CN107481915B - 一种低温下研究光致分离的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子及分子反应动力学领域，一种低温下研究光致分离的方法，离子加速经过飞行时间质谱和粒子质量选择器后形成一离子束片段，从离子束入口进入磁屏蔽罩；将聚焦电极组电压设为零，质量选择电极组施加电压，各电极上电压按同一斜率递增；待离子束片段通过聚焦电极组后，聚焦电极组施加脉冲电场，使各电极上电压依次递增；在离子离开质量选择电极组后，将质量选择电极组上电压设为零，被质量选择电极组反射的前驱离子在离子修正板处附近的相互作用区域被激光照射，产生离子碎片和光电子；离子碎片飞向聚焦电极组并被反射，通过接地的质量选择电极组飞向离子探测器；光电子从光电子出口射出到达电子探测器；比较离子碎片和光电子信息。
Description
技术领域
本发明涉及光电子成像技术及分子反应动力学领域，特别是一种能同时进行电子和离子碎片成像、能够产生的离子内能较低、提高了能量精度的一种低温下研究光致分离的方法。
背景技术
粒子速度成像技术是分子反应动力学研究的一种重要手段，其最重要的特点是可以在一幅影像中同时得到散射粒子的全三维的速度大小和方向分布，即可以同时获得粒子的能谱信息和角分布信息。粒子速度成像技术可以应用在光致分离同步测量实验中，稳态的分子阴离子中电子的光致分离产生解离的已知内能的中性中间产物。通过收集解离过程中产生的所有中性碎片并通过使用时间及位置敏感的探测器将中性碎片与分离的电子的相关信息对应起来，则相关的产物的动量和能量能够被计算出来。由于分子束在离子化过程中会重新引入内能，导致其振动自由度增加，在探测器得到的谱会造成展宽，影响实验精度，因此在实验中需要尽可能地冷却离子束。
现有的冷却技术中，通过将分子嵌入原子团簇如氦原子团簇或使用位于冷却的缓冲气体氛围中的射频离子阱来储存离子来达到减少离子内能的目的，但是，以上冷却技术不适用于光致分离同步测量实验。另外，光致分离同步测量实验一般需要高占空比以及低事件发生率以避免数据的混乱，这样，一些低重复率的技术，需要更长的数据采集时间或增加了分离赝事件的难度，则不能使得光致分离同步测量实验在离子冷却的情况下实施，或是冷却过程没有对实验结果有改善，所述一种低温下研究光致分离的方法能解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明在光致分离同步测量实验中使用由两组电极分别对前驱离子进行质量选择和对离子碎片进行聚焦作用，使得产生的离子碎片能达到粒子速度成像的聚焦条件。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种低温下研究光致分离的方法，低温下研究光致分离的装置位于超高真空环境中，主要包括离子源、加速器、飞行时间质谱、粒子质量选择器、磁屏蔽罩、离子束入口、由电极I、电极II、电极III、电极IV、电极V组成的聚焦电极组、光电子出口、由电极VI、电极VII、电极VIII、电极IX、电极X组成的质量选择电极组、激光入口、离子出口、离子探测器、电子背景减少板、反射板、离子修正板、抽取电极、聚束电极和电子探测器，所述聚焦电极组、质量选择电极组、电子背景减少板、反射板、离子修正板均位于所述磁屏蔽罩内，所述磁屏蔽罩具有所述离子束入口、光电子出口、激光入口和离子出口，所述反射板、离子修正板、抽取电极、聚束电极均为环形，所述电子背景减少板、反射板、离子修正板依次位于所述激光入口处内、且位于所述聚焦电极组和质量选择电极组之间，激光能够通过所述激光入口穿过所述电子背景减少板、并于所述离子修正板中心上方处形成激光与离子的相互作用区域，所述磁屏蔽罩外侧正对所述离子束入口共轴依次安装有所述粒子质量选择器、飞行时间质谱、加速器、离子源，所述磁屏蔽罩外侧正对所述光电子出口共轴依次安装有所述抽取电极、聚束电极、电子探测器，所述离子探测器位于所述磁屏蔽罩外侧正对所述离子出口处，所述离子源为低重复率的铯溅射离子源，所述聚焦电极组和所述质量选择电极组