CN112582249B - 高动能高分辨复合电子离子速度成像装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高动能高分辨复合电子离子速度成像装置，包括：气体进样系统、分析腔、及分子束捕集腔；气体进样系统把目标气体样本以超声分子束形式喷入高真空环境并传输至分析腔；分析腔提供目标气体样本与光反应所需的高真空环境，反应产生电子和离子，并设置电场分布以控制电子和/或离子的运动轨迹，最终获取电子和/或离子的初始三维动量分布；分子束捕集腔将剩余目标气体样本排出至装置外。本申请装置模块化，操作简便，能同时测量1000eV高动能电子和10eV低动能离子，能量分辨率分别为1.5％和4％。另外可根据不同实验目的设置电场分布为动量聚焦模式、源区显微模式和高分辨质谱模式，更全面的研究分子光解反应。

Description

高动能高分辨复合电子离子速度成像装置

技术领域

本发明涉及能谱分析设备技术领域，特别是涉及一种高动能高分辨复合电子离子速度成像装置。

背景技术

光与原子分子相互作用过程是自然界光与物质反应的一个基本而又非常重要的过程，涉及到当前人们最关心的能源、医学、环境等众多领域，只有弄清楚了微观世界的作用机理才能够调控原子与分子的反应，让其向人们的主观方向发展。探究光与原子分子相互作用的过程最重要的实验手段就是获得其作用后产物的产率、能量分布、角分布、速度分布信息等问题。速度成像谱仪技术由于可以同时测得作用过程中这些相互关联的物理量，并且实验探测过程又相对直观，故而成为了探测分子微观动力学的主要技术手段。

速度成像谱仪通常用于测量动能低于100eV的电子，在激光共振增强多光子电离或者真空紫外及X射线单光子电离研究中得到广泛应用。最近十几年中对测量高动能电子的需求变得越来越强烈，比如Auger电子发射和激光诱导电子衍射Laser InducedElectron Diffraction(LIED)中的电子角分布。

激光诱导电子衍射从时间和空间四维空间跟踪分子结构变化的几种实验手段中很有特色的一个。近十年来，它在理论上得到充分发展，演示性实验非常成功，但是受限于目前高能量谱仪的低测量效率(0.02％)或较差的能量分辨(ΔE/E～30％)，难以广泛开展研究。激光诱导电子衍射实验需要同时测量高动能电子与低动能离子，测量高动能电子保证了衍射图像的亚埃米空间分辨，测量低动能离子对实验条件提供可靠的实时监测，最终可以实现实时观测光解反应中的分子几何结构变化。在经典三电极速度成像谱仪中电极电压约为电子动能的100倍，动能1000eV需要电压10万伏，技术上非常昂贵而危险，而且无法同时测量离子。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种高动能高分辨复合电子离子速度成像装置，以解决现有技术中至少一个问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种高动能高分辨复合电子离子速度成像装置，所述装置包括：气体进样系统、分析腔、及分子束捕集腔；所述气体进样系统与所述分子束捕集腔开孔相连于所述分析腔两侧；所述气体进样系统与所述分子束捕集腔共轴，并对应有第一轴线；所述气体进样系统把目标气体样本以超声分子束形式喷入高真空环境并传输至分析腔；所述分析腔提供目标气体样本与光反应所需的高真空环境，反应产生电子和离子，并设置电场分布以控制电子和/或离子的运动轨迹，最终获取电子和/或离子的初始三维动量分布；所述分子束捕集腔将剩余目标气体样本排出至装置外，以避免剩余的目标气体样本影响分析腔真空。

于本申请的一实施例中，所述分析腔内分别设有地磁屏蔽桶、复合速度成像电极组件、及图像增强照相系统；所述图像增强照相系统对应有第二轴线；所述地磁屏蔽桶用于屏蔽电子或离子飞行过程中的地磁场干扰；设置于所述地磁屏蔽桶内的复合速度成像电极组件用于设置不同的电场分布环境，从而控制电子和/或离子的运动轨迹；其中，主要包括高动能电子和/或低动能离子；分别设置于所述分析腔顶部与底部的所述图像增强照相系统用于拍摄电子和/或离子的轨迹终点图像，从而获取电子和/或离子的初始三维动量分布。

