CN110186995A - 基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法 - Google Patents

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CN110186995A CN201910504578.3A CN201910504578A CN110186995A CN 110186995 A CN110186995 A CN 110186995A CN 201910504578 A CN201910504578 A CN 201910504578A CN 110186995 A CN110186995 A CN 110186995A
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吴鼎
冯春雷
李聪
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Abstract

本发明涉及质谱分析技术领域，提供一种基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法，包括：步骤1，将靶材放置于飞行时间质谱仪的真空引出场腔室内，调整激光光路，选取符合测量要求的空间范围选择挡片；步骤2，通过数字延时脉冲发生器和LabVIEW虚拟实验平台控制程序设置激光器、高压脉冲电场，离子探测器之间开门时序和门宽；步骤3，在每一个脉冲的激光烧蚀靶材产生等离子体后，使满足特定条件的离子进入到真空无场漂移腔室后，得到质谱数据；步骤4，将采集得到的质谱数据传输到计算机，进行处理和显示，得到相对应的离子物种信息。本发明能够同时检测等离子体中多电荷态离子的时间演化。

Description

基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法
技术领域
本发明涉及质谱分析技术领域，尤其涉及一种基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法。
背景技术
飞行时间质谱技术涉及到理工科类的多门学科的学术研究，是当前国际前沿科学与技术发展的热点之一。飞行时间质谱仪的原型是由威利和麦克拉伦在1955年设计的质谱仪系统发展而来，该方法很早之前被作为带电粒子的荷质比的测量及分析方法。飞行时间质谱技术探测灵敏度很高，对于物种分辨的精确度也很高，理论及实验研究表明，飞行时间质谱方法可以一次得到很宽的质量范围的全谱图。飞行时间质谱测量技术与激光烧蚀产生等离子体源的方法结合，即为激光烧蚀飞行时间质谱等离子体诊断技术。而众所周知，激光烧蚀等离子体在很多科学领域有着很广泛的应用，例如脉冲激光沉积、极紫外光源、激光诱导击穿光谱、激光推进以及纳米颗粒制备等。
在极紫外光源的应用中，极紫外光谱辐射来源于等离子体中多电荷态离子的高能激发态能级跃迁，所以对于优化极紫外光源以及提高能量转换效率最重要的过程就是研究高能激发产生的等离子体中多电荷态离子分布以及其动力学演化。现在对于等离子体中多电荷态离子的研究多集中于光谱实验和理论模拟，其中光谱实验所获得的结果是多价态离子整体累计的结果，无法区分单个价态离子的行为，而理论模拟需要建立的复杂的模型，有很多的未解决的问题，模拟结果缺乏实验数据的支撑和验证，从而存在很大的不确定性。因此在对激光烧蚀产生等离子体的研究中，能够验证和补充光谱数据和理论模型结果就显得十分迫切。
与光谱诊断手段相互比较可知，飞行时间质谱能精确地对所分析的等离子体中多电荷态离子的物种成分进行测量，并且通过调节不同的脉冲引出场延时，获得等离子体演化过程中离子的种类变化。所以，飞行时间质谱方法现已被利用于理解和研究激光烧蚀和等离子体过程机理的研究。
综上所述，利用飞行时间质谱技术来测量激光烧蚀产生等离子体膨胀过程中物种时间演化的分布,并测量等离子体中多电荷态离子的横向速度分布。
发明内容
本发明主要解决现有技术无法快速精确检测等离子体膨胀过程中物种分布的难题，以及能够同时检测等离子体中多电荷态离子的时间演化等技术问题，提出一种基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法，能够同时检测等离子体中多电荷态离子的时间演化，为激光烧蚀等离子体光谱实验和理论模型的研究中关于等离子体膨胀过程多价态离子物种分布问题提供有力的实验数据支撑。
本发明提供了一种基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法，包括以下步骤：
