CN106896089A - 一种基于电喷雾离子源的光电子成像装置 - Google Patents

一种基于电喷雾离子源的光电子成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电喷雾离子源的光电子成像装置。所述用于研究负离子体系的光电子成像装置包括飞秒激光系统，光路变换单元，电喷雾离子源，真空系统，离子束提取与准直单元，离子质量选取单元，光电子速度聚焦电极单元，地磁场屏蔽单元，电子成像探测器单元和图像采集单元。上述装置结合了飞秒超快时间分辨技术、电喷雾电离源技术和光电子子速度聚焦成像技术，可以获得离子化体系的高分辨光电子能谱及其角度分布信息以及该体系相应激发态信息的超快动力学过程。

Description

一种基于电喷雾离子源的光电子成像装置
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研究离子体系电子激发态结构并对其电子激发态电子在激光场作用下的电子成像装置，可以实现对离子体系电子态激发能以及相应的超快动力学信息直观的成像探测。
背景技术
微观化学反应动力学目的旨在原子与分子水平上观测化学反应的动态过程，从而为实现真正在原子与分子水平上理解化学反应的进行提供重要的帮助。与此同时，随着先进离子源的发展，复杂生物体系相关的重要功能分子体系的电子激发态信息及其动力学过程也愈发引起科研者的关注。
对于如何将复杂的生物体系中起主导作用的主要功能分子呈现出孤立的形式是进行上述体系微观动力学研究的重要前提。目前位置，以电喷雾电离源、大气压化学电离源和基质辅助电离源为主的生物体系电离方式得到了广泛的应用，并且愈发呈现出成熟的态势。上述电离手段的发展与成熟让复杂生物体系的微观研究变得可行，较为主要的一种应用就是将其与色谱技术以及高分辨质谱技术进行的结合，可以清楚的表征出生物体系的蛋白质成份甚至是相应的基因相关的序列信息。
对于上述复杂生物体系的电子态的信息的认识，目前为止仍然较为粗浅。尽管结合一些先进的光谱技术，一些简单的生物体系相关的复杂的功能分子的电子态信息已经有了一些简单的报道，比如与之相关的红外光谱信息和紫外可见吸收光谱信息等。但是围绕这电子态尤其是电子激发态动力学过程的相应的科学研究的报道却仍旧非常有限。在孤立体系电子激发态研究手段当中，光电子能谱技术具有非常优良的分辨率，可以方便的获得相应离子体系的电子能级方面的信息。并且近年来，随着研究的深入，作为光电子能谱技术的一种发展趋势，光电子成像技术得到了较快的发展，尤其是随着速度聚焦技术的引入，大大提高了实验结果中电子能谱的分辨率，从而使其在离子研究领域得到了愈发广泛的应用。尽管具有上述众多的优点，对于复杂的生物分子体系，光电子能谱技术仍然具有很大的局限性，尤其在结构信息的获取方面。同时，光电子能谱技术对于离子体系的动力学信息仍然是不能直接探测的。
飞秒激光技术做为一种新型的光源近来得到了迅速的发展，并且其相应的商品化产品已经出现并且技术与工艺已经比较成熟。同时，如前所提及的离子源产生技术经过多年的发展，也已经可以得到非常稳定的束源。在电子控制方面，相应的高速脉冲电源技术目前业已是比较成熟的技术。综合上述种种的客观因素，我们认为在超快时间范围内研究生复杂物体系相应的离子的激发态动力学信息已经成为可能。
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基于电喷雾离子源的光电子成像装置；
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下所示：
一种基于电喷雾离子源的光电子成像装置，包括：
从左至右顺序设置的飞秒激光系统，光路变换单元，电喷雾离子源，离子束提取与准直单元，离子质量选取单元，光电子速度聚焦电极单元，地磁场屏蔽单元，电子成像探测器单元和图像采集单元；离子束提取与准直单元、离子质量选取单元、光电子速度聚焦电极单元、地磁场屏蔽单元、电子成像探测器单元置于真空系统内；
(a)飞秒激光系统产生用于对负离子进行研究所使用的超短激光脉冲基频光；
(b)光路变换单元对上述飞秒激光系统所产生的超短激光脉冲基频光进行光参量变换，得到不同波长的超短激光脉冲；
(c)电喷雾离子源产生正离子或者负离子；
(d)真空系统采用三级真空系统；