于本申请的一实施例中，所述复合速度成像电极组件包括：由上至下横向设置的26个可施加电压的开孔电极片、第一电子漂移管、第二电子漂移管、及离子漂移管；其中，第一电子漂移管设于由上至下第1个开孔电极片的上方；所述第二电子漂移管设于由上至下的第1个开孔电极片与第2个开孔电极片之间；第一电子漂移管、第二电子漂移管、及由上至下第1-13个开孔电极片位于所述第一轴线的上方；对第一电子漂移管、第二电子漂移管、及由上至下第1-13个开孔电极片中至少部分施加正电压以形成电子活动区域；和/或，所述离子漂移管设于最下层；由上至下的第14-26个开孔电极片、及离子漂移管位于所述第一轴线的下方；对上至下的第14-26个开孔电极片、及离子漂移管中至少部分施加负电压以形成离子活动区域。

于本申请的一实施例中，所述第一电子漂移管的管道直径、第1个开孔电极片的开孔直径、第二电子漂移管的管道直径、及由上至下第2-13个开孔电极片的开孔直径由上至下分别逐渐减小；所述第14-26个开孔电极片的开孔直径、及离子漂移管的管道直径由上至下逐渐增大。

于本申请的一实施例中，各所述开孔电极片、第一电子漂移管、第二电子漂移管、及离子漂移管的两端分别穿过陶瓷柱，以构成复合速度成像电极组件的框架，且使所述开孔电极片、第一电子漂移管、第二电子漂移管、及离子漂移管的中心分为位于所述第二轴线上。

于本申请的一实施例中，所述复合速度成像电极组件通过陶瓷绝缘环、及陶瓷螺母对各所述开孔电极片、第一电子漂移管、第二电子漂移管、及离子漂移管进行限位固定或调整；其中，所述陶瓷绝缘环分隔开各所述开孔电极片，以便对它们独立施加电压时不会互相干扰。

于本申请的一实施例中，在第一电子漂移管顶部，第5片开孔电极片，第14片开孔电极片，第15片开孔电极片，及离子漂移管底部贴设金属网(透过率高于80％，目数高于100)，以对相邻电场进行隔离。

于本申请的一实施例中，所述复合速度成像电极组件根据不同的检测目的调整各开孔电极片的数量、厚度、开孔直径、位置、片间间距、以及所施加的电压，可使所述分析腔切换为对应不同电场分布的检测分析模式，以供全面研究分子光解反应。

于本申请的一实施例中，所述检测分析模式包括：动量聚焦模式、源区显微模式、及高分辨质谱模式中任意一种或多种；其中，所述动量聚焦模式，用于高分辨测量电子离子的三维动量分布；所述源区显微模式，用于将所述地磁屏蔽桶内中心位置的反应区放大10倍；所述高分辨质谱模式，用于区分不同离子产物。

于本申请的一实施例中，所述分析腔的两侧、及所述地磁屏蔽桶两侧分别在对应所述第一轴线上设有第一通孔；所述地磁屏蔽桶的顶部与底部分别在对应所述第二轴线上设有第二开孔；所述地磁屏蔽桶的中心位置为所述第一轴线与所述第二轴线的交叉点位置。

于本申请的一实施例中，所述地磁屏蔽桶为双层铍莫合金薄板金属桶，用于屏蔽电子或离子飞行过程中的地磁场干扰。

于本申请的一实施例中，所述图像增强照相系统包括：电子像增强器、电子CCD相机、离子像增强器、及离子CCD相机；其中，所述电子像增强器设置于所述分析腔的顶部；所述电子CCD相机设置于所述电子像增强器的上方；所述离子像增强器设置于所述分析腔的底部；所述离子CCD相机设置于所述离子像增强器的下方；且所述电子像增强器、电子CCD相机、离子像增强器、离子CCD相机、及地磁屏蔽桶的中心位置共同位于所述第二轴线上。

于本申请的一实施例中，所述分析腔的侧壁上设置有石英玻璃窗，以用于让光进入分析腔；光的方向分别垂直于所述第一轴线、及第二轴线，与目标气体样本相遇于所述地磁屏蔽桶中心位置。

于本申请的一实施例中，所述气体进样系统包括：气体源头、及真空腔组件：其中，所述气体源头包括：气瓶、通气管、三维移动平台、及气体喷头；所述真空腔组件用于提供高真空环境并连接所述分析腔；所述真空腔组件包括依次相连的气体源真空腔、一级差分真空腔、及二级差分真空腔，腔之间设有过束孔；所述三维移动平台固定连接于所述气源真空腔外的一端；所述通气管的进气端与所述气瓶连通，所述通气管穿过所述三维移动平台并置入所述气体源真空腔内，所述通气管的出气端固定所述气体喷头；所述气体源真空腔、一级差分真空腔、及二级差分真空腔之间设置的过束孔同轴并形成所述第一轴线。