均为环形电极，相邻电极之间串联有电阻，所述聚焦电极组中仅有电极I中心的孔具有金属网，所述聚焦电极组对离子与激光相互作用后产生的离子碎片进行聚焦，以使得离子在到达所述离子探测器前满足粒子速度成像的聚焦条件，所述质量选择电极组的五个电极中心的孔均具有金属网，不会明显影响离子束速度的垂直分量，所述质量选择电极组对从所述离子束入口进入磁屏蔽罩的离子进行质量选择；在所述质量选择电极组上施加一个电压，能够使得具有相同质量的离子以最小的时间分布到达某个位置；通过调节施加在聚焦电极组和质量选择电极组上电压的比例，能够达到能量聚焦条件，并由此改善质谱的分辨率；所述加速器包括电极、离子反射器、抽取器和接地电极，且都有金属网附着，所述金属网与抽取器和接地电极是接触的，以产生静电透镜效应来前满足粒子速度成像的聚焦条件；在所述聚焦电极组和质量选择电极组外部都具有单独的低温冷屏，以使得储存的离子能够在微秒量级的时间内退化到振动和转动能量的基态；激光入射方向与离子运动方向是正交的，离子振荡通过所述粒子质量选择器达到集束效果，并被锁相于一个锁模激光器，能够保证离子束和激光脉冲瞬时重合，仅在离子向所述聚焦电极组方向运动时与激光相交，电极I、电极II、电极III、电极IV、电极V的中心孔均为圆形，且半径依次递减；电极VI、电极VII、电极VIII、电极IX、电极X的中心孔均为圆形，且半径依次递增。
所述一种低温下研究光致分离的方法步骤为：
一.离子源产生离子，加速器上施加加速电压使离子被加速，离子经过飞行时间质谱和粒子质量选择器的质量选择后，形成一个离子束片段，从离子束入口进入磁屏蔽罩；
二.将聚焦电极组的电压设为零，质量选择电极组上施加单斜率的电压，使电极VI、电极VII、电极VIII、电极IX、电极X上的电压按照同一斜率递增、且电极X上的电压高于加速器上的加速电压；
三.待离子束片段通过聚焦电极组后，在聚焦电极组上施加脉冲电场，使电极V、电极IV、电极III、电极II、电极I上电压依次递增，离子运动至质量选择电极组中，受到反向电压的作用作减速运动并反向运动，使得向聚焦电极组运动；
四.在离子离开质量选择电极组后，将质量选择电极组上的电压设为零，接着，被质量选择电极组反射的前驱离子在离子修正板处附近的相互作用区域被激光照射，离子和激光相互作用产生离子碎片和光电子；
五.离子和激光相互作用而产生的离子碎片飞向聚焦电极组并被反射，在电极I上施加电压，最终，被反射的离子碎片通过接地的质量选择电极组飞向离子探测器；
六.离子束与激光相互作用后产生的光电子从光电子出口射出，并经过抽取电极和聚束电极加速后到达电子探测器；
七.比较离子探测器得到的离子碎片的信息和电子探测器得到的光电子的信息，用于进行低温下光致分离的研究。
本发明的有益效果是：
本发明同时进行电子和离子碎片成像，其中储存的离子能够在微秒量级的时间内退化到振动和转动能量的基态，使得能够在冷却的阴离子上进行光致分离实验，并增加了中性分子反应的解离动力学的能量分辨。所述离子源为低重复率的铯溅射离子源，能够产生的离子内能较低，提高了能量精度。相比现有技术中的离子储存方法，所述聚焦电极组和所述质量选择电极组的串联结构提供了高占空比，且不需要反复对离子进行冷却，另外，其结构紧凑简单，并方便与其他电流实验集成。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明结构示意图。
图中，1.离子源，2.加速器，3.飞行时间质谱，4.粒子质量选择器，5.磁屏蔽罩，6.离子束入口，7.聚焦电极组，7-1.电极I，7-2.电极II，7-3.电极III，7-4.电极IV，7-5.电极V，8.光电子出口，9.质量选择电极组，9-1.电极VI，9-2.电极VII，9-3.电极VIII，9-4.电极IX，9-5.电极X，10.激光入口，11.离子出口，12.离子探测器，13.电子背景减少板，14.反射板，15.离子修正板，16.抽取电极，17.聚束电极，18.电子探测器。
具体实施方式
