CN103165393A - 一种高价离子的产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高价离子的产生装置，该装置通过激光聚焦后打在团簇上产生高价离子。用0.1～2MPa高压气体或高压气体携带样品，经电磁脉冲阀喷入束源室，超声膨胀后形成团簇，然后经过差分小孔进入到电离室。当团簇达到激光焦斑处时，激光出光电离产生高价离子。本发明采用团簇与激光相互作用产生高价离子，优点是：高价离子的价态高，离子流大，离子能量高。

Description

一种高价离子的产生装置

技术领域

本发明涉及质谱电离源、高价离子刻蚀和表面处理领域。特别涉及真空材料表面处理领域。

背景技术

团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体。其广泛的存在于自然界和人类的各种活动中。作为一种介于宏观物质和原子、分子的过渡状态，团簇有很多独特的性质。

激光作为团簇研究的一种有效手段，一直受到人们的关注。近些年来，随着激光技术的快速发展，团簇与激光相互作用成为一个研究热点。团簇有着对光的吸收效率高，在真空中有限的区域热不易向外传导等特点。团簇在与激光发生相互作用下能够产生多价离子，且这些多价离子也拥有10～2MeV的平动能。

在离子源方面，高价离子自身具有很高的电势，用其电离生物及有机大分子样品将供更多的物质结构信息。高价离子电离是利用其高电势，而EI电离是利用电子的能量，两者的电离机理存在着本质的区别。在医学方面，高价离子治疗癌症比传统的放射性在生理学上有很大的优越性。

在材料学领域，高价离子注入制备纳米材料是一个非常前沿的科技，用其处理过的材料拥有良好的特性。此外，高价离子在表面刻蚀、印刷电路、半导体方面都也有应用。

电子回旋共振离子源(Electron Cyclotron Resonance ionsources)、电子束离子源(electron beam ion sources)和同步辐射(synchrotron radiation)等被应用于产生高价离子，但这些方法有着仪器体积庞大，运行费用高昂等特点。

团簇与激光相互作用产生高价离子的优点是，团簇不断更新，成本低、仪器体积小、高价离子的价太高，离子流大，高价离子能量高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高价离子的产生装置，为实现这一目的。

本发明采用的技术方案为：

一种高价离子的产生装置，包括样品池、电磁脉冲阀、束源室、差分小孔、电离室和脉冲激光光源；

所述的束源室和电离室均为一中空的密闭箱体，束源室和电离室的侧壁面相贴接。束源室和电离室上均设有与分子泵相连的排气口；

所述样品池的具体结构如下：

上端开口的样品池内装填有液体样品，开口处设有密封盖，密封盖与样品池之间通过O圈将样品池密封；样品池的密封盖上设有气体入口和气体出口。气体入口端接接高压气源，高压气体通过管路直接进入样品池底部，样品池底部的管一端设置有气体分布器。气体分布器为一中空箱体，箱体表面密布有半径为0.2～5mm的小孔；管一端伸入气体分布器的空腔内；高压气体从小孔冒出时，形成的气泡均匀且小，从样品表面冒出时携带大量的样品。气体出口通过管路连接于伸入束源室的电磁脉冲阀的一端。

所属的电磁脉冲阀的正下端面向束源室和电离室贴接的一侧壁面，在管路出口正下方的束源室的壁面上设有与电离室相通的差分小孔，使束源室和电离室相通。差分小孔为中空的台状圆锥。中心孔从圆锥顶端到圆锥底端逐渐增大；

在电离室的侧壁上设有光窗，并于光窗外设有脉冲激光光源，激光光源发出的激光通过光窗进入电离室内；激光焦点处设置有样品靶，真空室上设置有样品靶取出/放入口，样品靶取出/放入口处设有密封盖。

所述的束源室和电离室外侧的开口与排气系统相连，电磁脉冲阀气体出口、差分的小孔、激光焦点处于同轴位置。

本发明采用团簇与激光相互作用产生高价离子，优点是：高价离子的价态高，离子流大，离子能量高。

附图说明

图1为高价离子源产生装置示意图：1-样品池；2-电磁脉冲阀；3-束源室；4-差分小孔；5-电离室；6-脉冲激光光源；7-小孔；8-O圈；9-管路；10-管路。

图2为Kr团簇的激光电离高价离子质谱图。

图3为苯团簇的激光电离高价离子质谱图。

具体实施方式

本发明是提供一种高价离子的产生装置如图1所示，包括样品池1、电磁脉冲阀2、束源室3、差分小孔4、电离室5和激光6。高压气体通过样品池1携带样品蒸汽至电磁脉冲阀2。电磁脉冲阀2的前端处于束源室3内部，束源室3与电离室5相连。电离室5与束源室3通过一小孔4隔开，电离室5壁上面有玻璃窗用于激光6发射的高能光束通过。