于本申请的一实施例中，所述二级差分真空腔与所述真空腔的一侧之间设置有闸板阀。

于本申请的一实施例中，所述分子束捕集腔设置于所述真空腔的另一侧，所述分子束捕集腔的尾部相对于所述气体进样系统的轴线设置有一定倾斜角度，以避免超声分子束形式的目标气体样本与所述分子束捕集腔的尾部碰撞反弹，从而影响所述分析腔真空。

综上所述，本申请的一种高动能高分辨复合电子离子速度成像装置。本申请整体装置模块化，操作简便，能同时测量1000eV高动能电子和10eV低动能离子，且能量分辨率分别为1.5％和4％。另外，可根据不同的实验目的设置电场分布为动量聚焦模式、源区显微模式和高分辨质谱模式三种模式，相比于其他装置，可以更全面的研究分子光解反应。本装置拓宽了目标电子的动能探测范围，具备了同时100％收集同一光解反应产生的电子和离子的能力。全方位角电子离子的复合探测相对于单一探测电子的速度成像谱仪更具优势。

附图说明

图1显示为本申请于一实施例中的高动能高分辨复合电子离子速度成像装置的结构示意图。

图2显示为本申请于一实施例中的复合速度成像电极组件的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，虽然图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，但其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本申请范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

为解决上述问题，本申请主要目的在于提出一种高动能高分辨复合电子离子速度成像装置，其中主要采用26个开孔电极片、电子漂移管和离子漂移管的设计。复合速度成像电极组件设计的电场使测量动能1000eV的电子仅需要电压17kV。装置可测量1000eV高动能电子，并达到1.5％高能量分辨率，100％的探测收集效率，同时测量低动能离子。本申请的提出，可以解决目前国际上高能量谱仪测量效率非常低或者能量分辨差的问题，为研究物质结构实时变化提供了一种具有潜力的装置。

如图1所示，展示为本申请于一实施例中高动能高分辨复合电子离子速度成像装置的结构示意图。如图所示，所述装置包括：气体进样系统1、分析腔2、及分子束捕集腔3。

具体地，所述气体进样系统1、分析腔2、及分子束捕集腔3依次相连，所述气体进样系统1与所述分子束捕集腔3分别开孔相连于所述分析腔2两侧；所述气体进样系统1与所述分子束捕集腔3共轴形成有第一轴线。其中，所述第一轴线为水平轴线。

于本申请中，所述气体进样系统1把目标气体样本以超声分子束形式喷入高真空环境并传输至分析腔2。

于本申请一实施例中，所述气体进样系统1包括：气体源头11、及真空腔组件12。

其中，所述气体源头11包括：气瓶111、通气管112、三维移动平台113、及气体喷头114。

具体来说，所述气瓶111用于存储目标气体样本(例如氧气)，以提供给本装置；所述通气管112与气瓶111一侧连通，用于将目标气体样本传输至通气管112出口的目标位置；而所述三维移动平台113在本申请中起到拆卸气瓶111、通气管112一体装置，并进行位置调节的作用；所述气体喷头114用于将目标气体样本喷射入真空腔中，形成超声分子束。

具体来说，本申请采用在气源与真空腔间建立大的压差，设计性能优良、截面窄小的气体喷头114，保证气体喷头114进气口压力恒定，保证分子束通道上无障碍，从而将目标气体样本转换为超声分子束。所述超声分子束的优点是可以得到很小的靶尺寸和很低的靶温度，其有助于降低电子到达像增强器的位置不确定度，从而改善电子衍射图像的分辨率，另外很低的靶温度还有利于排列分子取向，能极大地提高光电子成像的分辨率，保证获得清晰的能谱。

优选地，所述气体喷头114的开孔直径30微米。

所述真空腔组件12用于提供高真空环境并连接所述分析腔2；所述真空腔组件12包括依次相连的且出气端分别设有过束孔124的气体源真空腔121、一级差分真空腔122、及二级差分真空腔123。

具体地，所述气体源真空腔121、一级差分真空腔122、及二级差分真空腔123的腔室体积逐渐减小，以提供高真空环境。所述气体源真空腔121、一级差分真空腔122、及二级差分真空腔123的出气端分别设有过束孔124，各所述过束孔124在一条轴线上。例如，所述气体源真空腔121、一级差分真空腔122、及二级差分真空腔123的过束孔124的开孔直径分别为0.3mm、1mm、1mm。

