CN112509906B - 一种磁聚焦型飞行管及磁聚焦型飞行时间谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁聚焦型飞行管及磁聚焦型飞行时间谱仪，该包括飞行管主体、出口强磁体以及粒子探测器；飞行管主体、出口强磁体、粒子探测器均位于真空腔室内；飞行管主体的出口后端依次设置粒子探测器以及出口强磁体；出口强磁体用于使待测粒子集中被粒子探测器接收；出口强磁体的S极朝向飞行管主体出口处，待测粒子为电子；或者，出口强磁体的N极朝向飞行管主体出口处，待测粒子为离子。该飞行管对电子或离子的收集效率，该飞行管应用于飞行时间谱仪时可以更准确的获得电子、离子的动能或动量测量结果。

Description

一种磁聚焦型飞行管及磁聚焦型飞行时间谱仪
技术领域
本发明涉及一种飞行管，具体涉及一种磁聚焦型飞行管及磁聚焦型飞行时间谱仪。
背景技术
飞行时间谱仪主要应用于光电离激发的电子或离子能量或动量的测量，其原理是通过测量带电粒子飞行一定距离所需的时间换算出其动能或动量。例如：在阿秒脉冲测量技术中，阿秒条纹相机是测量阿秒脉冲脉宽和相位的专用设备，其最核心的组成部件就是飞行时间谱仪，该谱仪用于测量阿秒脉冲作用在靶材上电离出光电子的能谱。
在原子分子物理领域，利用冷靶反冲离子动量成像谱仪(COLTRIMS)进行符合测量(Coincidence Spectroscopy)是研究原子分子解离动力学过程的重要技术手段，它是通过测量原子或者分子解离产生的电子和离子动量，并根据动能和动量守恒原理，实现电子和离子的相符匹配；在该设备中最关键的部分就是测量电子和离子动量，同样可以采用飞行时间谱仪。
实验中常用的是一种自由场式飞行时间谱仪，即不外加电磁场，带电粒子被激发出来向不同方向散射，飞行管仅仅起到隔离外界电磁场的作用，只有很小角度内的带电粒子能够到达接收粒子探测器，探测器的收集角很小，所以这种飞行时间谱仪对电子或离子的收集效率很低。
飞行时间谱仪的动能分辨率与带电粒子采集系统的时间分辨率成正比，目前带电粒子采集系统的时间分辨率在百皮秒量级。飞行时间谱仪的动能分辨率还与飞行距离Ld成反比，所以增加飞行管的长度是提高动能分辨率行之有效的方法。但是对于电子而言，因为其质量小、速度快，要提高能量分辨率，飞行距离就需要很长，目前的电子飞行管最长可至十几米。但是，飞行距离增加越长，电子发散越严重，又会导致最终探测器收集到的有效电子数快速下降。
采用飞行时间谱仪测量电子、离子动能或能量的应用中，其收集效率是至关重要的。
例如：利用飞行时间谱仪测量脉冲激光与材料表面作用产生光电子，如果每一发脉冲产生的光电子数目过多，这些光电子之间的库仑作用力对电子角动量和能量产生改变，会影响最终的光电子能谱测量结果。尤其是对于待测光电子能量较低时，空间电荷效应的影响更加严重。所以，通常情况下为了抑制空间电荷效应，必须降低单次产生的光电子数目。因此，必须尽可能提高收集效率，才能保证单位时间内收集到足够数量的有效光电子。
再例如：将飞行时间谱仪应用于冷靶反冲离子动量成像谱仪的符合测量时，如果同时有多个原子、分子解离，产生出多个电子和离子通过飞行时间谱仪后，无法实现准确匹配(即无法得知电子和离子是否属于同一个原子或分子解离出来)，为了解决这一问题，目前的做法是将电子和离子产率控制在平均每个脉冲产生0.5个以内。但是，电子和离子产率降低后，就必须尽可能地提高收集效率。
综上所述，现有飞行时间谱仪测量光电子、离子动量或能量时，一方面光电子或离子的产率需要控制在很低，势必需要尽量提高收集效率才能获得足够多的有效信息，从而提高信噪比，缩短测量时间；另一方面要提高动量或能量的分辨率，必须增大飞行距离，又会降低收集效率。
发明内容
为了解决了现有飞行时间谱仪对于电子和离子收集效率低的问题，本发明提供了一种磁聚焦型飞行管，同时提供了一种采用该飞行管的磁聚焦型飞行时间谱仪。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种磁聚焦型飞行管，包括飞行管主体、出口强磁体以及粒子探测器；
飞行管主体、出口强磁体、粒子探测器均位于真空腔室内；
飞行管主体的出口后端依次设置粒子探测器以及出口强磁体；出口强磁体用于使待测粒子集中被粒子探测器接收；
出口强磁体的S极朝向飞行管主体出口处，待测粒子为电子；
