CN104597112A - 一种时间分辨的带电粒子成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种时间分辨的带电粒子成像装置。该装置包括飞秒激光系统、延迟光路系统、真空系统、束源系统、带电粒子速度聚焦电极组、外磁场屏蔽系统、带电粒子成像探测器和图像采集系统。所述装置结合了飞秒超快时间分辨技术、带电粒子速度聚焦成像技术，可以测量带电粒子的高分辨的能谱和角度分布的实时变化信息，从而实现对中性原子或分子体系激发态超快动力学过程的探测。为了得到详细的原子与分子激发态动力学信息，发展具有超快时间分辨功能的实验方法变得尤其重要。
Description
技术领域
本发明涉及微观化学反应动力学领域，具体地说是一种用于探测分子激发态超快动力学过程的时间分辨的带电粒子成像装置，可以实现对中性分子体系电子激发态超快动力学信息的实时探测。
背景技术
微观化学反应动力学的主要目的旨在原子与分子水平上揭示化学反应过程是如何进行的。而为了达到上述目的，许多特定的实验方法和技术被发展出来用于探测反应过程中特定碰撞能反应物反应后的总的反应界面，产物的速度和角度分布，产物的量子态分布，产物角动量的取向和定向以及反应物的取向和定向对反应所造成的影响等等。具体而言，上述测量的目的在于得到愈发详细和准确的结果并与理论计算的结果相对比，从而真正意义上实现在原子与分子水平上理解化学反应过程是如何进行的。
激光和分子束是微观化学反应动力学实验过程中最为常用的实验技术。利用分子束技术可以制备出确定的速度分布以及运动方向的反应物，从而使得研究化学反应过程的直接属性成为可能。结合激光技术，我们还可以得到特定量子态的反应物，从而实现真正意义上的态态反应。另外，利用光解技术还可以制备出特定的量子态分布的自由基，大大的扩展了研究基元反应的体系的范围。近年来，结合激光以及电子与自动控制技术的发展，人们可以更加精确的控制反应物比如分子束的速度，初始的量子态分布等信息，上述技术的发展使得对分子水平上化学反应的进行的理解更加深入。而对于微观化学反应产物的探测技术同样也随着领域的发展并且得到了长足的进步。在产物的速度分布探测方面，特殊设计的转动质谱探测器，速度成像技术等被用来探测产物的速度分布的信息。而对于产物的量子态的分布则主要是通过结合激光技术的激光诱导荧光，吸收光谱，共振增强多光子电离等手段得到。这些技术的发展和应用对于我们理解和实现对化学反应过程的准确认识将会起到尤其重要的作用。
作为微观反应动力学的一个重要研究方向，原子与分子激发态的光谱和动力学信息对于了解体系的电子结构与电子运动，核与电子间的相互作用，分子内的能量转移等过程有着及其重要的作用。而用于此的研究手段也如前所述，可以通过结合激光技术的激光诱导荧光，吸收光谱，共振增强多光子电离等技术得到。另外，光电子能谱技术以及质谱技术也是极为常见的探测手段，尤其是光电子能谱技术已经可以得到很高分辨的激发态能级信息。
尽管上述的实验方法和手段已经被证明可以得到非常良好的激发态信息，但是对于激发态所表现出来的动力学过程，比如激发态上所发生的内转换，系间穿越等过程则是无法直接的探测。另外，上述的这些激发态过程多是发生在超快的时间尺度（约10-15妙）上，常规的探测手段已经不能满足对上述过程的探测。因此为了得到详细的原子与分子激发态动力学信息，发展具有超快时间分辨功能的实验方法变得尤其重要。
发明内容
本发明是鉴于以上的事实而做出的，其目的在于提供一种时间分辨的带电粒子成像装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种时间分辨的带电粒子成像装置，包括：
（a）飞秒激光系统用于产生超短激光脉冲，脉冲宽度10飞秒至1000飞秒，上述激光脉冲宽度范围足以实现对微观领域超快过程的实时探测；
（b）延迟光路系统是利用上述飞秒激光系统所产生的超短激光脉冲实现超快时间分辨技术的光路系统；
（c）真空系统包括两级真空系统，分别是束源室，即真空泵组1、和离化室，即真空泵组2；
（d）束源系统在束源室中产生用于研究的超声原子、分子或者中性团簇束；
（e）带电粒子速度聚焦电极组将具有相同动能的带电粒子投射在空间平面的同一点上；
（f）外磁场屏蔽系统用于屏蔽地磁场，避免离子或者电子在无场飞行区域运动时受到外界电磁场的干扰；
（g）带电粒子成像探测器对聚焦后的电子信号进行放大同时对其聚焦的位置进行成像；
（h）图像采集系统采集带电粒子成像探测器所成的带电粒子信号的图像，进行定量的数据分析。
