CN107507752A - 一种用于研究离子光激发后产物的装置 - 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，一种用于研究离子光激发后产物的装置，聚焦电极组位于离子束入口处内侧，质量选择电极组I位于粒子出口I处内侧，质量选择电极组II位于粒子出口II处内侧，质量选择电极组I和质量选择电极组II轴线之间夹角为30度，光电倍增管阵列的输入面和输出面分别连接一个脉冲电压源的正负极，电子能够通过光电倍增管阵列并在电子探测器的对应位置产生信号，静电偏向器位于聚焦电极组和质量选择电极组I之间，当静电偏向器接地时，能够使沿所述聚焦电极组和质量选择电极组I的轴线运动的粒子通过，当静电偏向器加一定电压后，能够使带电粒子产生一定角度的偏向，在光电倍增管阵列的输入面与地线之间接入电容负载。
Description
技术领域
本发明涉及光电子成像技术领域及分子反应动力学领域，特别是一种能同时测量带电碎片和中性碎片的一种用于研究离子光激发后产物的装置。
背景技术
用于研究光激发的粒子速度成像装置中通常需要有离子束存储装置，静电离子束存储装置通常由两组电极组成，其优点之一是离子的方向性好且能量高，用于探测由光子或电子诱导的反应或衰减而产生的离子碎片。但是，对于直线型静电离子束存储装置，在某些探测离子碎片的实验中上述优点受到限制，其中中性碎片能够通过离子束存储装置的其中一侧的电极组离开离子存储区域，并在存储区域外被探测到，对于带电的碎片，不会离开离子束存储装置，但是由于其不再满足稳定俘获的条件因此会很快消失。为了能够探测与俘获离子带同样电荷的碎片。另外，在某些离子体系中，根据非绝热耦合，由光激发而得到的电子能量以其振动自由度分布；当振动能量重新转化为电子能量时，电子从体系中发射出来，这个过程相对于光激发的过程是有微秒量级的延迟的，但是，现有技术缺陷是，在大多数现有的光电子能谱实验中，只能获得即时的电子发射的相关实验数据，却无法探测延时发射电子并得到其相关信息，所述一种用于研究离子光激发后产物的装置能解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明在直线型静电离子束存储装置的基础上增加了一个静电偏向器来使稳定的离子轨迹偏转，以实现同时测量带电碎片和中性碎片，另外，本发明对光电倍增管阵列的输入面与输出面之间施加脉冲电压来达到一定的时间分辨率，以区分光激发后即时电子发射与延迟的电子发射。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种用于研究离子光激发后产物的装置主要包括离子源、加速器、飞行时间质谱、粒子质量选择器、低温冷屏、离子束入口、由聚焦电极I、聚焦电极II、聚焦电极III、聚焦电极IV、聚焦电极V组成的聚焦电极组、静电偏向器、由电极I、电极II、电极III、电极IV、电极V组成的质量选择电极组I、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II、激光入口、粒子出口I、离子探测器I、磁屏蔽罩、电子背景减少板、反射板、离子修正板、抽取电极、聚束电极、光电倍增管阵列、电子探测器、粒子出口II、离子探测器II并均位于超高真空环境中，所述聚焦电极组、静电偏向器、质量选择电极组I、质量选择电极组II、磁屏蔽罩、电子背景减少板、反射板、离子修正板、抽取电极、聚束电极、光电倍增管阵列、电子探测器均位于所述低温冷屏内，所述电子背景减少板、反射板、离子修正板、抽取电极、聚束电极、光电倍增管阵列、电子探测器均位于所述磁屏蔽罩内，所述低温冷屏具有所述离子束入口、激光入口、粒子出口I、粒子出口II，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静电偏向器之间，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，所述作用区域正上方与所述离子修正板中心共轴依次安装有所述抽取电极、聚束电极、光电倍增管阵列、电子探测器，所述低温冷屏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，所述离子探测器I位于所述低温冷屏外侧正对所述粒子出口I处，所述离子探测器II位于所述低温冷屏外侧的所述粒子出口II处，所述聚焦电极组、质量选择电极组I和质量选择电极组II均为环形电极，所述聚焦电极组中电极的中心孔直径由聚焦电极I向聚焦电极V递增，所述质量选择电极组I中电极的中心孔直径由电极I向电极V递减，所述质量选择电极组II中电极的中心孔直径由电极VI向电极X递减。