或者，出口强磁体的N极朝向飞行管主体出口处，待测粒子为离子。
进一步地，该磁聚焦型飞行管还包括设置在飞行管主体入口前端的入口强磁体；
入口强磁体的N极朝向飞行管主体入口处，待测粒子为电子；
或者，入口强磁体的S极朝向飞行管主体入口处，待测粒子为离子。
进一步地，上述入口强磁体为锥形永磁铁，锥形永磁铁的小径端对准待测粒子产生区域，锥形永磁铁小径端产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。
进一步地，上述入口强磁体为电磁铁，电磁铁为空心的圆柱形线圈，电磁铁的轴心对准待测粒子产生区域，电磁铁产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。
进一步地，上述出口强磁体为锥形永磁铁，锥形永磁铁的小径端对准飞行管主体出口，锥形永磁铁小径端产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。
进一步地，上述出口强磁体为电磁铁，电磁铁为空心的圆柱形线圈，电磁铁与飞行管主体同轴设置，电磁铁产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。
进一步地，上述飞行管主体从内层至外层分别为螺线管、绝磁层；
飞行管主体内且靠近入口位置放置电场栅网；螺线管为均匀绕线的长直线薄壁管，通有稳恒电流产生弱磁场，弱磁场的磁感应强度为毫特斯拉量级；绝磁层为绝磁合金材料构成的包层；
电场栅网上加稳定电压产生延迟电场可实现对进入飞行管的待测粒子进行减速；
进一步地，上述粒子探测器采用微通道板探测器或阳极探测器。
本发明还提供了一种磁聚焦型飞行时间谱仪，其特征在于：包括脉冲激光源、分束镜、粒子产生单元、飞行管、光电探测器、信号采集单元以及数据处理单元；
飞行管采用上述磁聚焦型飞行管；
脉冲激光源发出激光经分束镜后大部分透射，小部分反射；
反射光被光电探测器直接接收后光电探测器的输出信号作为信号采集单元的起始时刻T1；
透射光作用于粒子产生单元产生待测粒子；
待测粒子在磁聚焦型飞行管的入口强磁体作用下进入飞行管主体内，待测粒子飞出飞行管主体后在出口强磁体的作用下被粒子探测器接收，粒子探测器的输出信号被信号采集单元接收，作为光电探测器的终止时刻T2；
数据处理单元接收起始时刻T1和终止时刻T2后计算获取待测粒子的动量和动能。
进一步地，上述粒子产生单元为单一靶材，或者上述粒子产生单元包括沿着所述透射光依次设置的聚焦镜、气体池、滤波器、双曲面镜以及靶材。
本发明的优点在于：
1、本发明采用在飞行管主体入口处、出口处采用强磁场对待测粒子进行汇聚作用，避免了待测粒子(电子或离子)在飞行管入口处的发散导致的部分电子偏出飞行管主体；同时避免了待测粒子在飞行管主体出口处发散导致部分电子偏出探测器，从而提高了飞行管对电子或离子的收集效率，该飞行管应用于飞行时间谱仪时可以更准确的获得电子、离子的动能或动量测量结果。
2、本发明的磁聚焦型飞行管解决了飞行管主体到粒子探测器之间带电粒子发散问题，因此可以将飞行管主体继续延长，即有利于飞行距离的增大，将该飞行管应用于飞行时间谱仪时可显著提高对电子或离子测量的动能或动量分辨率。
3、本发明的飞行管解决了飞行管主体到粒子探测器之间带电粒子发散问题，因此该飞行管可适用于探测面更小、响应更快的粒子探测器，将该飞行管应用于飞行时间谱仪时克服了使用大面积探测器导致的时间分辨能力下降以及由此引起的能量或动量分辨率受限问题。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3为实施例3的结构示意图；
图4为实施例4的结构示意图。
附图标记如下：
1-飞行管主体、11-螺线管、12-绝磁层、13-电场栅网、2-出口强磁体、3-粒子探测器、4-入口强磁体、5-超短脉冲激光器、6-分束镜、7-粒子产生单元、8-磁聚焦型飞行管、9-光电探测器、10-信号采集单元、21-数据处理单元、22-聚焦镜、23-气体池、24-滤波器、25-双曲面镜、26-靶材。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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有没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。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的磁聚焦型飞行管包括飞行管主体1、出口强磁体2以及粒子探测器3；
