CN101158641A - 非共线质量分辨阈值电离光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了非共线质量分辨阈值电离光谱仪，涉及质量分辨阈值电离光谱测量。该光谱仪包含载气源(1)、减压阀(2)、载气管、样品池(4)、真空腔(6)、分子泵(7)、机械泵(8)、溢流阀(9)、漏勺(10)、六块极板、离子信号探测器(17)、门积分电路(18)、示波器(19)、脉冲电源和同步辐射光源(23)。本发明采用将飞行时间质谱仪中离子透镜的极板设计为两组非共线放置的方式，以及用溢流阀进行进样，优点是：将直接电离的离子和场致电离的离子区分开来而得到了同步辐射光作用下的MATI光谱，减小了成本，提高了采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪，涉及质量分辨阈值电离光谱的测量。
背景技术
质量分辨阈值电离光谱是精确测量分子电离势、获得离子振动结构等信息的一种高分辨光谱学方法，其英文名称为Mass analyzedthreshold ionization spectroscopy，简称为MATI光谱。该方法为纽约州立大学的Johnson等人所创立，标志性成果发表在Journal of ChemicalPhysics杂志第94卷第8期5769-5771页上，文章题目为Mass analyzedthreshold ionization spectroscopy。
Johnson的发明是用进样装置、时序控制电路、飞行时间质谱仪、数据采集系统和脉冲激光器等设备来测量MATI光谱，其中进样装置由载气源、样品及样品池、载气管、脉冲阀和漏勺(skimmer)组成；数据采集系统由示波器和门积分电路(boxcar)组成；飞行时间质谱仪由真空腔、真空泵、离子透镜和探测器组成。离子透镜由四块极板共轴排列组成，第一极板和第二极板之间为破坏场区，第二极板和第三极板为场致电离区，第三极板和第四极板为加速场区。该系统在载气源保持1个左右大气压下持续给装有样品的样品池供气，样品池出来的气体混有样品气体，经载气管进入脉冲阀。脉冲阀开启时形成超声分子束，经漏勺准直后到达破坏场区，与此同时，脉冲激光器恰好有一个脉冲达到该破坏场区并与分子束相互作用。相互作用后形成离子和高里德堡态分子，其中离子被破坏场排斥掉，高里得堡态分子则由惯性飞至场致电离区，场致电离后的离子在加速场的加速下飞至探测器。示波器记录达到探测器的质谱信号，并用门积分电路记录特定质量数离子的信号随激光波长的变化，就得到了MATI光谱。
由于激光的单光子能量有限，MATI光谱的应用也因此受到限制，其不足之处在于：(1)分子的电离势一般都高于传统激光单光子能量，分子电离需要两个或两个以上的光子才能实现，这就意味着得到的MATI光谱势必受选择定则的影响，有些离子振动能级信息无法探测到。(2)分子的高里德堡态和超激发态能量很高，需要吸收多个多光子才能实现。而并非所有分子都有合适的中间态，所以有些分子在现有激光条件下不能实现其高里德堡态和超激发态的探测。
同步辐射光源是一种强度大、亮度高、频谱连续、方向性及偏振性好和洁净真空环境的新型光源，该新型光源在很多领域得到了广泛应用，但在MATI光谱领域中受到了非常大的限制。其主要原因是同步辐射光脉冲重复率比较高，其脉冲间隔仅为纳秒到微秒，飞行时间质谱仪中的极板不能将直接电离的和场致电离的离子区分开来，因而不能得到MATI光谱。
Ng小组在该领域的研究成果发表在Review of ScientificInstruments杂志第71卷第3期1325-1331页，文章名称为Pulsed fieldionization-photoion spectroscopy using two-bunch synchrotron radiation：Time-of-flight selection scheme。该成果通过改造同步辐射光源得到了脉冲场致电离光电子谱(pulsed field ionization-photoelectron)。虽然结果较佳，然而其工程量大，耗资甚多，且会影响其他工作站的工作。