如图1是本发明结构示意图，低温下研究光致分离的装置位于超高真空环境中，主要包括离子源(1)、加速器(2)、飞行时间质谱(3)、粒子质量选择器(4)、磁屏蔽罩(5)、离子束入口(6)、由电极I(7-1)、电极II(7-2)、电极III(7-3)、电极IV(7-4)、电极V(7-5)组成的聚焦电极组(7)、光电子出口(8)、由电极VI(9-1)、电极VII(9-2)、电极VIII(9-3)、电极IX(9-4)、电极X(9-5)组成的质量选择电极组(9)、激光入口(10)、离子出口(11)、离子探测器(12)、电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)、抽取电极(16)、聚束电极(17)和电子探测器(18)，所述聚焦电极组(7)、质量选择电极组(9)、电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)均位于所述磁屏蔽罩(5)内，所述磁屏蔽罩(5)具有所述离子束入口(6)、光电子出口(8)、激光入口(10)和离子出口(11)，所述反射板(14)、离子修正板(15)、抽取电极(16)、聚束电极(17)均为环形，所述电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)依次位于所述激光入口(10)处内、且位于所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组(9)之间，激光能够通过所述激光入口(10)穿过所述电子背景减少板(13)、并于所述离子修正板(15)中心上方处形成激光与离子的相互作用区域，所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述离子束入口(6)共轴依次安装有所述粒子质量选择器(4)、飞行时间质谱(3)、加速器(2)、离子源(1)，所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述光电子出口(8)共轴依次安装有所述抽取电极(16)、聚束电极(17)、电子探测器(18)，所述离子探测器(12)位于所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述离子出口(11)处，所述离子源(1)为低重复率的铯溅射离子源，所述聚焦电极组(7)和所述质量选择电极组(9)均为环形电极，相邻电极之间串联有电阻，所述聚焦电极组(7)中仅有电极I(7-1)中心的孔具有金属网，所述聚焦电极组(7)对离子与激光相互作用后产生的离子碎片进行聚焦，以使得离子在到达所述离子探测器(12)前满足粒子速度成像的聚焦条件，所述质量选择电极组(9)的五个电极中心的孔均具有金属网，不会明显影响离子束速度的垂直分量，所述质量选择电极组(9)对从所述离子束入口(6)进入磁屏蔽罩(5)的离子进行质量选择；在所述质量选择电极组(9)上施加一个电压，能够使得具有相同质量的离子以最小的时间分布到达某个位置；通过调节施加在聚焦电极组(7)和质量选择电极组(9)上电压的比例，能够达到能量聚焦条件，并由此改善质谱的分辨率；所述加速器(2)包括电极、离子反射器、抽取器和接地电极，且都有金属网附着，所述金属网与抽取器和接地电极是接触的，以产生静电透镜效应来前满足粒子速度成像的聚焦条件；在所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组(9)外部都具有单独的低温冷屏，以使得储存的离子能够在微秒量级的时间内退化到振动和转动能量的基态；激光入射方向与离子运动方向是正交的，离子振荡通过所述粒子质量选择器(4)达到集束效果，并被锁相于一个锁模激光器，能够保证离子束和激光脉冲瞬时重合，仅在离子向所述聚焦电极组(7)方向运动时与激光相交，电极I(7-1)、电极II(7-2)、电极III(7-3)、电极IV(7-4)、电极V(7-5)的中心孔均为圆形，且半径依次递减；电极VI(9-1)、电极VII(9-2)、电极VIII(9-3)、电极IX(9-4)、电极X(9-5)的中心孔均为圆形，且半径依次递增。
