CN101625326B - 分子光解离电离速度成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分子光解离电离速度成像装置，涉及用离子速度成像技术对正负离子以及电子的三维信息进行切片成像的装置，它包括：惰性气体载气源、减压阀、样品池、真空腔体、前级干泵、分子泵、脉冲阀、漏勺、离子透镜组、微通道板、荧光板、CCD相机、计算机及同步激光源。本发明将传统的离子速度成像系统中的离子透镜设计为多级离子透镜、并且结合快速响应的微通道板、荧光板以及超高时间分辨的增强型CCD相机，在时间尺度上极大的拉伸了离子云，使得离子切片成像的精度达到5ns，提高了时间分辨率，解决了图像模糊化问题，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于分子反应动力学领域，涉及用离子速度成像技术对正负离子以及电子的三维信息进行切片成像，具体地说是一种分子光解离电离速度成像装置。
背景技术
分子光解动力学是分子反应动力学的一个重要领域。光解动力学不仅研究单体分子与激光的相互作用，而且是控制双分子，甚至多分子体系化学反应的重要手段。由于近年来，对于选定的内能态的制备，获得特定的反应产物或者选择特定的反应通道成为分子反应动力学的热点和焦点，因此，测量相关光解产物或者光解碎片的量子态，特别是其角度分布和速度分布就成为必需。
从上个世纪70年代开始，人们就开始利用光谱的方法测量不同产物的量子态布局，或者利用平动能-质谱方法测量产物的速度分布。将二者结合起来就发展出能同时测量产物的内能态和相关速度的技术，如共振增强多光子电离-飞行时间技术和多普勒光谱技术。但这两种技术的缺陷在于都只能测量速度分布在一个方向上的投影，不能完整的反演反应动力学初始时刻的角度分布。
80年代后期，特别是90年代中期速度成像技术的成熟，使得离子速度成像的方法成为最理想的光解动力学实验的技术。离子速度成像技术是在类似于飞行时间质谱仪装置的基础上，引进离子透镜，对空间位置不同，但速度相同的离子进行汇聚，使得它们分布在位敏检测器的相同位置，并在其后连接荧光板，最后用CCD相机成像。其优点在于，当平行于探测器表面的线偏振光与样品反应后，所产生的离子因其速度不同而在检测器表面形成二维分布的图像。对该图像进行逆阿贝尔变换或者汉克尔变换，即可得到不同产物在不同态上的全部三维速度分布。但缺点在于，限制了激光的偏振方向，而且在图像处理的过程中了引入了大量的人工噪声。
进入21世纪以来，随着人们对分子反应动力学的深入研究，人们发现反应产物或者离子碎片三维分布中的“赤道截面”实际上包含了所有的角度和速度信息，因此如果能直接获得“赤道截面”的切片图像，那么就不需要对图像进行二维到三维的变换，同时人工噪声将不会被引入，激光的偏振方向也不再受到限制，于是切片成像技术成为了解反应动力学过程的重要手段。2003年，Kitsopoulos小组利用脉冲场控制的方法成功实现了对离子云的切片。他们在原有离子速度成像的系统中，加入了两个高压脉冲场，其中一个用来控制离子透镜高压的延迟，从而获得更长的离子云；另外一个用来控制MCP进行门控，选取合适的切片图像。这个方法的缺点在于，快上升沿的高压脉冲很难获得，因此切片的精度不能很高，而且会使得图像变模糊。
发明内容
本发明的目的是提供一种分子光解离电离速度成像装置，该装置在传统的离子速度成像技术基础上，采用了多级离子透镜的方式，并且加长了离子飞行腔的长度，使得离子云扩散的时间尺度达到了几百个纳秒，同时利用快速响应微通道板，信号快速衰减的荧光板，以及超高时间分辨率的增强型CCD相机进行成像，保证了切片的时间精度达到纳秒量级，使得切片成像的精度和准确度都大大提高，而且避免了由高压脉冲场引起的图像模糊化问题。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种分子光解离电离速度成像装置，该装置包括：惰性气体载气源、减压阀、第一载气管、样品池、第二载气管、真空腔体、前级干泵、分子泵、脉冲阀、漏勺、离子透镜、微通道板、荧光板、脉冲电源、第一高压直流电源、第二高压直流电源、第三高压直流电源、CCD相机、计算机、激光及二维调节盘；