(e)离子束提取与准直单元对上述纳电喷雾所产生的离子进行提取、准直、加速以及整形，形成离子束源；
(f)离子质量选取单元根据上述负离子束源的成分，筛选出离子束中感兴趣的单一离子成分；
(g)光电子速度聚焦电极单元将上述筛选出单一的离子束源与飞秒激光作用产生的电子进行速度聚焦；
(h)外磁场屏蔽单元屏蔽外界磁场对电子在无场飞行过程中造成的扭曲性干扰；
(i)电子成像探测器单元对经过速度聚焦后的电子信号放大并进行成像；
(j)图像采集单元对上述电子成像探测器单元所成的电子的图像进行采集。
进一步地，飞秒激光系统可以产生超短激光脉冲。上述超短激光脉冲宽度可以是5飞秒至1000飞秒，频率在1赫兹至1M赫兹，光谱中心在800纳米附近，光谱宽度为2纳米至200纳米。
进一步地，光路变换单元将飞秒激光产生的超短激光脉冲进行频率转换；光路1依次采用二倍频晶体和三倍频晶体，通过光路1可以得到由飞秒激光系统产生的超短激光脉冲的原始光波长(基频光)中心波长在800(±100)纳米附近，二倍频光中心波长在400(±50)纳米附近，三倍频光中心波长在267(±25)纳米附近；光路2中利用光参量放大器对基频光进行光参量变换，可以得到连续可调的超短激光脉冲，波长范围在490纳米至2300纳米。
进一步地，光路变换单元包括光路1和光路2；
进一步地，光路变换系统中光路1中经过三倍频晶体后，包括有步进电极控制的精密延迟平台，结合光路2可以形成具有时间分辨的光路系统。延迟平台沿着光路方向的单步移动距离可以在3微米至300微米，所对应的光路变换系统的时间分辨本领在20飞秒至2000飞秒之间。
进一步地，电喷雾离子源包括样品注入系统，高压电源，加热导入通道；
上述样品注入系统的注入量为每分钟50纳升至1毫升；
上述高压电源对电喷雾针所施加的电压为1千伏特至4千伏特，可以是正电压也可以是负电压；
上述加热导入通道为一内径为20-200微米的不锈钢毛细管，该毛细管上所施加的温度在60度至300度；
进一步地，真空系统由依次顺序设置的三级真空腔体组成，第一级真空有机械泵进行抽真空处理，之后两级真空腔体均由一组真空泵组对其进行真空抽取；上述真空泵组采用机械泵加分子泵组合，利用机械泵对真空腔体进行粗抽，而后由分子泵对真空腔体进行精抽，从而达到较高的真空环境。
上述真空系统中第一级腔室包括电喷雾离子源的离子束提取和准直单元称之为束源室；第二级腔室包括离子质量选取单元称之为选质量室；第三级腔室包括光电子速度聚焦电极单元、外磁场屏蔽单元和光电子成像单元称之为脱附室。
上述真空系统中第一级和第二级腔室之间由孔径为0.1-2毫米的小孔连通。第二级腔室和第三级腔室之间通过隔离锥连通，隔离锥为一沿着轴心开通孔的锥形体，中心孔径0.5毫米至5毫米，隔离锥的立体角度为10度为150度，锥尖方向指向第二级腔室。
进一步地，离子束提取和准直单元包括用于离子束提取的电极片组、用于准直的电极杆组，其中电极杆组与电极片组同轴且位于电极片组右侧。
上述离子束提取和准直单元的用于离子束提取的电极片组，电极片数量为3至100片，第一片电极为圆形片状电极，第二片至最后一片为同轴平行设置的圆形环状电极，且第二片至最后一片电极的内孔尺寸依次递减，尺寸范围从50毫米至0.5毫米；第一片电极与第二片电极之间的距离为3毫米至10毫米，第二片电极之后至最后一片电极之间的距离为0.5-5毫米。
进一步地，离子质量选取单元由同轴平行设置的三片栅网电极组成，栅网电极中心为金属栅网，周围是环形电极片，中间栅网的离子透过率在30％至96％。
进一步地，光电子速度聚焦单元采用同轴平行设置的三片圆环电极组成：这三片圆环电极的外径为40毫米至220毫米，第一片电极中心开空直径在0.2毫米至5毫米，第二片电极中心开孔在5毫米至60毫米，第三片电极中心开孔在5毫米至60毫米。上述三片电极之间的间距在5至60毫米。
上述光电子速度聚焦单元在施加不同的电压后会形成非均匀的电场，从而可以对电子由于不同的动能而实现速度聚焦在不同位置的作用。
进一步地，外磁场屏蔽单元为一材料为μ合金的金属圆筒，筒壁后0.3毫米至3毫米，长度为6厘米至60厘米。
进一步地，电子成像探测器单元包括平行设置的两片微通道板、一片荧光屏和用于固定上述两片微通道板和荧光屏的视窗法兰。
进一步地，图像采集单元是一款高速CCD相机或者ICCD相机或者EMCCD相机，该相机可以用来捕获荧光屏上所成的经过两片微通道板放大后的电子的图像。
