气体分子的超快精密成像是物质结构探索中的重难点,也是一种研究物理、化学、生物医学等领域上中很多基础问题的重要方法。由于气体中分子密度低,要想获得充足的光学信号就必须要求激光有极高的光子数密度和光与分子有较高的信号产率。随着新一代X射线自由电子激光(XFEL)技术的发展,我们可以使一束近光速运动的电子束,经过一排周期性改变方向的磁体,即波荡器,产生10 fs量级脉冲长度,包含1013个相干光子的超强超短激光。利用光电子衍射,我们可以获得比光子衍射高5-6个数量级的衍射信号。因此研究X射线自由电子激光激发的光电子衍射信号,我们有机会对于气体分子做超快成像。光电子衍射就是电子首先吸收光子发生激发,然后发生衍射的一个过程。依靠电子波包在传播过程中是否被周围原子散射,我们将电子波包分为未散射的直接波和散射后的散射波,最终光电子衍射谱是直接波和散射波的干涉作用的结果。如果可以从光电子衍射谱分析两波之间的相位差,就可以反推出散射电子的原子所处位置。我们用散射因子来描述物质对于波的散射效果,不同于对于光子的散射,原子对于电子的散射会使得电子波相位发生改变,即原子对于电子的散射因子带明显相位。如果我们用Helmholtz-Kirchhoff变换(HK变换)来分析光电子谱中的相位,电子散射因子中的相位就会变成额外的位置误差。因此我们的方案就是首先采用已知信息模拟一个电子散射因子,然后从光电子衍射谱中去除这个理论计算的散射因子,消除该项的相位带来的误差。模拟计算中,首先我们利用muffin-tin模型计算了原子对于电子的散射因子,进而获得了固定取向分子的光电子衍射谱。对于光电子衍射谱,我们做一般的HK变换会的结果有较大的位置误差。如果从光电子衍射谱中去除电子衍射因子后再做HK变换就可以精准的反推原子位置。对于其他算法,如ePolyScat计算的光电子衍射谱,我们的方案依旧会有较好的结果。最后我们还分析不同极化方向的情况,考虑了采用圆偏光激发的结果,都充分表明从光电子衍射谱去除散射因子后,再用HK变换可以较好的获得原子位置信息。然后我们考虑了分子取向对于我们优化方案的影响。首先我们计算了在不同取向度情况下的碘分子的光电子衍射谱,接着我们优化后的HK变换对其经行分析。模拟结果展现了随着取向度的下降,优化HK变换给出的原子位置误差开始变大,只有在极高的取向度情况下,才可能较好的定位原子位置。