真空腔体由一横向设置及一纵向设置的两矩圆柱形腔体连接而成，其漏勺设于两腔体内贯通处，两腔体分别设有前级干泵及分子泵；纵向设置的腔体内设有脉冲阀，横向设置的腔体内设有离子透镜、微通道板及荧光板；
减压阀两端分别连接惰性气体载气源和第一载气管，第一载气管伸入样品池、端口位于样品液液面以下，样品池密闭；第二载气管一端伸入样品池、位于样品液液面以上，另一端穿过真空腔体体壁与其内的脉冲阀连接；脉冲阀连接到真空腔体外的脉冲电源；漏勺置于脉冲阀的中心线上，与脉冲阀同轴；
二维调节盘置于纵向设置的腔体顶部，呈圆盘状，中心位置有小孔，与脉冲阀同轴；第二载气管通过此小孔与脉冲阀相连；二维调节盘包含两组相互垂直的微调节螺旋杆，两组杆分别在两个方向上移动0～28mm，以此调节脉冲阀的位置，保证脉冲分子束与同步激光在离子透镜的位置相互作用；
离子透镜包括：第一极板、第二极板、第三极板、第四极板及漂移极极板组，各板均为中心开有圆孔的不锈钢圆板并沿横向设置腔体轴线放置；漂移级级板组由依次连接的九块相同的不锈钢圆板组成；第一极板、第二极板、第三极板及第四极板分别连接到真空腔体外的第一高压直流电源，漂移极极板组接地；脉冲阀和漏勺的中心线与横向设置腔体轴线垂直且位于第一极板，第二极板之间的中心位置；
微通道板及荧光板置于真空腔体法兰接口处的内壁上并与离子透镜同轴；微通道板的两端分别连接到真空腔体外的第二高压直流电源，荧光板连接到真空腔体外的第三高压直流电源；CCD相机设置于真空腔体外、与微通道板及荧光板同轴；CCD相机连接计算机；
激光入射到第一极板和第二极板的中心位置，垂直于横向腔体的中心轴线，垂直于脉冲阀和漏勺的中心线；
前级干泵与分子泵连通；前级干泵和分子泵保证真空腔体的工作压强在10-6～10-7mbar。
所述第一极板，第二极板，第三极板，第四极板分别为直径135～145mm，厚度1～2mm，孔径5mm～40mm的不锈钢圆板；漂移极极板组中每个极板直径135～145mm，厚度8～12mm，孔径80～120mm，所有极板两两之间保持特定的距离；所有极板加载不同的电压，极板与极板之间的电压比针对不同离子设定为不同值。
所述真空腔体的横向飞行腔长度为1000～1500mm，与离子透镜、微通道板及荧光板同轴。
所述微通道板采用快速响应高灵敏度微通道板，信号响应时间小于500ps；荧光板的荧光衰减时间(信号强度从90％衰减到10％)小于100ns。
所述CCD相机采用纳秒级时间分辨的增强型CCD相机，最短曝光时间不大于2ns。
所述脉冲电源为脉冲阀提供脉冲电源；第一高压直流电源分别为第一极板，第二极板，第三极板，第四极板，漂移极极板组提供正/负高压；第二高压直流电源为微通道板提供高压；第三高压直流电源为荧光板提供高压。
本发明的优点是：极大的提高了离子速度成像技术的时间分辨率，使得切片成像的精度和准确度都大大提高，而且避免了由高压脉冲场引起的图像模糊化问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为本发明中离子透镜示意图
图3为飞行腔长1000mm时，离子透镜的聚焦效果图
图4为飞行腔长500mm时，离子透镜的聚焦效果图
图5为飞行腔长1000mm时，离子云的拉伸效果图
图6为飞行腔长500mm时，离子云的拉伸效果图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参阅图1，图中：1为惰性气体载气源，2为减压阀，3为第一载气管，4为样品池，5为第二载气管，6为真空腔体，7为前级干泵，8为分子泵，9为脉冲阀，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为漂移极极板组，16为微通道板，17为荧光板，18为脉冲电源，19为第一高压直流电源，20为第二高压直流电源，21为第三高压直流电源，22为CCD相机，23为计算机，24为激光，25为二维调节盘。
参阅图2，图中：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为漂移极极板组，16为微通道板，17为荧光板，19为第一高压直流电源，20为第二高压直流电源，21为第三高压直流，24为同步激光，“·”处为同步激光24与分子束相互作用点。
图3、图4是离子透镜在长度不同的飞行腔内，对于相同离子的聚焦性能图，当飞行腔长为1000mm时，离子的聚焦倍数为80；当飞行腔长度为500mm时，离子的聚焦倍数为16.7。