所述聚焦电极组位于离子束入口处内侧，所述质量选择电极组I位于粒子出口I处内侧，所述质量选择电极组II位于粒子出口II处内侧，所述质量选择电极组I和质量选择电极组II轴线之间夹角为30度，所述光电倍增管阵列具有输入面和输出面、且分别连接一个脉冲电压源的正负极，所述输入面朝向聚束电极，所述输入面和输出面的电压差超过一定值时，电子能够通过所述光电倍增管阵列并在所述电子探测器的对应位置产生信号，所述静电偏向器由两个共轴的球形电极组成、且位于所述聚焦电极组和质量选择电极组I之间，其内电极半径60mm、外电极半径75mm、外部有接地屏蔽罩，其外电极上具有透孔，当静电偏向器接地时，能够使沿所述聚焦电极组和质量选择电极组I的轴线运动的粒子通过，当静电偏向器加一定电压后，能够使带电粒子产生一定角度的偏向，离子修正板能够补偿由于反射板和抽取电极的电场导致的离子束轨迹的扭曲，在所述光电倍增管阵列的输入面与地线之间接入电容负载，能够在光电倍增管阵列的输入面施加电压脉冲的同时，降低电压脉冲对聚焦电极的电压的影响，以避免电子运动轨迹的散焦。
利用所述一种用于研究离子光激发后产物的装置进行研究的方法步骤为：
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，从离子束入口进入低温冷屏；
二.将聚焦电极组的电压设为零，将质量选择电极组I上的电压设为零，质量选择电极组II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上的电压高于加速电极上的加速电压，静电偏向器上施加电压，使得离子束片段能够偏转进入质量选择电极组II；
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，使聚焦电极V、聚焦电极IV、聚焦电极III、聚焦电极II、聚焦电极I上电压依次递增，离子运动至质量选择电极组II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.被质量选择电极组II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.离子碎片飞向聚焦电极组并被反射，在聚焦电极I上施加电压，最终，离子碎片中与离子源产生的原始离子带有同样电荷的离子碎片，经过静电偏向器偏向后又通过质量选择电极组II飞向离子探测器II，离子碎片中的中性碎片通过质量选择电极组I飞向离子探测器I；同时，光电子经过抽取电极和聚束电极加速后到达光电倍增管阵列的输入面，聚束电极上施加电压峰值为500V；
六.在光电倍增管阵列的输入面与输出面之间施加电压1000V、周期1毫秒的电压脉冲，光电倍增管阵列输出面与电子探测器之间电势差稳定在2000V；
七.测试装置对某种离子的时间分辨率：粒子速度成像的探测效率正比于电子谱的积分，通过电子探测器得到的电子谱得出探测效率，使用示波器测量激光脉冲与高压脉冲的峰值之间的时间差t’，并以10ns为间隔改变t’，测得不同t’条件下的探测效率，得到粒子速度成像的探测效率曲线，横坐标为t’，并由此得出其半高峰宽t1，及峰值t0；
八.将激光脉冲与高压脉冲的时间间隔设为t0，此时电子探测器探测到的为光激发后即时发射电子，而t1时间后电子探测器探测到的为光激发后延迟发射的电子；
九.比较不同时刻离子探测器II得到的带电离子碎片的信息、离子探测器I得到的中性碎片的信息以及电子探测器得到的光电子的信息，用于进行离子光激发后产物的研究。
测试装置对某种离子的时间分辨率的技术说明：由于粒子速度成像的探测效率正比于电子谱的积分，因此通过电子探测器得到的电子谱得出探测效率。使用示波器测量激光脉冲与高压脉冲的峰值之间的时间差t’，并以10ns为间隔改变t’，并测得不同t’条件下的探测效率，得到粒子速度成像的探测效率曲线，横坐标为t’，并由此得出其半高峰宽t1，及峰值t0。
本发明的有益效果是：
本发明使得能够进行带电碎片和中性碎片的同时测量，并且成本低、体积小、操作简单、离子束流方向性好；通过对光电倍增管阵列的输入面与输出面之间施加脉冲电压来达到高时间分辨，电子速度成像的时间分辨率高，能够分辨出即时电子发射和延时电子发射。
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.低温冷屏，6.离子束入口，7.聚焦电极组，7-1.聚焦电极I，7-2.聚焦电极II，7-3.聚焦电极III，7-4.聚焦电极IV，7-5.聚焦电极V，8.静电偏向器，9.质量选择电极组I，9-1.电极I，9-2.电极II，9-3.电极III，9-4.电极IV，9-5.电极V，10.质量选择电极组II，10-1.电极VI，10-2.电极VII，10-3.电极VIII，10-4.电极IX，10-5.电极X，11.激光入口，12.粒子出口I，13.离子探测器I，14.磁屏蔽罩，15.电子背景减少板，16.反射板，17.离子修正板，18.抽取电极，19.聚束电极，20.光电倍增管阵列，21.电子探测器，22.粒子出口II，23.离子探测器II。
具体实施方式