飞行管主体1、出口强磁体2、粒子探测器3均位于真空腔室内；
飞行管主体1的出口后端依次设置粒子探测器3以及出口强磁体2；出口强磁体2用于使待测粒子集中被粒子探测器接收；
出口强磁体2的S极朝向飞行管主体出口处，待测粒子为电子；
或者，出口强磁体2的N极朝向飞行管主体出口处，待测粒子为离子。
本实施例中飞行管主体1包括由内至外依次设置的螺线管11、绝磁层12，飞行管主体1内且靠近入口位置放置电场栅网13，飞行管主体1的长度是决定电子能谱或动量谱分辨率的主要因素，其长度可达几米至几十米；
螺线管11为均匀绕线的长直线薄壁管，线圈通有稳恒电流实现弱的磁场，其磁感应强度为毫特斯拉量级，具体磁场的分布可通过现有磁场仿真软件和数值算法优化，并可在实验中通过磁场测量设备进行测量和优化。
绝磁层12为绝磁合金材料构成的包层，将外界的电磁场、地磁场隔绝，以免影响飞行管主体1内带电粒子的飞行轨迹。
电场栅网13用于产生延迟电场，在电场栅网13上加稳定电压，可实现对通过飞行管主体1的带电粒子减速，从而将高能段的电子或离子平移到低能段进行测量，是由于低能段测量的能量或动量分辨率会显著提高。
粒子探测器3用于收集电子或离子并输出信号，本实施例中粒子探测器可采用微通道板探测器或阳极探测器，其时间分辨能力是决定电子或离子采集单元时间分辨率的最主要因素。
工作时，待测粒子(电子和离子)进入飞行管主体，飞行管主体中的螺线管则提供弱磁场；待测粒子在弱磁场的约束作用下运动到飞行管主体的出口，在飞行管主体出口处的出口强磁体使待测粒子开始会聚，最后由粒子探测器接收并输出信号。
实施例2
本实施例提供的磁聚焦型飞行管在实施例1的基础上增加了入口强磁体4，其具体结构如图2所示：
包括均位于真空腔室内的入口强磁体4、飞行管主体1、出口强磁体2、粒子探测器3；
飞行管主体1的入口前端设置入口强磁体4，用于使待测粒子偏转进入飞行管主体1内，飞行管主体1的出口后端依次设置粒子探测器3以及出口强磁体2；出口强磁体2用于使待测粒子会聚后被探测器接收。
本实施例中入口强磁体4为锥形永磁铁，锥形永磁铁的小端对准光电子产生区域，永磁体锥尖附近可提供高的磁感应强度，在光电子产生区域需要提供百毫特斯拉至几个特斯拉量级的磁感应强度。若待测粒子为电子，则锥形永磁铁的N极朝向飞行管；若待测粒子为离子，则锥形永磁铁的S极朝向飞行管主体。
本实施例中出口强磁体2也为锥形永磁铁时，锥形永磁铁的小端对准飞行管主体出口，永磁体锥尖附近可提供高的磁感应强度，在飞行管主体出口需要提供百毫特斯拉至几个特斯拉量级的磁感应强度。对于电子的测量S极朝向飞行管主体，而对于离子的测量N极朝向飞行管主体。
工作时，待测粒子(电子和离子)在锥形永磁体提供的强磁场中偏转进入飞行管主体，飞行管主体中的螺线管则提供接续的弱磁场；待测粒子在弱磁场的约束作用下运动到飞行管主体的出口，而在飞行管主体出口处的锥形永磁体使待测粒子开始会聚，最后由粒子探测器接收并输出信号。
实施例3
如图3所示，本实施例提供的磁聚焦型飞行管的结构与实施例2基本一致，不同之处是入口强磁体4和出口强磁体2为电磁铁；
具体的：本实施例中入口强磁体4为电磁铁，电磁铁为空心的圆柱形线圈，所以在其轴心处磁感应强度最高，电磁铁的轴心对准待测粒子产生区域，电磁铁产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。采用电磁铁的优点是：降低了电子或离子与永磁铁表面碰撞再次电离产生二次电子或离子，因为这些待测粒子会进入飞行管主体并被粒子探测器收集，导致最终测量到的电子、离子能谱或动量谱产生偏差。电磁铁采用脉冲式供电，达到减小功耗、降低发热量的目的，但需要同步信号触发脉冲电源供电，在电子或离子产生到测量完成时间范围内提供稳定的强磁场。
本实施例中出口强磁体2也为电磁铁，电磁铁与飞行管主体同轴设置，电磁铁产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。电磁铁采用脉冲式供电，达到减小功耗、降低发热量的目的，但需要同步信号触发电源供电，在光电子产生到测量完成时间范围内提供稳定的强磁场。
