CN104716557A - 一种真空紫外激光发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种真空紫外激光发生装置，包括入射窗口、非线性作用主体、偏转电极以及出射窗口。其中，入射窗口、非线性作用主体和出射窗口同轴的依次装配在一起，偏转电极安装在激光作用主体内部。具体而言，可见波段激光在非线性作用主体内部与气体介质相互作用，产生处于真空紫外波段的三倍频光。偏转电极的加入设计可以明显的提高真空紫外激光产生的稳定性。在降低气体介质使用成本的同时，也可以很大程度上提高真空紫外激光的使用寿命。

Description

一种真空紫外激光发生装置
技术领域
本发明涉及一种真空紫外激光发生装置，属于质谱检测领域。
背景技术
随着质谱技术在灵敏度、分辨本领以及便携性等性能上的提高，其在环境监测领域发挥着愈发重要的作用。尤其是近年来，在二噁英等重要环境污染物的检测方面，伴随二噁英替代物的提出，进而结合质谱技术使得高效、准确的实现对二噁英的在线监测成为可能。
目前在环境监测领域，用于质谱技术的电离手段主要包括电子轰击电离、共振增强多光子电离和单光子电离等技术。电子轰击电离具有结构简单，操作方便，电离效率高，可用于电离键能较高的分子，是一种通用性比较强的电离手段。但是，这种电离技术所产生的离子碎片多，而且不适合热不稳定的化合物。尤其在对复杂样品进行检测时，如果缺乏相应的标准谱图，则对质谱的解析将会变的非常困难。共振增强多光子电离具有很高的灵敏性，并且电离效率也非常高，但是，其要求被监测物具有相应于检测激光波长的中间能级，如此变使得被检测物变得非常有限。相对于电子轰击电离和共振增强多光子电离，单光子电离技术要求被检测物的电离能小于其光子能量，其灵敏度相对较高，并且电离过程中所产生的化合物的碎片很少，非常适合作为环境监测领域质谱技术中的电离源。
由于单光电子电离技术要求其光子能量高于被检测物的电离能，因此这就需要采用真空紫外光源。目前，这类光源主要包括同步辐射光源，低压惰性气体灯和激光三倍频等方式。考虑到成本和在线监测等可能性，常用的真空紫外光源主要是低压惰性气体灯和激光三倍频。相对于低压惰性气体等，激光三倍频方式产生的真空紫外光的峰值强度要高出7-8个数量级，并且由此可以从理论上得到更高的单光子电离效率。激光三倍频通常采用的方式是利用355纳米的纳秒激光作用在介质气体中来产生三倍频光，但是，随着激光与介质气体的相互作用时间的逐渐变长，介质气体的成分将发生变化，会影响到真空紫外光的产生效率和稳定性，这些都会对检测物的分析结果造成不利影响。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供一种真空紫外激光发生装置。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种真空紫外激光发生装置，包括：入射窗口、非线性作用主体、偏转电极以及出射窗口；其中，入射窗口、非线性作用主体和出射窗口依次平行并且同轴的组装在一起，通过O圈密封；偏转电极安装在非线性主体内部，并且与非线性主体同轴；
所述入射窗口用于通过处于可见波段的激光；
所述非线性作用主体为真空紫外激光产生的区域；
所述出射窗口用于通过产生的真空紫外激光；
所述偏转电极用于清理非线性作用主体产生真空紫外激光过程中离化的气体介质。
所述入射窗口为圆柱形透明玻璃或石英介质。
所述入射窗口直径5至35毫米，厚度为0.5至5毫米。
所述非线性作用主体包括：
入射通路，用于光路传输和固定入射窗口；
真空紫外激光产生区域，侧壁安装有气路管道和真空电极柱；所述气路管道内部用于充入气体介质；所述真空电极柱用于向所述偏转电极施加电压，并且使非线性作用主体与外界保持密封；
固定法兰，一侧用于固定偏转电极，另外一侧用于固定并且密封所述出射窗口。
所述入射通路的内径为5至35毫米，长度为50至300毫米。
所述真空紫外激光产生区域的内径为30至60毫米，长度为50至150毫米。
所述气路管道所填充的气体介质为氙气或者氙气和氩气的混合气体，气体的压强为0.01兆帕至0.1兆帕；若气体介质为氙气和氩气的混合气体，则该混合气体中氙气和氩气的压强之比为0.05至0.5。
所述出射窗口为一用来透射真空紫外激光的透镜，该透镜的材料为氟化钙，直径为5至35毫米，焦距为30至300毫米。
所述偏转电极为一对长10至50毫米，宽5至25毫米，厚0.5至3毫米的电极片；两个电极片彼此平行的固定在所述非线性作用主体内，并且与所述非线性作用主体绝缘。
所述两个电极片的间距为3至20毫米，电势差为100至2000伏特。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.产生稳定的真空紫外激光，可用于原子或者有机分子的单光子电离。
2.加入了偏转电极可以起到清理激光与气体介质作用时产生的电离杂质，可以有效的提高气体介质的使用寿命，并且有助于改善真空紫外激光信号的稳定性。
附图说明
图1本发明真空紫外激光发生装置的原理侧视图；
图2本发明用于电离萘之后得到的飞行时间质谱图；
图3电离萘得到的质谱信号强度随偏转变化变化的测试图；
其中，1-入射窗口；2-非线性作用主体；2a-入射通路；2b-真空紫外激光产生区域；2b-1-真空电极柱；2b-2-气路管道；2c-固定法兰；3-出射窗口；4-偏转电极。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是按照如下方式设计的真空紫外激光发生装置，如图1所示。具体到本实施例，该真空紫外激光发生装置包括入射窗口1、非线性作用主体2、偏转电极4和出射窗口3。入射窗口1为一直径25.4毫米，厚度为2毫米的石英玻璃窗口。外界的纳秒激光器产生的355纳米的纳秒脉冲激光，脉冲宽度约7纳秒，10赫兹，53毫瓦，经过一个焦距为300毫米的透镜聚焦在非线性作用主体2内部的气体介质上，并且在偏转电极4之间。发生非线性光学效应，产生真空紫外激光，即355纳米激光的三倍频光，约为118.4纳米。上述气体介质为氙气压强占10%的氙气/氩气混合气体，压强为0.025兆帕。出射窗口3为直径25.4毫米，焦距为70毫米的氟化钙透镜。出射窗口3可以实现对上述过程中产生的真空紫外激光起到收束以及聚焦的作用，从而后续应用过程中的使用效率。
萘的电离质谱：
在本实施例中，利用萘作为表征样品，对上述真空紫外激光发生装置进行了测试，如图2所示，将上述真空紫外激光发生装置结合飞行时间质谱得到的萘的单光子电离飞行时间质谱。从图中可以看到主要的谱峰为萘的母体谱峰，其碎片化程度相对于电子轰击电离等方式得到了很好的抑制。
稳定性测试：
图3实线所示的是在上述实验测试条件下萘的质谱峰强度随时间的变化情况。此时，并未给偏转电极施加任何的高压。随着激光作用时间的变化，非线性作用主体内部的气体介质的损耗也在增加，这无疑会降低真空紫外激光的生成效率，从而导致后续的萘的电离效率的下降，通过萘离子信号强度的变化可以清楚的观察到这种损耗。通过拟合，可以得到时间常数为58分钟。
图3虚线所示的是在上述实验条件下，当偏转电极施加的电压为200伏特时，测量得到的萘的质谱峰强度随时间的变化情况。拟合之后可以得到衰减的时间常数为72分钟，可以看到相对与未加偏转电压时稳定性有了很好的改善。