进一步地，所述飞秒激光系统所产生的超短激光脉冲的基频光的脉冲宽度范围在10飞秒至1000飞秒，频率在10赫兹至10千赫兹，光谱中心在810纳米，光谱宽度5纳米至70纳米。
进一步地，所述延迟光路系统可将上述的飞秒激光系统（1）所产生的超短激光脉冲的基频光分解成3条光路，光路1可以将基频光进行倍频或者三倍频生成405(±20)纳米或者270(±10)纳米的激光脉冲，光路2将基频光通过步进电极精密控制的光学延迟平台，光路3将基频光通过光参量放大器，可以500纳米至2100纳米光谱范围内的超短激光脉冲。光路1和光路3都可以与光路2组合形成具有相对光程延迟的时间分辨的光路系统。
进一步地，所述延迟光路系统中的光路2所使用的步进电极精密控制的光学延迟平台的单步移动距离为0.3微米至300微米，从而使光路2的时间分辨本领在2飞秒至2000飞秒之间。
进一步地，所述真空系统采用两级真空，每级真空系统均采用机械泵做前级泵粗抽真空，之后再用分子泵对真空室进行精抽，从而达到更高的真空环境。
上述真空系统在束源系统未工作时，真空度均高于10-4帕；当束源系统工作时，真空系统的真空度均高于10-3帕。
上述真空系统包含有束源系统的真空室称为束源室，另外一级真空室称为离化室，束源室与离化室之间有一个隔离锥相连，隔离锥的开孔大小为0.5毫米至5毫米，立体角度为10度至150度，锥尖方向指向束源室。
进一步地，束源系统可用于产生气相，液相以及部分固相研究体系的超声束源；对于气相体系，将该气相体系与载气混合后通过脉冲阀注入束源室形成超声束源；液相和固相体系借助于载气利用蒸汽压将体系原子或分子等注入束源室形成超声束源。
进一步地，带电粒子速度聚焦电极组由三片圆环电极组成：这三片圆环电极的外径为60毫米至200毫米，第一片电极中心开孔直径在0.5毫米至5毫米，第二片电极中心开孔直径在5毫米至50毫米，第三片电极中心开孔在5毫米至50毫米。上述三片电极之间的间距在5至50毫米。
上述带电粒子速度聚焦电极组的各电极由金属材料加工而成，包括不锈钢、铜或者铝。
进一步地，外磁场屏蔽系统为一金属圆筒，材料为μ合金的金属圆筒，筒壁后0.2毫米至2毫米，长度为5厘米至50厘米，所述金属圆筒的材料为μ合金。
进一步地，束源系统产生的超声束源经过隔离锥准直后进入离化室，并在带电粒子速度聚焦电极组内与经过透镜聚焦的延迟光路系统相互作用，束源系统产生的分子束被具有时间分辨功能的激光脉冲电离，电子经过被带点粒子速度聚焦电极组投射在带电粒子成像探测器上。
进一步地，带电粒子成像探测器由微通道板和荧光屏组成，可以对探测到的电子信号进行放大并且由荧光屏对放大后的信号进行成像。
进一步地，图像采集系统为一高速CCD相机，该高速CCD相机可以捕获荧光屏上所成的电子信号经过放大的图像。
尽管上述的实验方法和手段已经被证明可以得到非常良好的激发态信息，但是对于激发态所表现出来的动力学过程，比如激发态上所发生的内转换，系间穿越等过程则是无法直接的探测。另外，上述的这些激发态过程多是发生在超快的时间尺度（约10-15妙）上，常规的探测手段已经不能满足对上述过程的探测。因此为了得到详细的原子与分子激发态动力学信息，发展具有超快时间分辨功能的实验方法变得尤其重要。
附图说明
图1本发明实施例的原理侧视图；
图2本发明实施例测量苯甲醛不同电子态的动力学过程衰减曲线；
图3本发明实施例吡咯的激发态动力学过程衰减曲线；
图4本发明实施例吡咯激发态时间分辨的光电子图像；
图4a本发明实施例吡咯激发态时间分辨的光电子在相对延迟时间为0飞秒时采集得到的光电子图像；
图4b本发明实施例吡咯激发态时间分辨的光电子时间相对延迟经过600飞秒后采集得到的光电子图像。
其中，1-飞秒激光系统；2-延迟光路系统；3-真空系统；4-束源系统；5-带电粒子速度聚焦电极组；6-外磁场屏蔽系统；7-带电粒子成像探测器；8-图像采集系统。
附图中的侧视图为示意性的且未按照比例绘制。不过不同的附图中相同或相似的部件均在附图中给出相同的标记。
具体实施方式
下述示例旨在通过具体的测试阐述本发明所具有的一些属性和优点。
本发明是按照如下方式设计的时间分辨的带电粒子成像装置。如图1所示，具体到本实施例，该时间分辨的带电离子成像装置由飞秒激光系统1、光路系统2、真空系统3、束源系统4、带电粒子速度聚焦电极组5、外磁场屏蔽系统6、带电粒子成像探测器7和图像采集系统8。所述装置结合了飞秒超快时间分辨技术、带电粒子速度聚焦成像技术，可以测量带电粒子的高分辨的动能谱和角度分布的实时变化信息，从而实现对中性原子或分子体系激发态超快动力学过程的探测。
实施例1