如图1是本发明结构示意图，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)、低温冷屏(5)、离子束入口(6)、由聚焦电极I(7-1)、聚焦电极II(7-2)、聚焦电极III(7-3)、聚焦电极IV(7-4)、聚焦电极V(7-5)组成的聚焦电极组(7)、静电偏向器(8)、由电极I(9-1)、电极II(9-2)、电极III(9-3)、电极IV(9-4)、电极V(9-5)组成的质量选择电极组I(9)、由电极VI(10-1)、电极VII(10-2)、电极VIII(10-3)、电极IX(10-4)、电极X(10-5)组成的质量选择电极组II(10)、激光入口(11)、粒子出口I(12)、离子探测器I(13)、磁屏蔽罩(14)、电子背景减少板(15)、反射板(16)、离子修正板(17)、抽取电极(18)、聚束电极(19)、光电倍增管阵列(20)、电子探测器(21)、粒子出口II(22)、离子探测器II(23)并均位于超高真空环境中，所述聚焦电极组(7)、静电偏向器(8)、质量选择电极组I(9)、质量选择电极组II(10)、磁屏蔽罩(14)、电子背景减少板(15)、反射板(16)、离子修正板(17)、抽取电极(18)、聚束电极(19)、光电倍增管阵列(20)、电子探测器(21)均位于所述低温冷屏(5)内，所述电子背景减少板(15)、反射板(16)、离子修正板(17)、抽取电极(18)、聚束电极(19)、光电倍增管阵列(20)、电子探测器(21)均位于所述磁屏蔽罩(14)内，所述低温冷屏(5)具有所述离子束入口(6)、激光入口(11)、粒子出口I(12)、粒子出口II(22)，所述反射板(16)、离子修正板(17)、抽取电极(18)、聚束电极(19)均为环形，所述电子背景减少板(15)、反射板(16)、离子修正板(17)依次位于所述激光入口(11)处内、且位于所述聚焦电极组(7)和静电偏向器(8)之间，激光能够通过所述激光入口(11)穿过所述电子背景减少板(15)、并于所述离子修正板(17)中心上方处形成激光与离子的相互作用区域，所述作用区域正上方与所述离子修正板(17)中心共轴依次安装有所述抽取电极(18)、聚束电极(19)、光电倍增管阵列(20)、电子探测器(21)，所述低温冷屏(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)，所述离子探测器I(13)位于所述低温冷屏(5)外侧正对所述粒子出口I(12)处，所述离子探测器II(23)位于所述低温冷屏(5)外侧的所述粒子出口II(22)处，所述聚焦电极组(7)、质量选择电极组I(9)和质量选择电极组II(10)均为环形电极，所述聚焦电极组(7)中电极的中心孔直径由聚焦电极I(7-1)向聚焦电极V(7-5)递增，所述质量选择电极组I(9)中电极的中心孔直径由电极I(9-1)向电极V(9-5)递减，所述质量选择电极组II(10)中电极的中心孔直径由电极VI(10-1)向电极X(10-5)递减。
所述聚焦电极组(7)位于离子束入口(6)处内侧，所述质量选择电极组I(9)位于粒子出口I(12)处内侧，所述质量选择电极组II(10)位于粒子出口II(22)处内侧，所述质量选择电极组I(9)和质量选择电极组II(10)轴线之间夹角为30度，所述光电倍增管阵列(20)具有输入面和输出面、且分别连接一个脉冲电压源的正负极，所述输入面朝向聚束电极(19)，所述输入面和输出面的电压差超过一定值时，电子能够通过所述光电倍增管阵列(20)并在所述电子探测器(21)的对应位置产生信号，所述静电偏向器(8)由两个共轴的球形电极组成、且位于所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组I(9)之间，其内电极半径60mm、外电极半径75mm、外部有接地屏蔽罩，其外电极上具有透孔，当静电偏向器(8)接地时，能够使沿所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组I(9)的轴线运动的粒子通过，当静电偏向器(8)加一定电压后，能够使带电粒子产生一定角度的偏向，离子修正板(17)能够补偿由于反射板(16)和抽取电极(18)的电场导致的离子束轨迹的扭曲，在所述光电倍增管阵列(20)的输入面与地线之间接入电容负载，能够在光电倍增管阵列(20)的输入面施加电压脉冲的同时，降低电压脉冲对聚焦电极(19)的电压的影响，以避免电子运动轨迹的散焦。
测试装置对某种离子的时间分辨率的技术说明：由于粒子速度成像的探测效率正比于电子谱的积分，因此通过电子探测器得到的电子谱得出探测效率。使用示波器测量激光脉冲与高压脉冲的峰值之间的时间差t’，并以10ns为间隔改变t’，并测得不同t’条件下的探测效率，得到粒子速度成像的探测效率曲线，横坐标为t’，并由此得出其半高峰宽t1，及峰值t0。
