CN111863583A - 一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法及系统 - Google Patents

一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111863583A
CN111863583A CN202010688936.3A CN202010688936A CN111863583A CN 111863583 A CN111863583 A CN 111863583A CN 202010688936 A CN202010688936 A CN 202010688936A CN 111863583 A CN111863583 A CN 111863583A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ion
ions
outer diameter
inner diameter
reaction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010688936.3A
Other languages
English (en)
Inventor
王兴安
仇启明
栾志文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology of China USTC
Original Assignee
University of Science and Technology of China USTC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology of China USTC filed Critical University of Science and Technology of China USTC
Priority to CN202010688936.3A priority Critical patent/CN111863583A/zh
Publication of CN111863583A publication Critical patent/CN111863583A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0027—Methods for using particle spectrometers
    • H01J49/0031—Step by step routines describing the use of the apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2907—Angle determination; Directional detectors; Telescopes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/022—Circuit arrangements, e.g. for generating deviation currents or voltages ; Components associated with high voltage supply
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/025—Detectors specially adapted to particle spectrometers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/062—Ion guides
    • H01J49/063—Multipole ion guides, e.g. quadrupoles, hexapoles

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法及系统，属于交叉束反应/离子成像仪领域。包括：通过脉冲电极设置的离子分子反应区，使离子在进入反应区时不受电场干扰，离子分子反应后通过脉冲电极进入离子聚焦区，将具有相同速度的离子进行聚焦，聚焦后经由简状电极组成的飞行放大区后打到磷光屏上进行探测。本发明可用于离子相关反应的反应截面、产物散射角等微观反应细节的探测。

Description

一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法及系统
技术领域
本发明属于交叉束反应/离子成像仪领域，具体涉及一种用于离子分子反应的离子透镜成像系统。
背景技术
离子成像仪在交叉分子束反应有着重要的应用。早期的Wiley-McLaren装置中使用三片同心电极片组成静电排斥型离子透镜系统，用于飞行时间探测以及离子成像实验。但均匀电场透镜系统在离子成像方面分辨率比较低，1997年，Parker等人使用非均匀电场的三透镜系统极大地提高了离子速度成像的分辨率并将其用到光解动力学的研究。随后，离子成像技术用在了光电离动力学，交叉分子束反应以及离子分子反应等中。
在离子分子反应中，由于反应物其中一种为易受电场影响的离子，因此需要在离子进入反应中心之前需要提供无电场的环境，否则离子会受电场的干扰而不能按照原有的飞行轨迹进入反应中心。因此我们在设计离子透镜时，不仅需要设计合适的电极片尺寸和施加电压使得产物离子能够实现高精度的聚焦，同时我们需要对反应区的电场进行脉冲控制，使得离子束进入反应区之前保持一个无场的自由飞行状态。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的旨在于设计一套能够用于离子分子反应成像的离子透镜系统，使得反应物离子束可以自由飞行至反应区参与反应同时产物离子可以实现成像聚焦。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法，包括：
利用脉冲电极，使离子与分子在进入反应区时处于无场状态；反应后，加上脉冲电压，将反应物离子推入离子透镜；
离子经过离子透镜聚焦后，实现不同速度的离子在空间处于不同位置，经过飞行放大区放大之后，达到一个较好的位置分辨率后到达磷光屏，进行信号探测。
进一步地，脉冲电极的频率与脉宽要与离子分子进入的时间以及反应时长要有精细的契合，使得离子分子在进入的过程中处于无场作用，在反应完成后迅速推入离子透镜。