图5、图6是离子透镜在长度不同的飞行腔内，对于相同离子团的拉伸效果图，当飞行腔长为1000mm时，离子团可以被拉伸到263ns；当飞行腔长度为500mm时，离子团可以被拉伸到142ns。
参阅图1，本发明由惰性气体载气源1、减压阀2、第一载气管3、样品池4、第二载气管5、真空腔体6、前级干泵7、分子泵8、脉冲阀9、漏勺10、离子透镜、微通道板16、荧光板17、脉冲电源18、第一高压直流电源19、第二高压直流电源20、第三高压直流电源21、CCD相机22、计算机23、激光24及二维调节盘25组成。
真空腔体6由一横向设置及一纵向设置的两圆柱形腔体连接而成，其漏勺10设于两腔体内贯通处，两腔体分别设有前级干泵7及分子泵8；纵向设置的腔体内设有脉冲阀9，横向设置的腔体内设有离子透镜、微通道板16及荧光板17。
减压阀2两端分别连接惰性气体载气源1和第一载气管3，第一载气管3与样品池4连接，样品池4封闭，当样品池4中放入样品后，第一载气管3末端位于样品液液面以下；第二载气管5一段与样品池4连接，另一端穿过真空腔体体壁与脉冲阀9连接，样品池4封闭，当样品池4中放入样品后，第二载气管5一端位于样品液液面以上；脉冲阀9连接到真空腔体6外的脉冲电源18；漏勺10置于脉冲阀9的中心线上，与脉冲阀9同轴。
二维调节盘25置于真空腔体6顶部，呈圆盘状，中心位置有小孔，与脉冲阀9同轴，第二载气管5通过此小孔与脉冲阀9相连。二维调节盘25包含两组相互垂直的微调节螺旋杆，两组杆分别可以在两个方向上移动0～28mm，以此调节脉冲阀9的位置，不但可以保证脉冲分子束与同步激光24在第一极板11，第二极板12之间的中心位置相互作用，而且可以使得离子碎片在离子透镜的最佳位置成像。
离子透镜包括：第一极板11、第二极板12、第三极板13、第四极板14及漂移极极板组15，漂移级级板组15由依次连接的9块相同的不锈钢圆板组成；各板均为中心开有圆孔的不锈钢圆板并沿真空腔体6的横向飞行腔中心线放置，此横向飞行腔的设计不同于传统的时间-飞行腔和普通的离子速度成像室，它的长度更长，约1000mm。第一极板11、第二极板12、第三极板13及第四极板14分别连接到真空腔体外的第一高压直流电源19，漂移极极板组15接地；脉冲阀9和漏勺10的中心线与真空腔体6的横向腔体轴线垂直，且位于第一极板11及第二极板12之间的中心位置；第一极板11、第二极板12、第三极板13、第四极板14及漂移极极板组15与微通道板16、荧光板17同轴。多级离子透镜结合加长飞行腔的设计对于切片速度成像有两个优点：第一，离子的聚焦效果更好；第二，离子团的拉伸效果更明显。
微通道板16及荧光板17置于真空腔体6法兰接口处内壁上；微通道板16采用的是快速时间响应的微通道板，其最小时间分辨精度为小于500ps，其前后两端分别连接到第二高压直流电源20，荧光板17的荧光信号衰减时间非常短，信号强度从90％下降的10％所需要的时间仅为100ns。将其连接到第三高压直流电源21；CCD相机22的最短曝光时间可以达到2ns，提高了离子团的切片精度，CCD相机22放置于真空腔体6外，与微通道板16、荧光板17同轴；CCD相机22连接到计算机23。
激光24入射到第一极板11和第二极板12的中心位置，垂直于真空腔体的中心线，垂直于脉冲阀9和漏勺10的中心线。
前级干泵7与分子泵8连通，分子泵8与真空腔体6连通；前级干泵7和分子泵8保证真空腔体6的压强在10-6～10-7mbar。
本发明的工作流程为：
前级干泵7和分子泵8的工作保证整个真空腔6中的工作压强在10-6～10-7mbar之间，稀有气体载气源1中的气体经过减压阀2减压以后由第一载气管3进入样品池4，样品池为待测液体样品，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过载气管5到达脉冲阀9，经过二维调节盘25的校准后，脉冲阀9喷出的分子束经漏勺10准直后将飞到第一极板11和第二极板12的中间位置，并与同步的激光24在同一位置相互作用。经过飞秒激光的作用后，分子束中的分子将发生库仑爆炸或者解离电离为离子。对于不同极性的离子或者电子，第一极板11，第二极板12，第三极板13，第四极板14将分别加载不同的正高压或者负高压，保证离子团中不同空间位置但速度相同的离子入射到微通道板16的同一位置。由于飞行腔的长度在1000mm～1200mm左右，离子团将被拉伸到几百个纳秒的范围，此时，调节CCD相机20中的扫描区间和扫描门宽，将荧光板17上的图像积分后逐个采集。这样就获得了不同离子信号的切片图像信息，通过对这些图像的分析，就可以反演分子反应动力学的全过程。
