CN112444839B - 一种高分辨光电子速度成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨光电子速度成像装置，包括：电子飞行管道、电子速度聚焦棱镜组、屏蔽电极、电子时间‑位置探测器和屏蔽罩。本发明将传统的光电子速度成像系统中的静电透镜设计为多级静电透镜，在光电子无场飞行区域设立多级接地电极保护电极屏蔽电场，结合高时间、空间分辨率的微通道板，使得在对低动能电子实现高分辨率的情况下，对高动能电子也能保持较高的分辨率。通过调整施加在静电透镜上的电压，可以实现对不同动能范围的光电子均实现较高的分辨率。

Description

一种高分辨光电子速度成像装置

技术领域

本发明涉及能谱分析技术领域，尤其是一种高分辨光电子速度成像装置。

背景技术

“离子团簇”为几个乃至上千个离子形成相对稳定的聚集体，空间尺度可以从埃米(10^-10m)至纳米(10^-9m)量级。“团簇”介于原子、分子与宏观固体之间的物质结构新层次，其物理和化学性质随所包含的原子数目而变化，伴随如量子尺寸效应、幻数效应、宏观量子隧道效应和表面效应等新特性的出现，对离子团簇结构及其光物理化学性能的研究具有重要的科学意义和应用价值。

国际上有许多激光光谱技术应用于研究团簇的电子几何结构，如零动能谱，光电子能谱等。从传统光电子能谱发展起来的阴离子光电子速度成像，作为一种新技术和方法用于团簇研究并逐渐显示其独特的优势。由于在电子飞行过程中引入了特殊的电子透镜，使其能量分辨大为提高。典型的速度成像能谱仪在光脱附区采用足够大的加速电压，几乎能收集所有产生的不同动能的光电子，但是对于高动能电子的能量分辨率限制在2％，在此基础上发展起来的高能光电子速度成像谱仪对0.89eV的光电子的能量分辨率可以达到0.38％，但是应用于低能光电子的探测时表现较差。在光电子速度成像基础上发展起来的慢电子速度成像技术，使用较低的反射电压，只收集动能10-20meV或更小动能的光电子，实现了较高的能量分辨率：当光电子动能为23cm^-1时，光电子成像实验的能量分辨能能够达到1.5cm^-1，但是其设计不适用于探测高能光电子。高的分辨率可以解析能量近简并的电子态，甚至精细的振动结构，保证获得清晰的能谱，从而有利于光谱指认，获取相应团簇的精确的电子亲合势，垂直脱附势，不同电子态的能量间隔，以及振动频率等光谱信息，对于复杂团簇结构和性质确定，分子及分子团簇异构体的结构和性质研究等方面都有重要作用；高的能量探测范围能够探测更丰富的能谱信息。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种高分辨光电子速度成像装置，该装置在传统的光电子速度成像技术基础上，采用了多级静电透镜的方式，加长了屏蔽电极的长度，并且增加了离子飞行腔的长度，在保证对阈值光电子实现高分辨率(～1cm^-1)的情况下，对高动能电子也能保持较高的分辨率(ΔE/E～0.5％)。通过调整施加在静电透镜上的电压，可以实现对不同动能范围的光电子均实现较高的分辨率。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种高分辨光电子速度成像装置，其特点包括电子飞行管道、电子加速电极、电子速度聚焦棱镜组、屏蔽电极、电子时间-位置探测器、屏蔽罩及真空腔体；

所述电子飞行管道由圆筒及两端同轴焊接的圆环电极片构成，其轴心孔构成离子通道；

所述电子加速电极由圆环电极片构成，圆环中心孔构成离子通道；

所述电子速度聚焦棱镜组由数片圆环电极片依次同轴间隔设置，数片圆环电极片的孔径为由小到大、再由大到小对称设置呈纺锤状；每相邻两片圆环电极片之间设有陶瓷隔离套；

所述屏蔽电极由两组圆环电极片依次同轴间隔设置，该两组圆环电极片按圆环内孔不同分组，第一组为小孔电极片，第二组为大孔电极片，且第一组及第二组均为数片，每相邻两片圆环电极片之间设有陶瓷隔离套；

所述电子飞行管道、电子加速电极、电子速度聚焦棱镜组和屏蔽电极上均设有安装孔，安装孔设于圆环电极片的四角上；

所述屏蔽罩内沿轴向设有四根支撑杆，所述电子飞行管道、电子加速电极、电子速度聚焦棱镜组、屏蔽电极依次沿轴线由左向右设于屏蔽罩内并经圆环电极片的安装孔与屏蔽罩的支撑杆连接；