所述一种低温下研究光致分离的方法步骤为：
一.离子源(1)产生离子，加速器(2)上施加加速电压使离子被加速，离子经过飞行时间质谱(3)和粒子质量选择器(4)的质量选择后，形成一个离子束片段，从离子束入口(6)进入磁屏蔽罩(5)；
二.将聚焦电极组(7)的电压设为零，质量选择电极组(9)上施加单斜率的电压，使电极VI(9-1)、电极VII(9-2)、电极VIII(9-3)、电极IX(9-4)、电极X(9-5)上的电压按照同一斜率递增、且电极X(9-5)上的电压高于加速器(2)上的加速电压；
三.待离子束片段通过聚焦电极组(7)后，在聚焦电极组(7)上施加脉冲电场，使电极V(7-5)、电极IV(7-4)、电极III(7-3)、电极II(7-2)、电极I(7-1)上电压依次递增，离子运动至质量选择电极组(9)中，受到反向电压的作用作减速运动并反向运动，使得向聚焦电极组(7)运动；
四.在离子离开质量选择电极组(9)后，将质量选择电极组(9)上的电压设为零，接着，被质量选择电极组(9)反射的前驱离子在离子修正板(15)处附近的相互作用区域被激光照射，离子和激光相互作用产生离子碎片和光电子；
五.离子和激光相互作用而产生的离子碎片飞向聚焦电极组(7)并被反射，在电极I(7-1)上施加电压，最终，被反射的离子碎片通过接地的质量选择电极组(9)飞向离子探测器(12)；
六.离子束与激光相互作用后产生的光电子从光电子出口(8)射出，并经过抽取电极(16)和聚束电极(17)加速后到达电子探测器(18)；
七.比较离子探测器(12)得到的离子碎片的信息和电子探测器(18)得到的光电子的信息，用于进行低温下光致分离的研究。
本发明在光致分离同步测量实验中使用由两组电极分别对前驱离子进行质量选择和对离子碎片进行聚焦作用，使得产生的离子碎片能达到粒子速度成像的聚焦条件，并能同时进行电子和离子碎片成像，另外，使用低重复率的铯溅射离子源以及低温冷屏，使得对离子的冷却效果达到光致分离实验的要求，并增加了中性分子反应的解离动力学的能量分辨。
Claims (1)
1.一种低温下研究光致分离的方法，低温下研究光致分离的装置位于超高真空环境中，主要包括离子源(1)、加速器(2)、飞行时间质谱(3)、粒子质量选择器(4)、磁屏蔽罩(5)、离子束入口(6)、由电极I(7-1)、电极II(7-2)、电极III(7-3)、电极IV(7-4)、电极V(7-5)组成的聚焦电极组(7)、光电子出口(8)、由电极VI(9-1)、电极VII(9-2)、电极VIII(9-3)、电极IX(9-4)、电极X(9-5)组成的质量选择电极组(9)、激光入口(10)、离子出口(11)、离子探测器(12)、电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)、抽取电极(16)、聚束电极(17)和电子探测器(18)，所述聚焦电极组(7)、质量选择电极组(9)、电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)均位于所述磁屏蔽罩(5)内，所述磁屏蔽罩(5)具有所述离子束入口(6)、光电子出口(8)、激光入口(10)和离子出口(11)，所述反射板(14)、离子修正板(15)、抽取电极(16)、聚束电极(17)均为环形，所述电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)依次位于所述激光入口(10)处内、且位于所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组(9)之间，激光能够通过所述激光入口(10)穿过所述电子背景减少板(13)、并于所述离子修正板(15)中心上方处形成激光与离子的相互作用区域，所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述离子束入口(6)共轴依次安装有所述粒子质量选择器(4)、飞行时间质谱(3)、加速器(2)、离