CN109632727A - 一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置 - Google Patents

一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置 Download PDF

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刘方刚
余竟雄
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
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Abstract

一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，涉及真空紫外可调单光子电离技术。第1观察窗与第2观察窗成90°安装；短脉冲激光器的光路垂直于第1观察窗和聚焦镜，聚焦镜将短脉冲激光器聚焦于脉冲阀内的高压脉冲气，脉冲阀垂直正交安装在短脉冲激光器焦点上方；短脉冲激光器聚焦于脉冲阀的高压脉冲气产生的真空紫外光和短脉冲激光器光路形成40°入射到光栅，真空紫外光经过光栅分光被检测器接收；检测器被安装在高压脉冲气正下方，检测器和光栅平行安装；所述短脉冲激光器、聚焦镜、高压脉冲气、光栅和检测器的中心处于同一平面上；所述分子泵安装于真空腔底面正中心，组成真空系统，其真空度为10‑5～10‑4Pa。

Description

一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置
技术领域
本发明涉及真空紫外可调单光子电离技术，尤其是涉及一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置。
背景技术
随着光电离技术的发展，科学研究已不在局限于对单一产物的检测，需要同一时刻对复杂组分进行精准分析。而在对复杂混合物进行精准分析过程中，一个关键的问题是要能够实时、灵敏、有选择性地电离分析各组分。常用的电离方法如：电子轰击电离源、化学电离源能对绝大多数组分进行电离，但是由于其具有较高的能量，目标物被电离产生较多的碎片，且无法分析同分异构体。激光光谱对于特定物种具有很好的选择性，但缺少普适性，如：共振增强多光子电离虽然可以用来分析芳香族化学组分，但是对于脂肪族化学组分则无法进行分析。大多数化合物的电离能都在6～12eV光子能量范围之中，其对应的波长为100～200nm真空紫外光。可调真空紫外单光子电离技术可以调节光的能量接近于化学组分的电离阈值。对于同分异构体其电离阈值存在区别，故可以通过调节光的能量来区分同分异构体。可调真空紫外激光光源，如光学参量振荡器虽然可以实现能量可调，但是其成本高，结构复杂，不便携，所以一直难于大规模生产应用。
激光等离子体真空紫外光源是由一束短脉冲激光聚焦在目标靶介质中(如固体)([1].窦银萍，谢卓，宋晓林，田勇，林景全,物理化学，2015，64，235202)，部分激光能量被目标靶介质吸收，导致目标靶介质被加热、电离产生高温高密度等离子体，从而激光直接与产生的等离子体相互作用，并发出真空紫外光，通过光栅对真空紫外光进行分离，由于不同波长的谱线在不同位置出现，从而形成光谱，目前该方法主要用在特殊固体靶材，虽然能得到极紫外光，但是波长并不可调。
发明内容
为了解决激光在真空紫外波段不能连续可调的问题，本发明的目的在于提供一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置。
本发明设有短脉冲激光器、第1观察窗、光栅、分子泵、检测器、脉冲阀、第2观察窗、聚焦镜和真空腔；所述第1观察窗与第2观察窗成90°安装；短脉冲激光器的光路垂直于第1观察窗和聚焦镜，聚焦镜将短脉冲激光器聚焦于脉冲阀内的高压脉冲气，脉冲阀垂直正交安装在短脉冲激光器焦点上方；短脉冲激光器聚焦于脉冲阀的高压脉冲气产生的真空紫外光和短脉冲激光器光路形成40°入射到光栅，真空紫外光经过光栅分光被检测器接收；检测器被安装在高压脉冲气正下方，检测器和光栅平行安装；
所述短脉冲激光器、聚焦镜、高压脉冲气、光栅和检测器的中心处于同一平面上；所述分子泵安装于真空腔底面正中心，组成真空系统，用于提供高真空，其真空度为10-5～10-4Pa。
所述第1观察窗和第2观察窗的表面均镀有增透膜。
所述光栅与高压脉冲气之间的水平距离可为250～500mm。
所述检测器与光栅平行安装的距离可为250～500mm。
所述检测器安装在高压脉冲气正下方的距离可为100～120mm。
所述检测器可采用闪烁计数器、高灵敏度相机、质谱等。
所述脉冲阀垂直正交安装在短脉冲激光器焦点上方的距离焦点可为5～15mm。
所述脉冲阀为超低泄漏极限性能脉冲阀门，所述超低泄漏极限性能脉冲阀门包括压片陶瓷脉冲阀、脉冲电磁阀等。
所述高压脉冲气可采用各种惰性气体。
所述聚焦镜的焦距可为100～200mm。
所述真空腔的材料可为不锈钢。
本发明将脉冲气和短脉冲激光相结合，基于气相激光等离子体原理，通过光栅实现50～250nm不同波长光分离，该波段连续可调，可以用于多组分化合物的电离，对于同分异构体具有很好的分辨能力。所述短脉冲激光可直接由商业化激光器提供，该光路简单，易于安装。
本发明的有益技术效果如下：
1、本发明将单一波长激光作为短脉冲激发激光，可选用波长为1064nm、532nm、355nm和266nm，光路结构简单。
2、本发明采用超低泄漏极限性能脉冲阀门，瞬间产生高压脉冲气体，气体溶度高，产生激光等离子体效率高，强度大。
3、本发明采用的惰性气体可根据实际需求更换，可以是廉价惰性气体，如氩气，或者是昂贵的氙气。
4、本发明通过光栅对真空紫外光进行分离，其精度高，稳定性好。
5、本发明采用高灵敏度检测器，可与质谱仪器连用，实现同分异构体的高效率电离和分析。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明实施例设有短脉冲激光器1、第1观察窗2、光栅4、分子泵5、检测器6、脉冲阀7、第2观察窗9、聚焦镜10和真空腔11；所述第1观察窗2与第2观察窗9成90°安装；短脉冲激光器1的光路垂直于第1观察窗2和聚焦镜10，聚焦镜10将短脉冲激光器1聚焦于脉冲阀7内的高压脉冲气8，脉冲阀7垂直正交安装在短脉冲激光器1焦点上方；短脉冲激光器1聚焦于脉冲阀7的高压脉冲气8产生的真空紫外光3和短脉冲激光器1光路形成40°入射到光栅4，真空紫外光3经过光栅4分光被检测器6接收；检测器6被安装在高压脉冲气8正下方，检测器6和光栅4平行安装。
所述短脉冲激光器1、聚焦镜10、高压脉冲气8、光栅4和检测器6的中心处于同一平面上；所述分子泵5安装于真空腔11底面正中心，为系统提供高真空，组成真空系统，其真空度为10-5～10-4Pa。
所述第1观察窗2和第2观察窗9的表面均镀有增透膜。
所述光栅4与高压脉冲气8之间的水平距离为250～500mm。所述光栅是由大量等宽等间距平行狭缝构成，不同波长的谱线在不同位置出现，从而形成光谱。
所述检测器6与光栅4平行安装的距离为250～500mm。
所述检测器6被安装在高压脉冲气8正下方的距离为100～120mm。
所述检测器6采用闪烁计数器、高灵敏度相机、质谱等。
所述脉冲阀7垂直正交安装在短脉冲激光器1焦点上方的距离焦点为5～15mm。
所述脉冲阀7为超低泄漏极限性能脉冲阀门，所述超低泄漏极限性能脉冲阀门包括压片陶瓷脉冲阀、脉冲电磁阀等。
所述高压脉冲气8采用各种惰性气体，所述高压脉冲气可以实现所有惰性气体高温等离子体化，瞬时气压高，等离子化效率高，发出的真空紫外光强度大。
所述聚焦镜10的焦距为100～200mm。所述聚焦镜可根据仪器大小进行安装，焦距可调。
所述真空腔11的材料为不锈钢。
本发明的工作原理如下：
由短脉冲激光器1产生的固定波长高能量短脉冲激光，经第1观察窗2入射到聚焦镜10，聚焦镜10将短脉冲激光聚焦成一个光点，正好与脉冲阀7喷射出的高压脉冲气8相交汇，部分激光能量被高压脉冲气8吸收，导致高压脉冲气8被加热，电离产生高温高密度等离子体，从而固定波长高能量短脉冲激光直接与产生的等离子体相互作用，并发出真空紫外光。通过光栅4对真空紫外光进行分离，由于不同波长的谱线在不同位置出现，从而形成光谱，得到相应波长的真空紫外光。

