CN105301278B - 一种实现电子和离子速度影像同时测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现电子和离子速度影像同时测量的方法及装置，所述方法包括以下步骤：S1、在离子速度影像仪排斥极电极板和提取极电极板分别施压不同大小的负压，用于加速电子至探测屏，生成电子的二维动量谱；S2、将排斥极电极板和提取极电极板上的电压分别从负压跳变到正压，用于加速离子至探测屏，以生成离子的二维动量谱。本发明还提供了实现上述方法的装置，装置包括离子速度影像仪，与离子速度影像仪中排斥极电极板和提取极电极板分别连接的脉冲电源，用于对排斥极电极板和提取极电极板分别施加跳变电压。实施本发明无需改变原有装置结构，实施简便，大大降低了实验成本。

Description

一种实现电子和离子速度影像同时测量的方法及装置

技术领域

本发明涉及粒子速度影像技术领域，具体涉及一种实现电子和离子速度影像同时测量的方法及装置。

背景技术

在上世纪80年代后期发展起来的粒子速度影像技术在光致解离/电离反应的认知过程中一直扮演着重要的角色。粒子速度影像仪的核心部件是三个中间开孔的圆形电极板，分别为排斥极电极板、提取极电极板和接地极电极板。这三个电极板形成的电场构成了静电透镜。产生于不同位置，具有相同动量的离子/电子经过排斥极电极板的排斥，经提取极电极板和接地极电极板聚焦并汇聚在微通道板(MCP)探测器上。最终不同动能的粒子会在探测器上形成不同直径的圆环，经过重构算法重构后，就能得到电离后产生的粒子的三维速度矢量分布。

而同时获得电子和离子的二维动量谱，对于揭示光致解离/电离反应中的微观动力学过程具有重要意义。现有的同时测量光电子-离子的光谱仪装置(Photoelectron-photoion Coincidence Spectroscopy)由两套粒子速度影像仪装置组成，一边测电子的动量谱，另一边测离子的动量谱。该装置控制复杂、实验仪器成本高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种实现电子和离子速度影像同时测量的方法及装置，通过对离子速度影像仪的排斥极电极板和提取极电极板分别施加跳变电压，实现对电子和离子速度影像的同时测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种实现电子和离子速度影像同时测量的方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在离子速度影像仪排斥极电极板和提取极电极板分别施压不同大小的负压，用于加速电子至探测屏，生成电子的二维动量谱；

S2、将排斥极电极板和提取极电极板上的电压分别从负压跳变到正压，用于加速离子至探测屏，以生成离子的二维动量谱。

作为进一步优选地，所述步骤S1中，跳变前的提取极电极板和排斥极电极板上的初始电压比值为0.768。

作为进一步优选地，所述步骤S2中，将排斥极电极板和提取极电极板上的电压分别从负压跳变到正压，跳变电压的跳变时间小于10ns，跳变电压的触发时间在激光与气体分子作用的10ns后。

相应地，本发明还提供一种实现电子和离子速度影像同时测量的装置，包括离子速度影像仪，所述装置还包括：

与离子速度影像仪中排斥极电极板和提取极电极板分别连接的脉冲电源，用于对排斥极电极板和提取极电极板分别施加跳变电压。

因此，本发明可以获得以下的有益效果：在粒子速度影像仪的排斥极电极板和提取极电极板分别添加跳变电压，初始电压设置为负用于加速电子，随后将排斥极电极板和提取极电极板上的电压从负压跳变到正压，用于加速离子，即可在一次电离实验中，同时获得电子和离子的二维动量谱。本发明方法把一次飞行时间分为两块，一块用来加速电子的飞行，一块用来加速离子的飞行，在探测端再根据前面时间段的划分，将两个时间段的信号分开来，即一个为电子信号，另一个为离子信号，增加了时间利用率，提高速度影像生成的效率。本发明可用一套粒子速度影像仪同时测量电子和离子的速度影像，实施本发明无需改变原有装置结构，实施简便；也无需两套粒子速度影像仪装置，大大降低了实验成本。

附图说明

图1是本发明实现电子和离子速度影像同时测量的装置结构示意图；

图2是本发明速度影像仪上排斥极电极板和提取极电极板上的跳变电压控制示意图；

图3是本发明装置获得的H⁺离子的运动轨迹示意图；

图4是本发明装置获得的电子的二维动量谱示意图；

图5是本发明装置获得的H⁺离子的二维动量谱示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种实现电子和离子速度影像同时测量的方法及装置，其基于时分复用原理，在粒子速度影像仪的排斥极电极板和提取极电极板分别添加跳变电压。