子源(1)，所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述光电子出口(8)共轴依次安装有所述抽取电极(16)、聚束电极(17)、电子探测器(18)，所述离子探测器(12)位于所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述离子出口(11)处，所述离子源(1)为低重复率的铯溅射离子源，所述聚焦电极组(7)和所述质量选择电极组(9)均为环形电极，相邻电极之间串联有电阻，所述聚焦电极组(7)中仅有电极I(7-1)中心的孔具有金属网，所述聚焦电极组(7)对离子与激光相互作用后产生的离子碎片进行聚焦，以使得离子在到达所述离子探测器(12)前满足粒子速度成像的聚焦条件，所述质量选择电极组(9)的五个电极中心的孔均具有金属网，不会明显影响离子束速度的垂直分量，所述质量选择电极组(9)对从所述离子束入口(6)进入磁屏蔽罩(5)的离子进行质量选择；在所述质量选择电极组(9)上施加一个电压，能够使得具有相同质量的离子以最小的时间分布到达某个位置；通过调节施加在聚焦电极组(7)和质量选择电极组(9)上电压的比例，能够达到能量聚焦条件，并由此改善质谱的分辨率；所述加速器(2)包括电极、离子反射器、抽取器和接地电极，且都有金属网附着，所述金属网与抽取器和接地电极是接触的，以产生静电透镜效应来前满足粒子速度成像的聚焦条件；在所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组(9)外部都具有单独的低温冷屏，以使得储存的离子能够在微秒量级的时间内退化到振动和转动能量的基态；激光入射方向与离子运动方向是正交的，离子振荡通过所述粒子质量选择器(4)达到集束效果，并被锁相于一个锁模激光器，能够保证离子束和激光脉冲瞬时重合，仅在离子向所述聚焦电极组(7)方向运动时与激光相交，电极I(7-1)、电极II(7-2)、电极III(7-3)、电极IV(7-4)、电极V(7-5)的中心孔均为圆形、且半径依次递减，电极VI(9-1)、电极VII(9-2)、电极VIII(9-3)、电极IX(9-4)、电极X(9-5)的中心孔均为圆形、且半径依次递增，
其特征是：所述一种低温下研究光致分离的方法步骤为：
一.离子源(1)产生离子，加速器(2)上施加加速电压使离子被加速，离子经过飞行时间质谱(3)和粒子质量选择器(4)的质量选择后，形成一个离子束片段，从离子束入口(6)进入磁屏蔽罩(5)；
二.将聚焦电极组(7)的电压设为零，质量选择电极组(9)上施加单斜率的电压，使电极VI(9-1)、电极VII(9-2)、电极VIII(9-3)、电极IX(9-4)、电极X(9-5)上的电压按照同一斜率递增、且电极X(9-5)上的电压高于加速器(2)上的加速电压；
三.待离子束片段通过聚焦电极组(7)后，在聚焦电极组(7)上施加脉冲电场，使电极V(7-5)、电极IV(7-4)、电极III(7-3)、电极II(7-2)、电极I(7-1)上电压依次递增，离子运动至质量选择电极组(9)中，受到反向电压的作用作减速运动并反向运动，使得向聚焦电极组(7)运动；
四.在离子离开质量选择电极组(9)后，将质量选择电极组(9)上的电压设为零，接着，被质量选择电极组(9)反射的前驱离子在离子修正板(15)处附近的相互作用区域被激光照射，离子和激光相互作用产生离子碎片和光电子；
五.离子和激光相互作用而产生的离子碎片飞向聚焦电极组(7)并被反射，在电极I(7-1)上施加电压，最终，被反射的离子碎片通过接地的质量选择电极组(9)飞向离子探测器(12)；
六.离子束与激光相互作用后产生的光电子从光电子出口(8)射出，并经过抽取电极(16)和聚束电极(17)加速后到达电子探测器(18)；
七.比较离子探测器(12)得到的离子碎片的信息和电子探测器(18)得到的光电子的信息，用于进行低温下光致分离的研究。
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