苯甲醛时间分辨的超快衰减动力学曲线测量
本实施例测试用来说明该时间分辨的带电粒子成像装置的时间分辨特性。首先，利用氦气作为载气，通入分析纯的苯甲醛液体中，形成混合有苯甲醛分子的混合气体。该混合气体流经脉冲阀，通过超声扩散的方式注入第一级真空腔体，形成超声分子束。该分子束经过隔离锥进行方向准直，从而在第二级真空腔体中得到具有单一方向的超声分子束。
在本实施例中，飞秒激光系统1输出的激光波长在810纳米，通过延迟光路系统2可以形成具有时间分辨的光路。具体到本实施例，首先利用延迟光路系统2中的光路1和光路2得到具有相对延迟的两束飞秒脉冲激光，波长分别为270纳米与405纳米。其中，405纳米波长的激光是基频光倍频之后产生的倍频光，让其经过精密控制的延迟平台。而光路1则是通过对飞秒激光系统1输出的基频光进行三倍频，得到270纳米的激光。上述具有相对延迟的两束飞秒脉冲激光与之前制备的超声分子束在带电粒子速度聚焦电极组5区域的第一片和第二片电极之间相互作用。该相互作用过程具体而言，经过延迟光路系统2得到的具有相对延迟的飞秒激光脉冲中的270纳米的激光首先将超声分子束中的苯甲醛分子激发到特定的激发态，而后由另外一束405纳米的飞秒激光将该超声分子束中被激发的分子电离。电离后形成的产物被带电粒子速度聚焦电极组5投射到带电粒子成像探测器上，扫描270纳米和405纳米两束光的相对延迟时间，可以得到苯甲醛离子信号强度的变换曲线，而该曲线表示的便是苯甲醛分子处于特定激发态时的超快动力学信号。
另外，结合光参量放大器，对延迟光路系统2的光路3输出光路进行倍频，可以得到可调谐紫外区域的波长。如图2所示，该图中的点画线便是测得的有光路3输出的倍频光280纳米飞秒激光脉冲做激发，光路2输出的405纳米的飞秒激光做探测的到的苯甲醛分子激发态的超快动力学曲线。另外，图2中的插图所示的是利用氙气作为标准体系测量时间分辨光路的时间分辨性能的图片。从图中可以清晰的得出，该实验装置的时间分辨本领在82飞秒，因此，可以实现对苯甲醛分子激发态超快动力学过程的实时探测。
实施例2
吡咯的时间分辨的光电子图像
本实施例测试旨在说明本发明的另外一个特性，可以直接测量分子电子激发态的时间分辨的光电子图像。首先，利用氦气作为载气，通入分析纯的吡咯液体中，形成混合有吡咯分子的混合气体。该混合气体流经脉冲阀，通过超声扩散的方式注入第一级真空腔体，形成超声分子束。该分子束经过隔离锥进行方向准直，从而在第二级真空腔体中得到具有单一方向的超声分子束。飞秒激光系统1输出的激光波长在810纳米，通过延迟光路系统2可以形成具有时间分辨的光路。具体到本实施例，首先利用延迟光路系统2中的光路2和光路3得到具有相对延迟的两束飞秒脉冲激光，波长分别为405纳米与329纳米。利用329纳米的飞秒激光将吡咯分子激发至特定激发态上，而后利用405纳米的飞秒激光将该被激发的分子进行电离，从而实现探测。通过扫描延迟光路系统2中作为探测光的光路2可以得到吡咯分子特定激发态的具有时间分辨的超快动力学曲线。如图3所示，即为吡咯在特定激发波长下的动力学延迟曲线。接着，选取延迟曲线中的二个特定的时间点，利用带电粒子速度聚焦电极组5将电离后产生的电子速度聚焦至带电粒子成像探测器7上，利用图像采集系统8可以实时的采集图像，如此就可以得到具有时间分辨功能的分子激发态的光电子图像，如图4所示，图4a代表的是在相对延迟时间为0飞秒时采集得到的光电子图像，而图4b则是时间相对延迟经过600飞秒后采集得到的光电子图像。通过对采集到的图像进行进一步分析，就可以重建分子特定电子激发态所包含的超快过程。
本领域技术人员将理解上面的实施例纯粹是以示例的方式给出的，并且一些改变是可能的。
Claims (11)
1.一种时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：包括：
（a）飞秒激光系统（1）用于产生超短激光脉冲，脉冲宽度10飞秒至1000飞秒，上述激光脉冲宽度范围足以实现对微观领域超快过程的实时探测；
（b）延迟光路系统（2）是利用所述飞秒激光系统（1）所产生的超短激光脉冲实现超快时间分辨技术的光路系统；
（c）真空系统（3）包括两级真空系统，分别是束源室和离化室；
（d）束源系统（4）在束源室中产生用于研究的超声原子、分子或者中性团簇束；
（e）带电粒子速度聚焦电极组（5）将具有相同动能的带电粒子投射在空间平面的同一点上；
（f）外磁场屏蔽系统（6）用于屏蔽地磁场，避免离子或者电子在无场飞行区域运动时受到外界电磁场的干扰；
（g）带电粒子成像探测器（7）对聚焦后的电子信号进行放大同时对其聚焦的位置进行成像；