所述电子时间-位置探测器上设有微通道板计荧光屏，所述电子时间-位置探测器设于屏蔽罩的右端，且位于屏蔽电极同一轴线上；

所述屏蔽罩设于真空腔体内。

所述电子飞行管道、电子加速电极、电子速度聚焦棱镜组及屏蔽电极的圆环电极片上均设有电极焊脚和电极连接孔。

所述电子飞行管道的圆筒及两端的圆环电极片由不锈钢材料制作。

所述屏蔽罩由坡莫合金材料制作。

真空腔体由不锈钢材料制作。

本发明在传统的光电子速度成像技术基础上，采用了多级静电透镜的方式，加长了屏蔽电极的长度，并且增加了离子飞行腔的长度，在保证对阈值光电子实现高分辨率(～1cm^-1)的情况下，对高动能电子也能保持较高的分辨率(ΔE/E～0.5％)。通过调整施加在静电透镜上的电压，可以实现对不同动能范围的光电子均实现较高的分辨率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为电子飞行管的结构示意图；

图3为图2的侧视图；

图4为本发明实施例的光电子飞行轨迹的Simon模拟图；

图5为本发明实施例的光电子成像的Simon模拟成像图。

具体实施方式

实施例

参阅图1，本发明包括电子飞行管道1、电子加速电极2、电子速度聚焦棱镜组3、屏蔽电极4、电子时间-位置探测器5、屏蔽罩6及真空腔体7。

参阅图1、图2、图3，所述电子飞行管道1由圆筒及两端同轴焊接的圆环电极片构成，其轴心孔构成离子通道；其中，圆环电极片的外径为130mm、孔径为10mm、厚度为5mm；圆筒的外径为90mm、壁厚为5mm、长度为83mm。

所述电子加速电极2由圆环电极片构成，圆环中心孔构成离子通道；其中，圆环电极片的外径为130mm、孔径为6mm、厚度为0.8mm。

参阅图1，所述电子速度聚焦棱镜组3由数片圆环电极片依次同轴间隔设置，5片圆环电极片的孔径为由小到大、再由大到小对称设置呈纺锤状；其中，5片圆环电极片的外径均为130mm、厚度均为0.8mm；5片圆环电极片的内径分别为14mm、32mm、50mm、43mm及36mm；5片圆环电极片之间的间隔分别为17.5mm、17.5mm、22.5mm及22.5mm；每相邻两片电极片之间设有陶瓷隔离套，隔离间距为10mm。

参阅图1，所述屏蔽电极4由两组圆环电极片依次同轴间隔设置，圆环电极片的外径均为130mm；该两组圆环电极片按圆环内孔不同分组，第一组小孔电极片为3片，内径均为40mm；第二组大孔电极片为30片，内径均为80mm；每相邻两片电极片之间设有陶瓷隔离套，隔离间距为10mm。

参阅图1，所述电子飞行管道1、电子加速电极2、电子速度聚焦棱镜组3和屏蔽电极4上均设有安装孔，安装孔设于圆环电极片的四角上；

参阅图1，所述屏蔽罩6内沿轴向设有四根支撑杆，所述屏蔽罩6为坡莫合金材料制成的双层圆筒，内层屏蔽筒的内径为93.5mm，壁厚为2mm，外层屏蔽筒的内径为97.5mm，壁厚为2mm。

参阅图1，所述电子飞行管道1、电子加速电极2、电子速度聚焦棱镜组3、屏蔽电极4依次沿轴线由左向右设于屏蔽罩6内并经圆环电极片的安装孔与屏蔽罩6的支撑杆连接；

参阅图1，所述电子时间-位置探测器5上设有微通道板计荧光屏，所述电子时间-位置探测器5设于屏蔽罩6的右端，且位于屏蔽电极4同一轴线上；

参阅图1，所述屏蔽电极4和电子时间-位置探测器5之间为电子自由飞行区，屏蔽电极4和电子时间-位置探测器5的之间的距离为312mm。

参阅图1，所述屏蔽罩6设于真空腔体7内，屏蔽罩6外层屏蔽筒紧贴于真空腔体的内壁。

参阅图1，工作时，由于电子飞行管道1、电子加速电极2、电子速度聚焦棱镜组3及屏蔽电极4的圆环电极片上均设有电极焊脚和电极连接孔；电子飞行管道1、电子加速电极2及电子速度聚焦棱镜组3的圆环电极片上通过焊脚连接电压源；

电子速度聚焦棱镜组3及屏蔽电极4通过电极连接孔连接；电子速度聚焦棱镜组3及屏蔽电极4的圆环电极片上的焊脚焊接接地。

本发明高分辨光电子速度成像装置的工作参数如下：

工作压强范围：10^-10～10^-7Pa；电子飞行管道1设置电压为-685V，电子加速电极2设置电压为-500V，电子速度聚焦棱镜组3的5片圆环电极片依次设置电压为-445V、-422.5V、-400V、-200V、-0V。