步骤1，采用包含脉冲激光器、飞行时间质谱仪、高压脉冲电源、时序脉冲数字延时发生器、离子探测器、空间范围选择挡片、示波器的等离子体检测装置；将靶材放置于飞行时间质谱仪的真空引出场腔室内，调整激光光路，选取符合测量要求的空间范围选择挡片；
步骤2，根据测量目的，通过数字延时脉冲发生器和LabVIEW虚拟实验平台控制程序设置激光器、高压脉冲电场，离子探测器之间开门时序和门宽，并设置示波器对波形数据的实时显示及存储；
步骤3，开始测量，在每一个脉冲的激光烧蚀靶材产生等离子体后，使满足特定条件的离子进入到真空无场漂移腔室后，根据离子之间不同荷质比到达离子探测器的时间不同，得到质谱数据；
步骤4，质谱探测器接收质谱数据，并由示波器同步采集后，将采集得到的质谱数据传输到计算机，由LabVIEW虚拟实验平台进行处理和显示，得到相对应的离子物种信息。
进一步的，所述时序脉冲数字延时发生器的型号为DG645。
进一步的，通过LabVIEW虚拟实验平台远程控制时序脉冲数字延时发生器各通道的延迟时间和TTL触发电平。
本发明提供的一种基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法，利用飞行时间质谱技术可以精确、快速、同步的测量激光烧蚀等离子体中多电荷态离子分布以及其动力学演化的方法。本发明可以得到等离子体膨胀过程中不同延迟时间下物种成分分布，判定等离子体膨胀过程中多电荷态的演化分布，为光谱实验和理论模型研究提供补充。
附图说明
图1是本发明提供的基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法的示意图；
图2是激光烧蚀等离子体中不同时间多电荷态物种分布质谱谱线示意图；
图3是激光烧蚀等离子体不同电荷态物种时间演化二维示意图；
图4是激光烧蚀等离子体时间演化物种分布检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1是本发明提供的基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法的示意图。如图1所示，本发明实施例提供的基于飞行时间质谱仪测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法，包括以下步骤：
步骤1，采用包含脉冲激光器、飞行时间质谱仪、高压脉冲电源、时序脉冲数字延时发生器、离子探测器、空间范围选择挡片、示波器的等离子体检测装置；将靶材放置于飞行时间质谱仪的真空引出场腔室内，调整激光光路，选取符合测量要求的空间范围选择挡片。
在本实施例中，等离子体检测装置是包含脉冲激光器、飞行时间质谱仪、高压脉冲电源、时序脉冲数字延时发生器、离子探测器、空间范围选择挡片、示波器的检测装置；其中，空间范围选择挡片是一种能够限制、选择出不同延时下的粒子并引出的装置。另外，本发明方法配合的设备脉冲激光器烧蚀样品产生等离子体，高压脉冲电源提供加速电场，时序脉冲数字延时发生器(DG654)控制其它检测装置触发顺序，离子探测器检测经脉冲加速电场加速进入到无场漂移区的离子，示波器采集信号并输出波形数据。
步骤2，根据测量目的，通过数字延时脉冲发生器和LabVIEW虚拟实验平台控制程序设置激光器、高压脉冲电场，离子探测器之间开门时序和门宽，并设置示波器对波形数据的实时显示及存储。
步骤3，点击开始开关开始测量，在每一个脉冲的激光烧蚀靶材产生等离子体后，使满足特定条件的离子进入到真空无场漂移腔室后，根据离子之间不同荷质比到达离子探测器的时间不同，得到质谱数据。
在本步骤中，通过LabVIEW虚拟实验平台远程控制时序脉冲数字延时发生器各通道的延迟时间和TTL触发电平，由数字延迟发生器其中一路通道触发激光器输出TTL信号；开启脉冲激光器，使脉冲激光器产生脉冲激光烧蚀靶材获得等离子体，触发激光器输出激光的同步时刻，通过时序脉冲数字延时发生器的其它几路通道分别触发脉冲离子引出电场和示波器，使脉冲电场加载到设置的电压状态，示波器处于采集数据状态。测量开始之前选取的空间范围选择挡片与之配合，可以筛选出满足特定条件的离子，最后被离子探测器探测到。
在本步骤描述的整个过程中，脉冲激光烧蚀靶材产生的等离子体急速向外膨胀，进入脉冲加速电场后离子会被加速并被引出，之后进入无场漂移区。由于在脉冲电场中所有离子都加载了相同的电场，但不同物种的离子荷质比不同，对于相同电场的响应会反映在运动的现象上，质量越轻的物种飞行速度越快，价态越高的离子飞行速度越快。所以在无场漂移区间，不同的物种会由于速度不同而彼此分离，最终到达漂移末端离子探测器的时间出现区分，示波器通过显示离子探测器探测到的离子到达时间即为质谱数据，该数据即包含了相对应的离子物种信息。时序脉冲数字延时发生器的型号为DG645。