发明内容
本发明的目的是，提供非共线质量分辨阈值电离光谱仪。该光谱仪采用了将飞行时间质谱仪中离子透镜的极板设计为两组非共线放置的方式，以及用溢流阀进行进样，将直接电离的和场致电离的离子区分开来而得到了同步辐射光作用下的MATI光谱。本发明的优点是：将直接电离的离子和场致电离的离子区分开来而得到了同步辐射光作用下的MATI光谱，减小了成本，提高了采集效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
非共线质量分辨阈值电离光谱仪由惰性气体载气源、减压阀、第一载气管、样品池、第二载气管、真空腔、分子泵、机械泵、溢流阀、漏勺、第一极板、第二极板、第三极板、第四极板、第五极板、第六极板、离子信号探测器、门积分电路、示波器、第一脉冲电源、第二脉冲电源、第三脉冲电源和同步辐射光源组成。
减压阀的两端分别与惰性气体载气源和第一载气管连接，第一载气管靠近样品池的底部，与样品池连通，样品池为封闭的容器，当样品池放入样品液时，第一载气管末端位于液面以下；第二载气管的一端靠近样品池的顶部，与样品池连通，当样品池放入样品液时，第二载气管的顶端位于液面之上，第二载气管的另一端穿过真空腔壁与真空腔中的溢流阀连通；漏勺安置在溢流阀的中心线上，与溢流阀同轴；
离子透镜由中心开有圆孔的圆形不锈钢极板组成，沿溢流阀和漏勺的中心线依次共轴安置第一组极板，包括第一极板、第二极板和第六极板；其中第一极板与真空腔外的第一脉冲电源连接，第二极板和第六极板分别接地；第三极板和第四极板分别安置在第二极板和第六极板中间的底端和顶端，在第四极板的上面依次安置第五极板和离子信号探测器；第三极板、第四极板、第五极板构成第二组极板，它们和离子信号探测器共轴，其中心线与第二极板和第六极板的中心线垂直并相交；其中第三极板和第四极板分别与真空腔外的第二脉冲电源和第一脉冲电源连接，第五极板接地；
离子信号探测器与真空腔外的门积分电路和示波器连接；
同步辐射光源安置在第一极板和第二极板中心的垂直位置上方；
机械泵与分子泵连接，分子泵与真空腔连通。
本发明的有益效果是：由于采用了将离子透镜的极板设计为两组，成非共线放置的方式，将直接电离的离子和场致电离的离子区分开来而得到了同步辐射光作用下的MATI光谱，同时该设计还减小了实验成本；采用了溢流阀和1000HZ的脉冲电压源，提高了实验采集效率。
附图说明
图1是本发明的非共线质量分辨阈值电离光谱仪的结构示意图。
其中：1为载气气源、2为减压阀、3为第一载气管、4为样品及样品池、5为第二载气管、6为真空腔、7为分子泵、8为机械泵、9为溢流阀、10为漏勺、11为第一极板、12为第二极板、13为第三极板、14为第四极板、15为第五极板、16为第六极板、17为探测器、18为门积分电路、19为示波器、20第三脉冲电源、21为第二脉冲电源、22为第一脉冲电源、23为同步辐射光源。
图2是极板的结构示意图。
其中：9为溢流阀、10为漏勺、11为第一极板、12为第二极板、13为第三极板、14为第四极板、15为第五极板、16为第六极板、17为探测器、20第三脉冲电源、21为第二脉冲电源、22为第一脉冲电源。A点为同步辐射光与第一组极板轴线相交的点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2所示，非共线质量分辨阈值电离光谱仪由惰性气体载气源1、减压阀2、第一载气管3、样品池4、第二载气管5、真空腔6、分子泵7、机械泵8、溢流阀9、漏勺10、第一极板11、第二极板12、第三极板13、第四极板14、第五极板15、第六极板16、离子信号探测器17、门积分电路18、示波器19、第三脉冲电源20、第二脉冲电源21、第一脉冲电源22和同步辐射光源23组成。
减压阀2的两端分别与惰性气体载气源1和第一载气管3连接，第一载气管3靠近样品池4的底部，与样品池4连通，样品池4为封闭的容器，当样品池4放入样品液时，第一载气管3末端位于液面以下；第二载气管5的一端靠近样品池4的顶部，与样品池4连通，当样品池4放入样品液时，第二载气管5的顶端位于液面之上，第二载气管5的另一端穿过真空腔壁与真空腔6中的溢流阀9连通；漏勺10安置在溢流阀9的中心线上，与溢流阀9同轴。