附图说明
图1本发明实施例的原理侧视图；
图2本发明实施例所采用的电喷雾离子源示意图。
其中，(1)-飞秒激光系统，(2)-光路变换单元，(3)-电喷雾离子源，(3a)-微流注射泵、(3b)-直流电源和电极、(3c)-中空毛细管喷雾针、(4)-真空系统，(5)-离子束提取与准直单元，(6)-离子质量选取单元，(7)-光电子速度聚焦电极单元，(8)-地磁场屏蔽单元，(9)-电子成像探测器单元和(10)-图像采集单元
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
下面将通过具体的实施例来说明本发明所具有的一些特点。本发明是按如下方式设计的一种用于研究负离子体系的光电子成像装置，如图1所示，该研究负离子体系的光电子成像装置包括飞秒激光系统1，光路变换单元2，电喷雾离子源3，真空系统4，离子束提取与准直单元5，离子质量选取单元6，光电子速度聚焦电极单元7，地磁场屏蔽单元8，电子成像探测器单元9和图像采集单元10。其中，电喷雾离子源3单元用于产生高强度稳定的负离子束源，该离子束源经过提取、整形以及质量选择，可以得到特定物种的负离子体系。该离子体系在光电子速度聚焦电极单元7区域与飞秒激光脉冲相互作用，离子体系在激光场作用下产生的电子被光电子速度聚焦透镜单元速度聚焦至电子成像探测器单元9，利用电子成像探测器单元9可以清晰的测量电离自离子束的电子的光电子图像，并通过图像采集单元10将该图像采集，经过后续的分析就可以得到有关负离子电子激发态的能谱与角度分布信息。同时，结合时间分辨技术可以获知上述信息的动力学特性。
如图2所示，本发明一种基于电喷雾离子源的光电子速度成像装置的电喷雾离子源3,结构主要包括微流注射泵3a、直流电源和电极3b、中空毛细管喷雾针3c。其中，微流注射泵3a的液体注射速度为30微升每分钟，直流电源和电极(3b)用来给中空毛细管喷雾针3c施加直流电压，所施加的直流电压为+3500V用来产生正离子，或者-3300V直流电压用来产生负离子。中空毛细管喷雾针3c的内径为20微米，此时可以获得非常稳定的喷雾状态。该离子束经过可加热的离子导管被引入真空系统4。离子导管所施加的温度为150摄氏度用来将喷雾中的溶剂分子蒸发出去，从而获取溶质分子离子。
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 (10)

1.一种基于电喷雾离子源的光电子成像装置，其特征在于：
包括从左至右顺序设置的飞秒激光系统(1)，光路变换单元(2)，电喷雾离子源(3)，离子束提取与准直单元(5)，离子质量选取单元(6)，光电子速度聚焦电极单元(7)，地磁场屏蔽单元(8)，电子成像探测器单元(9)和图像采集单元(10)；
离子束提取与准直单元(5)、离子质量选取单元(6)、光电子速度聚焦电极单元(7)、地磁场屏蔽单元(8)、电子成像探测器单元(9)置于真空系统(4)内；
(a)飞秒激光系统(1)产生用于对负离子进行研究所使用的超短激光脉冲基频光；
(b)光路变换单元(2)对上述飞秒激光系统(1)所产生的超短激光脉冲基频光进行光参量变换，得到不同波长的超短激光脉冲；
(c)电喷雾离子源(3)产生正离子或者负离子；
(d)真空系统(4)采用三级真空系统；
(e)离子束提取与准直单元(5)对上述纳电喷雾(3)所产生的离子进行提取、准直、加速以及整形，形成离子束源；
(f)离子质量选取单元(6)根据上述负离子束源的成分，筛选出离子束中感兴趣的单一离子成分；
(g)光电子速度聚焦电极单元(7)将上述筛选出单一的离子束源与飞秒激光作用产生的电子进行速度聚焦；
(h)外磁场屏蔽单元(8)屏蔽外界磁场对电子在无场飞行过程中造成的扭曲性干扰；
(i)电子成像探测器单元(9)对经过速度聚焦后的电子信号放大并进行成像；
(j)图像采集单元(10)对上述电子成像探测器单元(9)所成的电子的图像进行采集。
2.根据权利要求1所述的基于电喷雾离子源的的光电子成像装置，其特征在于：
飞秒激光系统(1)可以产生超短激光脉冲，上述超短激光脉冲宽度可以是5飞秒至1000飞秒，频率在1赫兹至1M赫兹，光谱中心在800纳米附近，光谱宽度为2纳米至200纳米。
3.根据权利要求1所述的基于电喷雾离子源的光电子成像装置，其特征在于：
光路变换单元(2)将飞秒激光(1)产生的超短激光脉冲进行频率转换；