Claims (2)
1.一种分子光解离电离速度成像装置，其特征在于该装置包括：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)、真空腔体(6)、前级干泵(7)、分子泵(8)、脉冲阀(9)、漏勺(10)、离子透镜、微通道板(16)、荧光板(17)、脉冲电源(18)、第一高压直流电源(19)、第二高压直流电源(20)、第三高压直流电源(21)、CCD相机(22)、计算机(23)、激光(24)及二维调节盘(25)；
真空腔体(6)由一横向设置及一纵向设置的两圆柱形腔体连接而成，漏勺(10)设于两腔体内贯通处，两腔体分别设有前级干泵(7)及分子泵(8)；纵向设置的腔体内设有脉冲阀(9)，横向设置的腔体内设有离子透镜、微通道板(16)及荧光板(17)；
减压阀(2)两端分别连接惰性气体载气源(1)和第一载气管(3)，第一载气管(3)伸入样品池(4)，端口位于样品液液面以下，样品池(4)密闭；第二载气管(5)一端与样品池(4)连接，其端口位于样品池(4)中样品液液面以上，另一端穿过真空腔体(6)体壁与其内的脉冲阀(9)连接；脉冲阀(9)连接到真空腔体(6)外的脉冲电源(18)；漏勺(10)置于脉冲阀(9)的中心线上，与脉冲阀(9)同轴；
离子透镜包括：第一极板(11)、第二极板(12)、第三极板(13)、第四极板(14)及漂移级极板组(15)，各板均为中心开有圆孔的不锈钢圆板并沿横向设置腔体轴线放置；漂移级极板组(15)由依次连接的九块相同的不锈钢圆板组成；第一极板(11)、第二极板(12)、第三极板(13)及第四极板(14)分别连接到真空腔体(6)外的第一高压直流电源(19)，漂移级极板组(15)接地；脉冲阀(9)和漏勺(10)的中心线与横向设置腔体轴线垂直且位于第一极板(11)，第二极板(12)之间的中心位置；
二维调节盘(25)置于纵向设置的腔体顶部，呈圆盘状，中心位置有小孔，与脉冲阀(9)同轴；第二载气管(5)通过此小孔与脉冲阀(9)相连；二维调节盘(25)包含两组相互垂直的微调节螺旋杆，两组杆分别在两个方向上移动0～28mm，以此调节脉冲阀(9)的位置，保证脉冲分子束与同步激光(24)在第一极板(11)，第二极板(12)之间的中心位置相互作用；
微通道板(16)及荧光板(17)置于真空腔体(6)法兰接口处的内壁上并与离子透镜同轴；微通道板(16)的两端分别连接到真空腔体(6)外的第二高压直流电源(20)；荧光板(17)连接到真空腔体(6)外的第三高压直流电源(21)；CCD相机(22)设置于真空腔体(6)外，与微通道板(16)及荧光板(17)同轴；CCD相机(22)连接计算机(23)；真空腔体(6)的横向飞行腔长度为1000～1500mm，与离子透镜、微通道板(16)及荧光板(17)同轴；微通道板(16)采用快速响应高灵敏度微通道板，信号响应时间小于500ps；荧光板(17)的荧光衰减时间小于100ns；CCD相机(22)采用纳秒级时间分辨的增强型CCD相机，最短曝光时间不大于2ns；
激光(24)入射到第一极板(11)和第二极板(12)之间的中心位置，垂直于横向腔体的轴线，垂直于脉冲阀(9)和漏勺(10)的中心线；
前级干泵(7)与分子泵(8)连通；前级干泵(7)和分子泵(8)保证真空腔体(6)的工作压强在10-6～10-7mbar。
2.根据权利要求1所述的分子光解离电离速度成像装置，其特征在于第一极板(11)，第二极板(12)，第三极板(13)，第四极板(14)分别为直径135～145mm，厚度1～2mm，孔径5mm～40mm的不锈钢圆板；漂移级极板组(15)中每个极板直径135～145mm，厚度8～12mm，孔径80～120mm，各极板加载不同的电压，极板与极板之间的电压比针对不同离子设定为不同值。
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