本发明通过聚焦电极组、静电偏向器、两组质量选择电极组的结构保证了稳定的离子轨迹偏转，并实现同时测量带电碎片和中性碎片。另外，本发明对光电倍增管阵列的输入面与输出面之间施加脉冲电压来达到一定的时间分辨率，以区分光激发后即时电子发射与延迟的电子发射；装置成本低、体积小、操作简单、离子束流方向性好。
Claims (1)
1.一种用于研究离子光激发后产物的装置，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)、低温冷屏(5)、离子束入口(6)、由聚焦电极I(7-1)、聚焦电极II(7-2)、聚焦电极III(7-3)、聚焦电极IV(7-4)、聚焦电极V(7-5)组成的聚焦电极组(7)、静电偏向器(8)、由电极I(9-1)、电极II(9-2)、电极III(9-3)、电极IV(9-4)、电极V(9-5)组成的质量选择电极组I(9)、由电极VI(10-1)、电极VII(10-2)、电极VIII(10-3)、电极IX(10-4)、电极X(10-5)组成的质量选择电极组II(10)、激光入口(11)、粒子出口I(12)、离子探测器I(13)、磁屏蔽罩(14)、电子背景减少板(15)、反射板(16)、离子修正板(17)、抽取电极(18)、聚束电极(19)、光电倍增管阵列(20)、电子探测器(21)、粒子出口II(22)、离子探测器II(23)并均位于超高真空环境中，所述聚焦电极组(7)、静电偏向器(8)、质量选择电极组I(9)、质量选择电极组II(10)、磁屏蔽罩(14)、电子背景减少板(15)、反射板(16)、离子修正板(17)、抽取电极(18)、聚束电极(19)、光电倍增管阵列(20)、电子探测器(21)均位于所述低温冷屏(5)内，所述电子背景减少板(15)、反射板(16)、离子修正板(17)、抽取电极(18)、聚束电极(19)、光电倍增管阵列(20)、电子探测器(21)均位于所述磁屏蔽罩(14)内，所述低温冷屏(5)具有所述离子束入口(6)、激光入口(11)、粒子出口I(12)、粒子出口II(22)，所述反射板(16)、离子修正板(17)、抽取电极(18)、聚束电极(19)均为环形，所述电子背景减少板(15)、反射板(16)、离子修正板(17)依次位于所述激光入口(11)处内、且位于所述聚焦电极组(7)和静电偏向器(8)之间，激光能够通过所述激光入口(11)穿过所述电子背景减少板(15)、并于所述离子修正板(17)中心上方处形成激光与离子的相互作用区域，所述作用区域正上方与所述离子修正板(17)中心共轴依次安装有所述抽取电极(18)、聚束电极(19)、光电倍增管阵列(20)、电子探测器(21)，所述低温冷屏(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)，所述离子探测器I(13)位于所述低温冷屏(5)外侧正对所述粒子出口I(12)处，所述离子探测器II(23)位于所述低温冷屏(5)外侧的所述粒子出口II(22)处，所述聚焦电极组(7)、质量选择电极组I(9)和质量选择电极组II(10)均为环形电极，所述聚焦电极组(7)中电极的中心孔直径由聚焦电极I(7-1)向聚焦电极V(7-5)递增，所述质量选择电极组I(9)中电极的中心孔直径由电极I(9-1)向电极V(9-5)递减，所述质量选择电极组II(10)中电极的中心孔直径由电极VI(10-1)向电极X(10-5)递减，
其特征是：所述聚焦电极组(7)位于离子束入口(6)处内侧，所述质量选择电极组I(9)位于粒子出口I(12)处内侧，所述质量选择电极组II(10)位于粒子出口II(22)处内侧，所述质量选择电极组I(9)和质量选择电极组II(10)轴线之间夹角为30度，所述光电倍增管阵列(20)具有输入面和输出面、且分别连接一个脉冲电压源的正负极，所述输入面朝向聚束电极(19)，所述输入面和输出面的电压差超过一定值时，电子能够通过所述光电倍增管阵列(20)并在所述电子探测器(21)的对应位置产生信号，所述静电偏向器(8)由两个共轴的球形电极组成、且位于所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组I(9)之间，其内电极半径60mm、外电极半径75mm、外部有接地屏蔽罩，其外电极上具有透孔，当静电偏向器(8)接地时，能够使沿所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组I(9)的轴线运动的粒子通过，当静电偏向器(8)加一定电压后，能够使带电粒子产生一定角度的偏向，离子修正板(17)能够补偿由于反射板(16)和抽取电极(18)的电场导致的离子束轨迹的扭曲，在所述光电倍增管阵列(20)的输入面与地线之间接入电容负载，能够在光电倍增管阵列(20)的输入面施加电压脉冲的同时，降低电压脉冲对聚焦电极(19)的电压的影响，以避免电子运动轨迹的散焦。
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