离子透镜由中心开有圆孔的圆形不锈钢极板组成，沿溢流阀和漏勺的中心线依次共轴安置第一组极板，第一极板11、第二极板12和第六极板16；其中第一极板11与真空腔7外的第一脉冲电源22连接，第二极板12和第六极板16分别接地；第三极板13和第四极板14分别安置在第二极板12和第六极板16中间的底端和顶端，在第四极板14的上面依次安置第五极板15和离子信号探测器17；第三极板13、第四极板14、第五极板15和离子信号探测器17共轴，其中心线与第二极板12和第六极板16的中心线垂直并相交；其中第三极板13和第四极板14分别与真空腔7外的第二脉冲电源21和第三脉冲电源20连接，第五极板15接地；第一极板直径60mm，孔径4mm，厚2mm；第二极板直径60mm，孔径4mm，厚2mm，与第一极板间距20mm；第六极板直径60mm，厚2mm，与第一极板间距72mm，与第二极板间距50mm；
第二组极板由第三极板13、第四极板14和第五极板15组成，均为圆形，其中第四极板14和第五极板15的中心开有圆孔，第三极板13和第四极板14分别安置在第二极板12和第六极板16中间的底端和顶端，在第四极板14的上面依次安置第五极板15和探测器17；第三极板13、第四极板14、第五极板15和探测器17共轴，其中心线与第二极板12和第六极板16的中心线垂直并相交；其中第三极板13和第四极板14分别与真空腔6外的第二脉冲电源21和第三脉冲电源20连接，第二脉冲电源21和第三脉冲电源20为1000HZ的脉冲电源，第五极板15接地；第三极板直径40mm，厚2mm，距第二极板5mm，且位于第一极板11和第二极板12的中轴线上方10mm；第四极板直径40mm，孔径10mm，厚2mm，它与第三极板13对齐且位于第一极板11和第二极板12的中轴线下方10mm；第五极板直径40mm，孔径10mm，厚2mm，距第三极板42mm，距第四极板20mm；
探测器17的输出端分别与真空腔6外的门积分电路18和示波器19连接；
同步辐射光源23安置在第一极板9和第二极板10中心的垂直位置上方，使得同步辐射光源23发射的同步辐射光正好射到第一极板11和第二极板12之间的中心位置；
机械泵8与分子泵7连通，分子泵7与真空腔6连通，机械泵8和分子泵7保证整个真空腔6中的真空度在10-5Pa以上。
本发明非共线质量分辨阈值电离光谱仪的工作流程为：
分子泵7和机械泵8的工作保证整个真空腔6中的真空度在10-5Pa以上，稀有气体载气源1中的气体经减压阀2减压后由第一载气管3进入样品池4，样品池4装有液体待测样品，当位于液面以下载气管放出气体时，将部分汽化的待测样品携带出来并经载气管5到达溢流阀9，溢流阀连续喷出的气体经漏勺10准直后由惯性飞到第一极板11和第二极板12之间；同步辐射光射到第一极板11和第二极板12之间的中心位置，经过同步辐射光的分子束会被激发成为高里德堡态分子或者直接电离成为离子。由于第二极板12、第五极板15和第六极板16所加电压为0，第一极板11通过第一脉冲电源22加有负压，直接电离的正离子会在第一极板11和第二极板12形成的负电场的作用下被拉出，而中性的里德堡态分子将继续沿原方向飞行，这时，在第三极板13和第四极板14上通过第二脉冲电源21和第三脉冲电源20加上的1000HZ脉冲电压使高里德堡态分子束电离，同时，这个脉冲场也使得只有刚好位于第三极板13和第四极板14中心的离子才会被加速而穿过第五极板15的圆孔到达探测器17，而偏离中心位置的离子则不能到达探测器。改变同步辐射光的波长，用门积分电路18和示波器19记录到达探测器17的信号，就得到了同步辐射光作用下的质量分辨阈值电离(MATI)光谱。
Claims (4)