参阅图1，工作中，离子团簇进入光电子速度成像装置通过电子飞行管道1；通过电子加速电极2；激光器发出的激光作用于离子团簇，离子团簇发生电离电离出光电子。

参阅图4，为实施例的光电子飞行轨迹的Simon模拟图。光电子在电子加速电极的驱动下飞向电子速度聚焦棱镜组3；光电子在电子速度聚焦棱镜组3中受到静电场的作用发生速度聚焦，光电子通过电子速度聚焦棱镜组3后进入屏蔽电极4；屏蔽电极4可以屏蔽电场，保证光电子在自由飞行时不受电场的干扰，光电子在屏蔽电极区域进行无场自由飞行；光电子通过屏蔽电极4后进入自由飞行区域；光电子通过无场飞行区后撞击到微通道板上，微通道板对光电子进行倍增放大，产生倍增电子的触发信号，倍增电子击中荧光屏，荧光屏会在相应的位置上发出荧光，形成光斑即二维分布图像。

参阅图5，为实施例的光电子成像的Simon模拟成像图。通过逆阿贝尔变换对荧光屏采集的二维分布图像进行分析即可得到其光电子的速度分布、角分布及各电子激发态不同的电子脱附过程等重要的全部三维信息，从而获得更详细的物种的结构和物理化学性质和结构变化的动力学信息。

本发明所述电子飞行管道1的圆筒及两端的圆环电极片由不锈钢材料制作；所述屏蔽罩6由坡莫合金材料制作；所述真空腔体7由不锈钢材料制作。

以上是对本发明一种高分辨光电子速度成像装置进行了具体说明。考虑到以上公开，本实例并不代表发明创造仅限于此，熟悉此领域的技术人员可以在此权利要求范围内，做出种种调整，来确定它们的应用以及所需要的材料，组件，组合方式以及设备来实施这种新型结构。

Claims (5)

1.一种高分辨光电子速度成像装置，其特征在于，它包括电子飞行管道（1）、电子加速电极（2）、电子速度聚焦棱镜组（3）、屏蔽电极（4）、电子时间-位置探测器（5）、屏蔽罩（6）及真空腔体（7）；

所述电子飞行管道（1）由圆筒及两端同轴焊接的圆环电极片构成，其轴心孔构成离子通道；

所述电子加速电极（2）由圆环电极片构成，圆环中心孔构成离子通道；

所述电子速度聚焦棱镜组（3）由数片圆环电极片依次同轴间隔设置，数片圆环电极片的孔径为由小到大、再由大到小对称设置呈纺锤状；其中，数片圆环电极片的外径均为130mm、厚度均为0.8mm；数片圆环电极片的内径分别为14mm、32mm、50mm、43mm及36mm；数片圆环电极片之间的间隔分别为17.5mm、17.5mm、22.5mm及22.5mm；每相邻两片圆环电极片之间设有陶瓷隔离套，隔离间距为10mm；

所述屏蔽电极（4）由两组圆环电极片依次同轴间隔设置，圆环电极片的外径均为130mm；该两组圆环电极片按圆环内孔不同分组，第一组小孔电极片为3片，内径均为40mm；第二组大孔电极片为30片，内径均为80mm；每相邻两片圆环电极片之间设有陶瓷隔离套，隔离间距为10mm；

所述电子飞行管道（1）、电子加速电极（2）、电子速度聚焦棱镜组（3）和屏蔽电极（4）上均设有安装孔，安装孔设于圆环电极片的四角上；

所述屏蔽罩（6）内沿轴向设有四根支撑杆，所述电子飞行管道（1）、电子加速电极（2）、电子速度聚焦棱镜组（3）、屏蔽电极（4）依次沿轴线由左向右设于屏蔽罩（6）内并经圆环电极片的安装孔与屏蔽罩（6）的支撑杆连接；

所述电子时间-位置探测器（5）上设有微通道板计荧光屏，所述电子时间-位置探测器（5）设于屏蔽罩（6）的右端，且位于屏蔽电极（4）同一轴线上；

所述屏蔽罩（6）设于真空腔体（7）内；

采用多级静电透镜的方式，加长屏蔽电极的长度，并且增加离子飞行腔的长度，在保证对阈值光电子实现高分辨率即

的情况下，对高动能电子也能保持高的分辨率即

；通过调整施加在静电透镜上的电压，实现对不同动能范围的光电子均实现高的分辨率。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨光电子速度成像装置，其特征在于，所述电子飞行管道（1）、电子加速电极（2）、电子速度聚焦棱镜组（3）及屏蔽电极（4）的圆环电极片上均设有电极焊脚和电极连接孔。

3.根据权利要求1所述的一种高分辨光电子速度成像装置，其特征在于，所述电子飞行管道（1）的圆筒及两端的圆环电极片由不锈钢材料制作。

4.根据权利要求1所述的一种高分辨光电子速度成像装置，其特征在于，所述屏蔽罩（6）由坡莫合金材料制作。

5.根据权利要求1所述的一种高分辨光电子速度成像装置，其特征在于，真空腔体（7）由不锈钢材料制作。

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