0.1MPa～2MPa的高压气通过管子9直接通到样品池1的底部，样品蒸汽被高压气体携带通过管10进入电磁脉冲阀2。样品池通过螺钉挤压O圈8密封，高压气体从样品池底部冒出时，出口由半径为0.2～5mm密布的小孔7组成。气泡均匀且小，从样品表面冒出时携带的大量的样品。

电磁脉冲阀2的前端直接深入到束源室3内，携带样品的高压气体从电磁脉冲阀喷出，在束源室3内发生超声膨胀形成团簇。束源室3的压强可以通过电磁脉冲阀2的频率和脉宽控制。团簇向下运动时，经过束源室3与电离室中间的差分小孔4，使一部分团簇通过差分小孔4进入电离室。电离室的压强可以通过电磁脉冲阀到小孔的距离及小孔的尺寸进行调节。

团簇进入电离室5后继续运动，小尺寸的团簇由于质量小运动速度快，大尺寸团簇的质量大运动慢。在向激光焦斑11运动的过程中不同尺寸的团簇相互分离，激光照射到团簇表面后产生高价离子。通过脉冲发生器来控制电磁脉冲阀2、与激光6的相对延迟，从而控制激光与团簇相互作用的位置。采用多束激光电离，激光之间的延迟通过脉冲发生器控制在0.01ps～100ps。

激光与团簇产生的高价离子既可以用来轰击样品靶使材料改性，也可以用作质谱离子源。

实施例1

利用0.25Mpa的Ar载气通过装苯的样品池，携带苯样品至电磁脉冲阀处喷入束源室中，经超声膨胀形成团簇。一部分团簇经过束源室和真空室之间的小孔到达电离室。激光出光照射到苯团簇上面，产生高价离子。利用飞行区为500mm的飞行时间质谱检测，测到的高价离子质谱图如图2所示。本发明装置可以产生C⁴⁺的高价离子

实施例2

利用0.4Mpa的Kr气体，直接通过空的样品池到达电磁脉冲阀，经电磁脉冲阀将高压的Kr气体喷入束源室中，超声膨胀形成Kr团簇。一部分团簇经束源室和真空室之间的小孔到达电离室。激光出光照射到Kr团簇上面，产生Kr高价离子。利用飞行区为500mm的飞行时间质谱检测，测到的高价离子质谱图如图3所示。本发明装置可以产生Kr¹⁵⁺的高价离子。

Claims (6)

1.一种高价离子的产生装置，其特征在于：包括样品池(1)、电磁脉冲阀(2)、束源室(3)、差分小孔(4)、电离室(5)和脉冲激光光源(6)；

束源室(3)和电离室(5)均为一中空的密闭箱体，束源室(3)和电离室(5)的一侧壁面相贴接，管路(10)一端接高压气源，另一端伸入束源室(3)内，于束源室(3)内的管路出口端设有电磁脉冲阀(2)，管路出口面向束源室(3)和电离室(5)贴接的一侧壁面，在管路出口正前方的束源室(3)的壁面上设有与电离室(5)相通的差分小孔(4)；

在电离室(5)的侧壁上设有光窗，并于光窗外设有脉冲激光光源(6)，激光光源(6)发出的激光通过光窗进入电离室(5)内；

束源室(3)和电离室(5)上均设有与分子泵相连的排气口；

一脉冲发生器，分别通过导线与电磁脉冲阀(2)和脉冲激光光源(6)连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：激光焦点(11)处设置有样品靶，真空室(5)上设置有样品靶取出/放入口，样品靶取出/放入口处设有密封盖。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述高价离子的产生装置包括样品池(1)；

具体结构为：上端开口的样品池(1)内装填有液体样品，管(9)伸入样品池(1)底部，通往样品池(1)底部的管(9)一端设置有气体分布器，另一端接高压气源；

样品池(1)的上端开口设有密封盖，密封盖与样品池间通过O圈(8)将样品池(1)密封；样品池(1)的密封盖上设有气体出口，气体出口通过管路(10)伸入束源室(3)内。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

差分小孔(4)为中空的台状圆锥。中心孔从圆锥顶端到圆锥底端逐渐增大；

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

气体分布器为一中空箱体，箱体表面密布有半径为0.2～5mm的小孔(7)；管(9)一端伸入气体分布器的空腔内；高压气体从小孔冒出时，形成的气泡均匀且小，从样品表面冒出时携带大量的样品。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

电磁脉冲阀(2)气体出口、差分小孔(4)、激光焦点(11)处于同轴位置。

Images