步骤4，质谱探测器接收质谱数据，并由示波器同步采集后，将采集得到的质谱数据以数字化数据形式传输到计算机，由LabVIEW虚拟实验平台进行处理和显示，得到相对应的离子物种信息。
在本步骤中，对原始的质谱数据可以进行加权平均、寻峰、积分、波形同步显示等处理，原始的质谱数据和处理数据在软件界面同步显示。LabVIEW虚拟实验平台设置了多个质量峰通道，可以自动或者手动寻峰，通过在无场漂移的飞行时间确定物种质谱谱线信息，实现对固定物种的实时监测，也可以通过定标元素的质谱数据进行确定物种成分。通过按梯度改变延迟时间逐步扫描的数据，可以获得激光烧蚀等离子体羽在不同延时的物种分布，最终探究到等离子体羽的时间演化行为，得到相对应的离子物种信息。
本发明的基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法可以通过图4所示的基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量装置实现，如图4所示该装置包括：真空系统单元1、等离子体产生单元2、粒子约束选择及分离单元3和信号收集单元4。真空系统单元1包括真空脉冲引出场腔室11和真空无场漂移腔室12。等离子体产生单元2包括：纳秒脉冲激光器21、激光反射镜22、激光聚焦透镜23、样品托举靶24和旋转电机25。所述粒子约束选择及分离单元3，包括：粒子限制选择器和多个离子脉冲加速电极板34；所述粒子限制选择器包括约束器托举块、约束器32和约束器选择挡片33；信号收集单元4，包括：微通道板离子探测器41、示波器42、时序脉冲数字延时发生器43、计算机44和信号传输线45。
下面以实例对本发明的方法进行说明：
图2是激光烧蚀等离子体中不同时间高电荷态物种分布质谱谱线示意图；
图3是激光烧蚀等离子体不同电荷态物种时间演化二维示意图。实验时，真空腔室真空度维持在4.5×10-4pa以下，利用工作基频波长为1064nm、脉宽为8ns的Nd:YAG调Q脉冲激光器烧蚀实验样品产生等离子体，到达样品表面的激光能量约为60mJ，脉冲加速电场设置为3800V。图2给出了所测样品激光烧蚀等离子体中不同时间延时的物种信息，如图所示，在随时间演化过程中等离子体中较高价态最先出现并主导，随后低价态离子被陆续探测到。反映了样品中元素物种激光烧蚀产生的等离子体随时间演化过程中的多电荷态变化。不同电荷态物种随时间的演化，表明了激光烧蚀等离子体在绝热自由膨胀过程中复杂的物理过程。图3为激光烧蚀等离子体不同电荷态物种时间演化二维示意图，可以更直观地看到电荷态越高的物种，越早被探测到，表明高价态离子出现的时间越早。
本发明实施例提供的基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法：基于LabVIEW程序控制平台，利用时序脉冲数字延时发生器控制不同仪器之间的时间顺序，通过获得等离子体膨胀过程中逐步扫描测量不同时间的飞行时间质谱数据，对激光烧蚀产生等离子体中多价态离子的演化规律进行研究，为进一步认识理解激光烧蚀、等离子体形成和膨胀的物理过程添加内容。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用包含脉冲激光器、飞行时间质谱仪、高压脉冲电源、时序脉冲数字延时发生器、离子探测器、空间范围选择挡片、示波器的等离子体检测装置；将靶材放置于飞行时间质谱仪的真空引出场腔室内，调整激光光路，选取符合测量要求的空间范围选择挡片；
步骤2，根据测量目的，通过数字延时脉冲发生器和LabVIEW虚拟实验平台控制程序设置激光器、高压脉冲电场，离子探测器之间开门时序和门宽，并设置示波器对波形数据的实时显示及存储；
步骤3，开始测量，在每一个脉冲的激光烧蚀靶材产生等离子体后，使满足特定条件的离子进入到真空无场漂移腔室后，根据离子之间不同荷质比到达离子探测器的时间不同，得到质谱数据；
步骤4，质谱探测器接收质谱数据，并由示波器同步采集后，将采集得到的质谱数据传输到计算机，由LabVIEW虚拟实验平台进行处理和显示，得到相对应的离子物种信息。
2.根据权利要求1所述的基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法，其特征在于，所述时序脉冲数字延时发生器的型号为DG645。
3.根据权利要求1所述的基于质谱测量激光烧蚀等离子体物种时间演化测量方法，其特征在于，通过LabVIEW虚拟实验平台远程控制时序脉冲数字延时发生器各通道的延迟时间和TTL触发电平。
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