实施例4
本实施例提供了一种磁聚焦型飞行时间谱仪，该时间谱仪采用上述实施例2或实施例3的磁聚焦型飞行管，下面将该磁聚焦型飞行时间谱仪应用于极紫外或软X射线高次谐波电离靶材的光电子能谱测量中来对其结构和工作过程详细地介绍。
如图4所示，该磁聚焦型飞行时间谱仪包括超短脉冲激光器5、分束镜6、粒子产生单元7、磁聚焦型飞行管8、光电探测器9、信号采集单元10以及数据处理单元21；
由于本实施例的磁聚焦型飞行时间谱仪应用于极紫外或软X射线高次谐波电离靶材的光电子能谱测量，因此，本实施例中粒子产生单元7包括沿着光传输路线依次设置的聚焦镜22、气体池23、滤波器24、双曲面镜25以及靶材26(当然，根据实际的应用场景该粒子产生单元也可以仅仅只是一个靶材)；
超短脉冲激光器5作为驱动源，经过分束镜6反射出少部分的超短脉冲激光，进入光电探测器9，光电探测器9采集到信号并输入至信号采集单元10，将作为光电探测起始时间，记为T1；
经过分束镜6后的透射脉冲激光再由聚焦镜22聚焦到气体池23上，产生出极紫外/X射线波段的高次谐波；并采用滤波器24将驱动脉冲激光滤除，而极紫外/X射线波段的高次谐波可部分透过。
气体池23可为惰性气体或其他原子分子气体，通过调节气体压强和气体池的位置优化高次谐波辐射的转化效率和光谱覆盖范围；
通过滤波器24滤出的极紫外/X射线波段的高次谐波，再经过双曲面镜25聚焦后作用在靶材26上，电离出待测光电子脉冲准备进入磁聚焦型飞行管8；
待测光电子脉冲在入口永磁体4的作用下偏转进入螺线管11；在螺线管11提供的弱磁场的约束作用下通过电场栅网13，运动到飞行管本体1的出口；最后在出口永磁体2提供的强磁场的作用下会聚，并由粒子探测器3收集并将信号输出；该信号输出到信号采集单元10，将其作为光电探测终止时间，记为T2；
信号采集单元10分别将光电探测起始时间T1和光电探测终止时间T2之差ΔT输入数据处理单元21进行处理，最终获得电子的能谱或动量谱分布情况。

Claims (7)

1.一种磁聚焦型飞行管，其特征在于：包括入口强磁体、飞行管主体、出口强磁体以及粒子探测器；
入口强磁体、飞行管主体、出口强磁体、粒子探测器均位于真空腔室内；
飞行管主体的出口后端依次设置粒子探测器以及出口强磁体；出口强磁体用于使待测粒子集中被粒子探测器接收；
出口强磁体的S极朝向飞行管主体出口处，待测粒子为电子；
或者，出口强磁体的N极朝向飞行管主体出口处，待测粒子为离子；
入口强磁体的N极朝向飞行管主体入口处，待测粒子为电子；
或者，入口强磁体的S极朝向飞行管主体入口处，待测粒子为离子。
2.根据权利要求1所述的磁聚焦型飞行管，其特征在于：所述入口强磁体为锥形永磁铁，锥形永磁铁的小径端对准待测粒子产生区域，锥形永磁铁小径端产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。
3.根据权利要求1所述的磁聚焦型飞行管，其特征在于：所述入口强磁体为电磁铁，电磁铁为空心的圆柱形线圈，电磁铁的轴心对准待测粒子产生区域，电磁铁产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。
4.根据权利要求2所述的磁聚焦型飞行管，其特征在于：所述出口强磁体为锥形永磁铁，锥形永磁铁的小径端对准飞行管主体出口，锥形永磁铁小径端产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。
5.根据权利要求3所述的磁聚焦型飞行管，其特征在于：所述出口强磁体为电磁铁，电磁铁为空心的圆柱形线圈，电磁铁与飞行管主体同轴设置，电磁铁产生的磁感应强度为百毫特斯拉至几个特斯拉量级。
6.根据权利要求1所述的磁聚焦型飞行管，其特征在于：所述飞行管主体从内层至外层分别为螺线管、绝磁层；
飞行管主体内且靠近入口位置放置电场栅网；螺线管为均匀绕线的长直线薄壁管，通有稳恒电流产生弱磁场，弱磁场的磁感应强度为毫特斯拉量级；绝磁层为绝磁合金材料构成的包层；
电场栅网上加稳定电压产生延迟电场可实现对进入飞行管的待测粒子进行减速。
7.根据权利要求1所述的磁聚焦型飞行管，其特征在于：粒子探测器采用微通道板探测器或阳极探测器。
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