Claims (10)

1.一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于设有短脉冲激光器、第1观察窗、光栅、分子泵、检测器、脉冲阀、第2观察窗、聚焦镜和真空腔；所述第1观察窗与第2观察窗成90°安装；短脉冲激光器的光路垂直于第1观察窗和聚焦镜，聚焦镜将短脉冲激光器聚焦于脉冲阀内的高压脉冲气，脉冲阀垂直正交安装在短脉冲激光器焦点上方；短脉冲激光器聚焦于脉冲阀的高压脉冲气产生的真空紫外光和短脉冲激光器光路形成40°入射到光栅，真空紫外光经过光栅分光被检测器接收；检测器被安装在高压脉冲气正下方，检测器和光栅平行安装；
所述短脉冲激光器、聚焦镜、高压脉冲气、光栅和检测器的中心处于同一平面上；所述分子泵安装于真空腔底面正中心，组成真空系统，用于提供高真空，其真空度为10-5～10- 4Pa。
2.如权利要求1所述一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于所述第1观察窗和第2观察窗的表面均镀有增透膜。
3.如权利要求1所述一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于所述光栅与高压脉冲气之间的水平距离为250～500mm。
4.如权利要求1所述一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于所述检测器与光栅平行安装的距离为250～500mm。
5.如权利要求1所述一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于所述检测器被安装在高压脉冲气正下方的距离为100～120mm。
6.如权利要求1所述一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于所述检测器采用闪烁计数器、高灵敏度相机、质谱。
7.如权利要求1所述一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于所述脉冲阀垂直正交安装在短脉冲激光器焦点上方的距离焦点为5～15mm；所述脉冲阀为超低泄漏极限性能脉冲阀门，所述超低泄漏极限性能脉冲阀门包括压片陶瓷脉冲阀、脉冲电磁阀。
8.如权利要求1所述一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于所述高压脉冲气采用各种惰性气体。
9.如权利要求1所述一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于所述聚焦镜的焦距为100～200mm。
10.如权利要求1所述一种基于气相激光等离子体可调真空紫外单光子电离装置，其特征在于所述真空腔的材料为不锈钢。
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