进一步地，离子在进入离子透镜之后，要加上合适的电场梯度，使得不同速度的离子在空间上得以分开，相同速度的离子在空间上位置相同。
进一步地，离子在到达磷光屏时需要有较高的位置分辨率，故在离子透镜聚焦后经由简状电极进行放大。
进一步地，所用磷光屏需要有较高的响应效率和位置分辨率，通过磷光屏各个位置的信号量可以得出反应物离子的速度分辨。
一种用于离子分子反应的离子透镜成像系统，其特征在于，包括：脉冲的推斥极和接地极构成的反应区、离子聚焦区、飞行放大区、MCP以及磷光屏探测器，其中：
离子透镜系统由14片环电极组成，其中第二片电极P2接地，第一片电极P1采用脉冲式加压以保证离子在进入反应区时可以不受环境电场的影响。余下电极依次加上特定电压，使反应后的离子进行聚焦，然后经过三个筒状电极后，达到最佳的聚焦效果并用磷光屏探测。
图1为离子透镜系统的示意图。从左往右各电极的电压分别为：P1为+40V，P2为0V，P3为-35V，P4为-90V，P5为-140V，P6为-210V，P7为-320V，P8为-400V，P9为-480V，P10为-560V，P11为-630V，P12为-700V，P13为-750V，P14为-800V。其中P1为脉冲式加压，根据反应的时序可以调控，保证离子在进入反应区时不受场的干扰。三个简状电极的电压都为-1000V。
为实现最佳的聚焦效果，经过大量精密的实验优化，得到了下面各器件的最优尺寸选择：
P1内径为2mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P2内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P3内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P4内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P5内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P6内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P7内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P8内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P9内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P10内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P11内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P12内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P13内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
P14内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm。
简状电极：T1内径为70mm，外径为80mm，长度为80mm
T2内径为70mm，外径为80mm，长度为80mm
T3内径为70mm，外径为80mm，长度为80mm
以上尺寸在加工过程中可以安装实际需求在一定比例内放大或缩小，不影响离子的聚焦效果。
本发明与现有技术相比的有点在于：
(1)本发明采用了脉冲电压的方式，可以使离子在进入反应区时完全不受外场的干扰。
(2)本发明使用了14片电极使得电场梯度更为精细，结合简状电极构成的飞行放大区，使得离子在到达探测器的时候达到非常高的速度分辨率。
(3)本发明使用高精度的磷光屏探测器，结合速度成像的方法和原理可以得到产物的详细动力学信息，为探测离子分子反应的动力学细节提供了一个非常强有力的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为离子透镜的系统示意图；
图2为离子透镜的聚焦模拟图；
图3为离子透镜聚焦的局部放大图；
图4为离子在磷光屏上的聚焦效果示意图；
图5为整体时序示意图；
图6为系统实物示意图；
图7为本发明用于离子分子反应的具体方法流程图。
具体实施方式
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种离子分子反应成像的透镜系统。如图1所示，在离子与分子进入P1与P2之间的反应区时，脉冲电极P1不加电压，离子分子在反应区进行一定时间反应后，利用快速响应的脉冲盒给P1加上推斥电压，反应物离子进入离子透镜聚焦。为保证反应物进入时处于无场作用，P2必须接地。P3——P14所加电压为多次模拟所得到的最佳值。分别为：P3为-35V，P4为-90V，P5为-140V，P6为-210V，P7为-320V，P8为-400V，P9为-480V，P10为-560V，P11为-630V，P12为-700V，P13为-750V，P14为-800V。反应物离子进入离子聚焦区后，不同速度的离子开始在空间上处于不同位置，相同速度的离子处于相同位置。为进一步的提高位置分辨率，我们加上了三个简状电极，使聚焦后的离子自由飞行，在空间上进一步放大后到达我们的磷光屏探测器。磷光屏探测器具有高效率的信号响应以及位置分辨，通过磷光屏上不同位置的信号量大小，我们可以推算出反应物的速度分布以及角度分布，从而得到离子分子反应的动力学信息。
图2为几束具有不同动能的离子在不同位置的聚焦模拟图。由图3可以看出，具有相同速度的离子开始在空间上聚拢。由图4可以看出，在最终的磷光屏上，相同速度的离子聚焦于一点。
如图5所示：束源进入反应中心(此时脉冲电压处于关闭状态)，离子束与分子束进行碰撞。经过一段反应时间后，打开脉冲电压，脉冲持续一段时间，确认将所有产物离子推走后脉冲电压关闭。以此循环。如图6所示，给出了本发明系统的实物示意图。
如图7所示，给出了本发明系统在离子分子反应应用时的一个具体操作过程，步骤1、脉冲电极关闭，离子与分子无电场作用进入反应区；步骤2、反应完成后，脉冲电极开启，将反应物离子推至离子透镜；步骤3、离子透镜将离子进行聚焦后，离子进入飞行放大区；步骤4、离子经过放大区后，打到磷光屏上收集探测信号。