Claims (10)

1.一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，包括：入射窗口（1）、非线性作用主体（2）、偏转电极（4）以及出射窗口（3）；其中，入射窗口（1）、非线性作用主体（2）和出射窗口（3）依次平行并且同轴的组装在一起，通过O圈密封；偏转电极（4）安装在非线性主体（2）内部，并且与非线性主体（2）同轴；
所述入射窗口（1）用于通过处于可见波段的激光；
所述非线性作用主体（2）为真空紫外激光产生的区域；
所述出射窗口（3）用于通过产生的真空紫外激光；
所述偏转电极（4）用于清理非线性作用主体（2）产生真空紫外激光过程中离化的气体介质。
2.根据权利要求1所述的一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，所述入射窗口（1）为圆柱形透明玻璃或石英介质。
3.根据权利要求2所述的一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，所述入射窗口（1）直径5至35毫米，厚度为0.5至5毫米。
4.根据权利要求1所述的一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，所述非线性作用主体（2）包括：
入射通路（2a），用于光路传输和固定入射窗口（1）；
真空紫外激光产生区域（2b），侧壁安装有气路管道（2b-2）和真空电极柱（2b-1）；所述气路管道内部用于充入气体介质；所述真空电极柱用于向所述偏转电极（4）施加电压，并且使非线性作用主体（2）与外界保持密封；
固定法兰（2c），一侧用于固定偏转电极（4），另外一侧用于固定并且密封所述出射窗口（3）。
5.根据权利要求4所述的一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，所述入射通路（2a）的内径为5至35毫米，长度为50至300毫米。
6.根据权利要求4所述的一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，所述真空紫外激光产生区域（2b）的内径为30至60毫米，长度为50至150毫米。
7.根据权利要求4所述的一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，所述气路管道（2b-2）所填充的气体介质为氙气或者氙气和氩气的混合气体，气体的压强为0.01兆帕至0.1兆帕；若气体介质为氙气和氩气的混合气体，则该混合气体中氙气和氩气的压强之比为0.05至0.5。
8.根据权利要求1所述的一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，所述出射窗口（3）为一用来透射真空紫外激光的透镜，该透镜的材料为氟化钙，直径为5至35毫米，焦距为30至300毫米。
9.根据权利要求1所述的一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，所述偏转电极（4）为一对长10至50毫米，宽5至25毫米，厚0.5至3毫米的电极片；两个电极片彼此平行的固定在所述非线性作用主体（2）内，并且与所述非线性作用主体（2）绝缘。
10.根据权利要求9所述的一种真空紫外激光发生装置，其特征在于，所述两个电极片的间距为3至20毫米，电势差为100至2000伏特。
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