1.非共线质量分辨阈值电离光谱仪，其特征在于，惰性气体载气源(1)、减压阀(2)、第一载气管(3)、样品池(4)、第二载气管(5)、真空腔(6)、分子泵(7)、机械泵(8)、溢流阀(9)、漏勺(10)、离子信号探测器(17)、门积分电路(18)、示波器(19)、第一脉冲电源(20)、第二脉冲电源(21)、第三脉冲电源(22)、同步辐射光源(23)、第一极板(11)、第二极板(12)、第三极板(13)、第四极板(14)、第五极板(15)和第六极板(16)；
减压阀(2)的两端分别与惰性气体载气源(1)和第一载气管(3)连接，第一载气管(3)与样品池(4)连通，样品池(4)为封闭的容器，当样品池(4)放入样品液时，第一载气管(3)末端位于液面以下；第二载气管(5)的一端与样品池(4)连通，另一端穿过真空腔壁与真空腔(6)中的溢流阀(9)连通，样品池(4)为封闭的容器，当样品池(4)放入样品液时，第一载气管(3)末端位于液面以下，第二载气管(5)的位于液面之上；漏勺(10)安置在溢流阀(9)的中心线上，与溢流阀(9)同轴；
离子透镜由中心开有圆孔的圆形不锈钢极板组成，沿溢流阀(9)和漏勺(10)的中心线依次共轴安置第一组极板，第一极板(11)、第二极板(12)和第六极板(16)；其中第一极板(11)与真空腔(7)外的第一脉冲电源(22)连接，第二极板(10)和第六极板(14)分别接地；第三极板(13)和第四极板(14)分别安置在第二极板(12)和第六极板(16)中间的底端和顶端，在第四极板(14)的上面依次安置第五极板(15)和离子信号探测器(17)；第三极板(13)、第四极板(14)、第五极板(15)和离子信号探测器(17)共轴，其中心线与第二极板(12)和第六极板(16)的中心线垂直并相交；其中第三极板(13)和第四极板(14)分别与真空腔(7)外的第二脉冲电源(21)和第三脉冲电源(20)连接，第五极板(15)接地；
第二组极板由第三极板(13)、第四极板(14)和第五极板(15)组成，均为圆形，其中第四极板(14)和第五极板(15)的中心开有圆孔，第三极板(13)和第四极板(14)分别安置在第二极板(12)和第六极板(16)中间的底端和顶端，在第四极板(14)的上面依次安置第五极板(15)和探测器(17)；第三极板(13)、第四极板(14)、第五极板(15)和探测器(17)共轴，其中心线与第二极板(12)和第六极板(16)的中心线垂直并相交；其中第三极板(13)和第四极板(14)分别与真空腔(6)外的第二脉冲电源(21)和第三脉冲电源(20)连接，第五极板(15)接地；
探测器(17)的输出端分别与真空腔(6)外的门积分电路(18)和示波器(19)连接；
同步辐射光源(23)安置在第一极板(11)和第二极板(12)中心的垂直位置上方，使得同步辐射光源(23)发射的同步辐射光正好射到第一极板(11)和第二极板(12)之间的中心位置；
机械泵(8)与分子泵(7)连通，分子泵(7)与真空腔(6)连通，机械泵(8)和分子泵(7)保证整个真空腔(6)中的真空度在10-5Pa以上。
2.根据权利要求1所述的非共线质量分辨阈值电离光谱仪，其特征在于，所述的第一极板(11)直径60mm，孔径4mm，厚2mm；所述的第二极板(12)直径60mm，孔径4mm，厚2mm，与第一极板(11)间距20mm；所述的第六极板(16)直径60mm，厚2mm，与第一极板(11)间距72mm，与第二极板(12)间距50mm。
3.根据权利要求1所述的非共线质量分辨阈值电离光谱仪，其特征在于，所述的第三极板(13)直径40mm，厚2mm，距第二极板(12)5mm，且位于第一极板(11)和第二极板(12)的中轴线上方10mm；所述的第四极板(14)直径40mm，孔径10mm，厚2mm，它与第三极板(13)对齐且位于第一极板(11)和第二极板(12)的中轴线下方10mm；所述的第五极板(15)直径40mm，孔径10mm，厚2mm，距第三极板(13)42mm，距第四极板(14)20mm。
4.根据权利要求1所述的非共线质量分辨阈值电离光谱仪，其特征在于，所述的第二脉冲电源(21)和第三脉冲电源(20)为1000HZ的脉冲电源。
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