Claims (8)

1.一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法，其特征在于：包括：
利用脉冲电极，使离子与分子在进入反应区时处于无场状态；反应后，加上脉冲电压，将反应物离子推入离子透镜；
离子经过离子透镜聚焦后，实现不同速度的离子在空间处于不同位置，经过飞行放大区放大之后，达到一个较好的位置分辨率后到达磷光屏，进行信号探测。
2.根据权利要求1所述的用于离子分子反应的离子透镜成像方法，其特征在于，脉冲电极的频率与脉宽要与离子分子进入的时间以及反应时长要有精细的契合，使得离子分子在进入的过程中处于无场作用，在反应完成后迅速推入离子透镜。
3.根据权利要求1所述的用于离子分子反应的离子透镜成像方法，其特征在于，离子在进入离子透镜之后，要加上合适的电场梯度，使得不同速度的离子在空间上得以分开，相同速度的离子在空间上位置相同。
4.根据权利要求1所述的用于离子分子反应的离子透镜成像方法，其特征在于，离子在到达磷光屏时需要有较高的位置分辨率，故在离子透镜聚焦后经由简状电极进行放大。
5.根据权利要求1所述的用于离子分子反应的离子透镜成像方法，其特征在于，所用磷光屏需要有较高的响应效率和位置分辨率，通过磷光屏各个位置的信号量可以得出反应物离子的速度分辨。
6.一种用于离子分子反应的离子透镜成像系统，其特征在于，包括：脉冲的推斥极和接地极构成的反应区、离子聚焦区、飞行放大区、MCP以及磷光屏探测器，其中：
离子透镜系统由14片环电极组成，其中第二片电极P2接地，第一片电极P1采用脉冲式加压以保证离子在进入反应区时可以不受环境电场的影响，余下电极依次加上特定电压，使反应后的离子进行聚焦，然后经过三个筒状电极后，达到最佳的聚焦效果并用磷光屏探测。
7.根据权利要求6所述的用于离子分子反应的离子透镜成像系统，其特征在于，从左往右各电极的电压分别为：P1为+40V，P2为0V，P3为-35V，P4为-90V，P5为-140V，P6为-210V，P7为-320V，P8为-400V，P9为-480V，P10为-560V，P11为-630V，P12为-700V，P13为-750V，P14为-800V，其中P1为脉冲式加压，根据反应的时序可以调控，保证离子在进入反应区时不受场的干扰，三个简状电极的电压都为-1000V。
8.根据权利要求6或7所述的用于离子分子反应的离子透镜成像系统，其特征在于，为实现最佳的聚焦效果，经过大量精密的实验优化，得到了下面各器件的最优尺寸选择：
P1内径为2mm,外径为80mm，厚度为1mm；
P2内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P3内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P4内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P5内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P6内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P7内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P8内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P9内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P10内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P11内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P12内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P13内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
P14内径为40mm，外径为80mm，厚度为1mm；
简状电极：T1内径为70mm，外径为80mm，长度为80mm；
T2内径为70mm，外径为80mm，长度为80mm；
T3内径为70mm，外径为80mm，长度为80mm；
以上尺寸在加工过程中可以安装实际需求在一定比例内放大或缩小，不影响离子的聚焦效果。
CN202010688936.3A 2020-07-17 2020-07-17 一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法及系统 Pending CN111863583A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010688936.3A CN111863583A (zh) 2020-07-17 2020-07-17 一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010688936.3A CN111863583A (zh) 2020-07-17 2020-07-17 一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111863583A true CN111863583A (zh) 2020-10-30

Family

ID=72983096

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010688936.3A Pending CN111863583A (zh) 2020-07-17 2020-07-17 一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111863583A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112700903A (zh) * 2020-12-28 2021-04-23 中国科学技术大学 一种冷原子与离子速度成像复合的探测系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN208062022U (zh) * 2018-04-19 2018-11-06 南京信息工程大学 实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪
US10490397B1 (en) * 2018-07-18 2019-11-26 Thermo Finnigan Llc Methods and systems for detection of ion spatial distribution

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN208062022U (zh) * 2018-04-19 2018-11-06 南京信息工程大学 实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪
US10490397B1 (en) * 2018-07-18 2019-11-26 Thermo Finnigan Llc Methods and systems for detection of ion spatial distribution

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
胡婕: "低能量离子—分子反应的离子速度成像装置研制", 《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊）》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112700903A (zh) * 2020-12-28 2021-04-23 中国科学技术大学 一种冷原子与离子速度成像复合的探测系统
CN112700903B (zh) * 2020-12-28 2024-05-17 中国科学技术大学 一种冷原子与离子速度成像复合的探测系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9905410B2 (en) Time-of-flight mass spectrometry using multi-channel detectors
US20100301202A1 (en) Tandem TOF Mass Spectrometer With High Resolution Precursor Selection And Multiplexed MS-MS
US7531793B2 (en) Tandem mass spectrometry system
CN107851549A (zh) 多反射tof质谱仪
JP2006134893A (ja) タンデム質量分析
CN102446693B (zh) 一种带电粒子的加速方法及其应用
CN103065921A (zh) 一种多次反射的高分辨飞行时间质谱仪
EP3607576B1 (en) Ion transfer from electron ionization sources
CN103875057A (zh) 质谱仪
CN102099892A (zh) 用于共点成像的tof质谱仪及其相关方法
US4556794A (en) Secondary ion collection and transport system for ion microprobe
JP2005079037A (ja) 質量分析装置
EP2831904A2 (en) Method and apparatus to provide parallel acquisition of mass spectrometry/mass spectrometry data
WO2011028435A2 (en) Tandem tof mass spectrometer with pulsed accelerator to reduce velocity spread
JP4248540B2 (ja) 質量分析装置およびこれを用いる計測システム
CN111863583A (zh) 一种用于离子分子反应的离子透镜成像方法及系统
CN111223752B (zh) 一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置
CN103531432B (zh) 一种脉冲式离子源、质谱仪及产生离子的方法
CN102105961B (zh) 用于离子轴向空间分布聚焦的方法和设备
RU2018131169A (ru) Система извлечения для вторичных заряженных частиц, предназначенная для применения в масс-спектрометре или другом устройстве для заряженных частиц
US20110266431A1 (en) Tandem TOF Mass Spectrometer With High Resolution Precursor Selection And Multiplexed MS-MS And MS-MS Operation
US9754772B2 (en) Charged particle image measuring device and imaging mass spectrometry apparatus
WO2013134165A1 (en) Tandem time-of-flight mass spectrometry with simultaneous space and velocity focusing
US20070057177A1 (en) Non-linear ion post-focusing apparatus and mass spectrometer using the same
RU2504044C2 (ru) Циклический масс-спектрометр газовых частиц

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201030