如图1所示，装置包括排斥极电极板1、提取极电极板2、接地极电极板3、双微通道板(MCP)4、荧光屏5、CCD相机6，还包括与排斥极电极板1和提取极电极板2连接的跳变电压控制单元。排斥极电极板1和提取极电极板2分别连接跳变电压，接地极电极板3接地。

本发明实现电子和离子速度影像同时测量的方法包括以下步骤：

S1、在离子速度影像仪排斥极电极板和提取极电极板分别施压不同大小的负压，用于加速电子至探测屏，生成电子的二维动量谱；

S2、将排斥极电极板和提取极电极板上的电压分别从负压跳变到正压，用于加速离子至探测屏，以生成离子的二维动量谱。

上述步骤S1中，在排斥极电极板施压的负压与在提取极电极板施加的负压的比值根据不同电极板之间的距离、粒子飞行的距离、电极板中心圆孔直径的大小等因素进行调整。本发明一个优选实施例中，跳变前的提取极电极板和排斥极电极板上的初始电压比值为0.768，在这个比例条件下，获得电子二维动量谱分辨率最优。

上述步骤S2中，将排斥极电极板和提取极电极板上的电压分别从负压跳变到正压，跳变电压的跳变时间小于10ns。其中，需满足跳变时间尽可能短，以减小跳变过程中的电场对离子的轨迹的影响，跳变电压的触发时间应在激光与气体分子作用的10ns后，以为将电子加速到探测屏上提供充足的时间。

以下结合一个具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

在本发明的一个具体实施例中，排斥极电极板到探测屏距离120mm，排斥极电极板开孔4mm，提取极电极板开孔16mm，接地极电极板开孔18mm，排斥极电极板与提取极电极板间距14mm，提取极电极板与接地极电极板间距16mm，双微通道板探测屏直径40mm。

激光与气体分子的作用点在排斥极电极板和提取极电极板的正中央，即距排斥极电极板7mm处。

排斥极和提取极的跳变电压控制如图2所示，排斥极初始电压为-825V，提取极初始电压为-629V，此时两电极板间的电场适合加速电子，在电子飞行完毕，即10ns之后，将排斥极电压跳变到1000V，提取极电压跳变到768V，用于加速离子，跳变时间控制在7ns，在离子加速完毕后，下一个激光脉冲到来前，将排斥极和提取极电压跳变回初始值，等下一个激光脉冲到来即开始下一个周期。

以电子作为离子源，其初始速度方向垂直于飞行管轴，能量分布为0.5eV到5.5eV，间隔1eV，得到电子的二维动量谱，如图4所示。

以质量、带电量分别为1.67×10^-27kg，1.6×10^-19C的大量单个H⁺离子为离子源，其初始速度方向垂直于飞行管轴，能量分布为0.5eV到5.5eV，间隔1eV，得到离子的二维动量谱，如图5所示。

图3所示为H⁺离子在所述电压控制下的运动轨迹，由于初始的10ns，H⁺离子在电子加速场中被反向加速，导致前面部分轨迹有些微的畸变，但结合图5可知，这对之后的H⁺离子的二维动量谱成像几乎没影响。而这个畸变相对于飞行时间更长的其他离子来说，影响更小。

以上结果表明，采用这种基于时分复用原理电子和离子速度影像同时测量的方法，能很好地同时得到电子和离子的二维动量谱。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实现电子和离子速度影像同时测量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、在离子速度影像仪排斥极电极板和提取极电极板分别施压不同大小的负压，用于加速电子至探测屏，生成电子的二维动量谱；

S2、将排斥极电极板和提取极电极板上的电压分别从负压跳变到正压，用于加速离子至探测屏，以生成离子的二维动量谱。

2.如权利要求1所述的实现电子和离子速度影像同时测量的方法，其特征在于，所述步骤S1中，跳变前的提取极电极板和排斥极电极板上的初始电压比值为0.768。

3.如权利要求2所述的实现电子和离子速度影像同时测量的方法，其特征在于，所述步骤S2中，将排斥极电极板和提取极电极板上的电压分别从负压跳变到正压，跳变电压的跳变时间小于10ns，跳变电压的触发时间在激光与气体分子作用的10ns后。

4.一种实现电子和离子速度影像同时测量的装置，包括离子速度影像仪，其特征在于，所述装置还包括：

与离子速度影像仪中排斥极电极板和提取极电极板分别连接的脉冲电源，用于对排斥极电极板和提取极电极板分别施加跳变电压。