（h）图像采集系统（8）采集带电粒子成像探测器所成的带电粒子信号的图像，进行定量的数据分析。
2.根据权利要求1所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：所述飞秒激光系统（1）所产生的超短激光脉冲的基频光的脉冲频率在10赫兹至10千赫兹，光谱中心在810纳米，光谱宽度5纳米至70纳米。
3.根据权利要求1所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：
所述延迟光路系统（2）将所述的飞秒激光系统（1）所产生的超短激光脉冲的基频光分解成3条光路；
光路1将基频光进行倍频或者三倍频生成405(±20)纳米或者270(±10)纳米的激光脉冲；光路2将基频光通过步进电极精密控制的光学延迟平台；光路3将基频光通过光参量放大器，为500纳米至2100纳米光谱范围内的超短激光脉冲；
光路1和光路3都能够与光路2组合形成具有相对光程延迟的时间分辨的光路系统。
4.根据权利要求3所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：所述延迟光路系统（2）中的光路2所使用的步进电极精密控制的光学延迟平台的单步移动距离为0.3微米至300微米，从而使光路2的时间分辨本领在2飞秒至2000飞秒之间。
5.根据权利要求1所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：
所述真空系统（3）采用两级真空，每级真空系统均采用机械泵做前级泵粗抽真空，之后再用分子泵对真空室进行精抽，从而达到更高的真空环境；
所述真空系统（3）在所述束源系统（4）未工作时，真空度均高于10-4帕；当所述束源系统（4）工作时，所述真空系统（3）的真空度均高于10-3帕；
所述真空系统（3）包含有束源系统（4）的真空室称为束源室，另外一级真空室称为离化室，束源室与离化室之间有一个隔离锥相连，隔离锥的开孔大小为0.5毫米至5毫米，立体角度为10度至150度，所述隔离锥的锥尖方向指向束源室。
6.根据权利要求1所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：
所述束源系统（4）用于产生气相、液相以及部分固相研究体系的超声束源；
对于气相体系，将所述气相体系与载气混合后通过脉冲阀注入束源室形成超声束源；
对于液相和固相体系，借助于载气利用蒸汽压将所述液相和固相体系原子或分子等注入束源室形成超声束源。
7.根据权利要求1所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：
所述带电粒子速度聚焦电极组（5）由三片圆环电极组成：所述三片圆环电极的外径为60毫米至200毫米；第一片电极中心开孔直径在0.5毫米至5毫米，第二片电极中心开孔直径在5毫米至50毫米，第三片电极中心开孔直径在5毫米至50毫米；
所述三片电极之间的间距在5至50毫米；
所述带电粒子速度聚焦电极组（5）的各电极由金属材料加工而成，包括不锈钢、铜或者铝。
8.根据权利要求1所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：所述外磁场屏蔽系统（6）为一金属圆筒，筒壁的厚度为0.2毫米至2毫米，长度为5厘米至50厘米；所述金属圆筒的材料为μ合金。
9.根据权利要求6所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：所述束源系统（4）产生的超声束源经过隔离锥准直后进入离化室，并在带电粒子速度聚焦电极组（5）内与经过透镜聚焦的延迟光路系统（2）相互作用，束源系统产生的分子束被具有时间分辨功能的激光脉冲电离，电子经过被带电粒子速度聚焦电极组（5）投射在带电粒子成像探测器（7）上。
10.根据权利要求1所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：所述带电粒子成像探测器（7）由微通道板和荧光屏组成，对探测到的带电粒子信号进行放大并且由荧光屏对放大后的信号进行成像。
11.根据权利要求1所述的时间分辨的带电粒子成像装置，其特征在于：所述图像采集系统（8）为一高速CCD相机，所述高速CCD相机能够捕获荧光屏上所成的电子信号经过放大的图像。
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