光路变换单元(2)包括光路1和光路2；
光路1依次采用二倍频晶体和三倍频晶体，通过光路1可以得到由飞秒激光系统(1)产生的超短激光脉冲的原始光波长(基频光)中心波长在800(±100)纳米附近，二倍频光中心波长在400(±50)纳米附近，三倍频光中心波长在267(±25)纳米附近；
光路2中利用光参量放大器对基频光进行光参量变换，可以得到连续可调的超短激光脉冲，波长范围在490纳米至2300纳米。
4.根据权利要求1或3所述的基于电喷雾离子源的光电子成像装置，其特征在于：
光路变换系统(2)中光路1中经过三倍频晶体之后包括有步进电极控制的精密延迟平台，结合光路2可以形成具有时间分辨的光路系统；延迟平台沿光路方向的单步移动距离可以在3微米至300微米，所对应的光路变换系统(2)的时间分辨本领在20飞秒至2000飞秒之间。
5.根据权利要求1所述的基于电喷雾离子源的光电子成像装置，其特征在于：
电喷雾离子源(3)包括样品注入系统，高压电源，加热导入通道；
上述样品注入系统的注入量为每分钟50纳升至1毫升；
上述高压电源对电喷雾针所施加的电压为1千伏特至4千伏特，可以是正电压也可以是负电压；
上述加热导入通道为一内径为20-200微米的不锈钢金属毛细管，该毛细管上所施加的温度在60度至300度。
6.根据权利要求1所述的基于电喷雾离子源的光电子成像装置，其特征在于：
真空系统(4)由依次顺序设置的三级真空腔体组成，第一级真空由机械泵进行抽真空处理，之后两级真空腔体均由一组真空泵组对其进行真空抽取；上述真空泵组采用机械泵加分子泵组合，利用机械泵对真空腔体进行粗抽，而后由分子泵对真空腔体进行精抽，从而达到较高的真空环境；
上述真空系统(4)中第一级腔室包括电喷雾离子源的离子束提取和准直单元(5)称之为束源室；第二级腔室包括离子质量选取单元称之为选质量室；第三级腔室包括光电子速度聚焦电极单元(7)、外磁场屏蔽单元(8)和光电子成像单元(9)称之为脱附室；
上述真空系统(4)中第一级和第二级腔室之间由孔径为0.1-2毫米的小孔连通；第二级腔室和第三级腔室之间通过隔离锥连通，隔离锥为一有沿轴心开通孔的锥形体，中心孔径0.5毫米至5毫米，隔离锥的立体角度为10度为150度，锥尖方向指向第二级腔室。
7.根据权利要求1所述的基于电喷雾离子源的光电子成像装置，其特征在于：
离子束提取和准直单元(5)包括用于离子束提取的电极片组、用于准直的电极杆组，其中电极杆组与电极片组同轴且位于电极片组右侧；
上述离子束提取和准直单元(5)的用于离子束提取的电极片组，电极片数量为3至100片，第一片电极为圆形片状电极，第二片至最后一片为同轴平行设置的圆形环状电极，且第二片至最后一片电极的内孔尺寸依次递减，尺寸范围从50毫米至0.5毫米；第一片电极与第二片电极之间的距离为3毫米至10毫米，第二片电极之后至最后一片电极之间的电极间的距离为0.5-5毫米。
8.根据权利要求1所述的用于研究负离子体系的光电子成像装置，其特征在于：
离子质量选取单元(6)由同轴平行设置的三片栅网电极组成，栅网电极中心为金属栅网，周围是环形电极片，中间栅网的离子透过率在30％至96％。
9.根据权利要求1所述的用于研究负离子体系的光电子成像装置，其特征在于：
光电子速度聚焦单元(7)采用同轴平行设置的三片圆环电极组成：这三片圆环电极的外径为40毫米至220毫米，第一片电极中心开空直径在0.2毫米至5毫米，第二片电极中心开孔在5毫米至60毫米，第三片电极中心开孔在5毫米至60毫米，上述三片电极之间的间距在5至60毫米；
上述光电子速度聚焦单元(7)在施加不同的电压后会形成非均匀的电场，从而可以对电子由于不同的动能而实现速度聚焦在不同位置的作用。
10.根据权利要求1所述的用于研究负离子体系的光电子成像装置，其特征在于：
外磁场屏蔽单元(8)为一材料为μ合金的金属圆筒，筒壁后0.3毫米至3毫米，长度为6厘米至60厘米；
电子成像探测器单元(9)包括平行设置的两片微通道板、一片荧光屏和用于固定上述两片微通道板和荧光屏的视窗法兰；
图像采集单元(10)是一款高速CCD相机或者ICCD相机或者EMCCD相机，该相机可以用来捕获荧光屏上所成的经过两片微通道板放大后的电子的图像。
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