块内部、透镜模块与能量分辨模块之间、能量分辨模块入口附近或电子光学传输路径中的至少一个位置。

14、进一步，所述反向磁场补偿模块采用多段式补偿，不同补偿段分别或协同用于补偿光电子的旋转、横向偏移、角度收缩和/或聚焦误差。

15、进一步，不同补偿段能够独立调节工作参数，所述工作参数包括电流、电压、磁场强度、磁场方向、磁场积分量和/或磁场梯度，以适配不同电子动能、不同出射角范围和/或不同分析器透镜模式。

16、进一步，反向磁场补偿模块与透镜模块中的静电透镜联动，控制校准模块在调节补偿磁场的同时，对静电透镜电压进行调节，使光电子束的角度映射关系、能量分辨模块入口聚焦位置和/或电子探测模块成像位置得到校正。

17、进一步，设置样品区磁场传感器、补偿区磁场传感器中的至少一种，且均与控制校准模块信号连接；样品区磁场传感器用于测量样品测量区域的目标磁场和/或样品区漏磁，补偿区磁场传感器用于测量补偿磁场的强度、方向和/或空间分布；控制校准模块根据样品区磁场传感器和/或补偿区磁场传感器的测量结果，调节样品区原位磁场发生模块和/或反向磁场补偿模块的工作参数，使反向磁场补偿模块产生的补偿磁场与样品区目标磁场及其漏磁对光电子产生的旋转扰动相匹配。

18、进一步，所述样品区磁场传感器和/或所述补偿区磁场传感器为单个传感器或多个传感器；当为多个传感器时，多个传感器沿光电子飞行路径、围绕样品测量区域和/或围绕反向磁场补偿模块分布设置，以获得样品区目标磁场、样品区漏磁和/或补偿磁场的局部分布信息。

19、进一步，所述控制校准模块存储、调用和/或建立磁场标定表、电子轨迹模型、电子光学传递矩阵、有限元仿真模型或实验标定函数中的至少一种；实现根据光电子动能、样品偏压、分析器通过能、透镜模式、出射仰角、出射方位角、样品区磁场强度和/或补偿磁场强度，确定所述反向磁场补偿模块的目标工作参数，所述目标工作参数包括补偿电流、补偿电压、补偿磁场强度、补偿磁场积分量和/或多段补偿参数。

20、一种原位磁场 arpes 测量方法，基于上述的原位磁场 arpes 电子能量分析器，包括以下步骤：

21、在样品测量区域施加目标磁场；

22、采集、计算和/或调用标定关系，以确定所述目标磁场及其漏磁对光电子飞行路径产生的旋转扰动、偏移扰动和/或聚焦扰动；

23、在样品测量区域与电子探测模块之间施加反向补偿磁场；

24、调节所述反向补偿磁场，使其对光电子产生与所述旋转扰动、偏移扰动和/或聚焦扰动相反或相补偿的电子光学作用；

25、在所述反向补偿磁场作用下采集角分辨光电子能谱数据。

26、有益效果

27、1. 本发明在样品区施加目标磁场的同时，在电子飞行路径中设置反向磁场补偿透镜，反向磁场补偿透镜产生的补偿磁场积分量与样品区磁场及其漏磁对光电子产生的等效旋转磁场积分量大小相匹配且符号相反。由此，光电子在样品区磁场或漏磁场作用后产生的旋转扰动能够在补偿区内被至少部分抵消，使光电子进入能量分辨模块入口或到达电子探测模块时的角度映射误差降低。能够通过硬件方式至少部分抵消光电子旋转扰动，减少对事后软件坐标旋转和人工谱图修正的依赖。

28、2. 本发明能够根据光电子动能、样品区磁场和分析器透镜模式动态调节补偿磁场，适用于不同材料、不同光子能量和不同 arpes 测量模式。

29、3. 本发明可将补偿磁场限制在预定区段，降低补偿磁场对分析器非目标区域和真空腔体磁屏蔽层的影响。

30、4. 本发明可与静电透镜联动，不仅补偿图像旋转，还能改善磁场引起的入射角变化、焦点偏移和成像位置偏移。

31、5. 本发明使电子探测模块可直接获得更接近未受飞行路径磁场扰动的角分辨数据，提高原位磁场 arpes 的实时性和工程可用性。