于本申请中，所述气体源真空腔121、一级差分真空腔122、以及二级差分真空腔123末端分别固定一个中间开孔的金属圆板。其中，金属圆板中间孔的周围有圆凹槽，圆凹槽的深度是金属圆板厚度的一半，圆凹槽直径等于过束孔124直径，恰好过束孔124能放到这个凹槽里，然后再通过一个固定件把过束孔124用螺丝压紧。

于本申请中，所述气体源头11、及真空腔组件12中各零部件具体的连接方式如下：

所述三维移动平台113固定连接于所述气源真空腔外的一端；所述通气管112的进气端与所述气瓶111连通，所述通气管112穿过所述三维移动平台113并置入所述气体源真空腔121内，所述通气管112的出气端固定所述气体喷头114；所述气体源真空腔121、一级差分真空腔122、及二级差分真空腔123依次通过法兰实现真空连接；所述二级差分真空腔123与所述真空腔的一侧之间设置闸板阀125，以实现气体进样系统与分析腔的连通或打开。

其中，所述气体源真空腔121、一级差分真空腔122、及二级差分真空腔123之间设置的过束孔124同轴并形成水平的所述第一轴线。

于本申请中，所述分析腔2用于提供目标气体样本与光反应所需的高真空环境，反应产生电子和离子，并设置电场分布以控制电子和/或离子的运动轨迹，最终获取电子和/或离子的初始三维动量分布。

需说明的是，这里所述的光并不仅限于激光，任何可以与气体样品发生反应的光都可以光是从外界射入到分析腔内。

于本申请一实施例中，所述分析腔2内分别设有地磁屏蔽桶21、复合速度成像电极组件22、及图像增强照相系统23；所述图像增强照相系统23对应有第二轴线；其中，所述第二轴线为垂直轴线。

其中，所述地磁屏蔽桶21用于屏蔽电子或离子飞行过程中的地磁场干扰。所述中心位置即为所述分析腔2的反应中心。

于本申请一实施例中，所述分析腔2的两侧、及所述地磁屏蔽桶21两侧分别在对应所述第一轴线上设有第一通孔，以供所述目标气体样本沿所述第一轴线依次经过所述气体进样系统1、分析腔2、及分子束捕集腔3；所述地磁屏蔽桶21的顶部与底部分别在对应所述第二轴线上设有第二开孔；所述地磁屏蔽桶21的中心位置为所述第一轴线与所述第二轴线的交叉点位置。

于本申请中，所述地磁屏蔽桶21为双层铍莫合金薄板金属桶，用于屏蔽电子或离子飞行过程中的地磁场干扰。

所述复合速度成像电极组件22设置于所述地磁屏蔽桶21内，用于形成不同的电场分布环境，从而控制电子和/或离子的运动轨迹；其中，本申请主要包括高动能电子和/或低动能离子。

如图2所示，展示为本申请于一实施例中复合速度成像电极组件的结构示意图。

如图所示，所述复合速度成像电极组件22包括：由上至下横向设置的26个可施加电压的开孔电极片221、第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及离子漂移管L；其中，所述复合速度成像电极组件22以所述第一轴线为界分为两部分区域，上面区域对应为电子活动区域，下面区域对应为离子活动区域。

加电压后，所述复合速度成像电极组件22内部区域形成静电厚透镜，是电子透镜中的一种。由具有带电导体所产生的静电场来使电子束聚焦和成像的装置。它广泛应用于电子器件(如阴极射线示波管)和电子显微镜中。静电厚透镜的主要作用是将电子或离子的动量图像传输到电子像增强器231或离子像增强器233。

本申请中，第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及离子漂移管L的构造均包括：上下两个端的可加电电极片，中间设有漂移管道。

具体来说，第一电子漂移管D1设于由上至下第1个开孔电极片221(P1)的上方；所述第二电子漂移管D2设于由上至下的第1个开孔电极片221(P1)与第2个开孔电极片221(P2)之间；第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及由上至下第1-13个开孔电极片221(P1-P13)位于所述第一轴线的上方；对第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及由上至下第1-13个开孔电极片221(P1-P13)中至少部分施加正电压以形成电子活动区域(可称为电子子部分静电透镜)。所述第一电子漂移管D1的管道直径、第1个开孔电极片221(P1)的开孔直径、第二电子漂移管D2的管道直径、及由上至下第2-13个开孔电极片221(P2-P13)的开孔直径由上至下分别逐渐减小。

所述离子漂移管L设于最下层；由上至下的第14-26个开孔电极片221(P14-P26)、及离子漂移管L位于所述第一轴线的下方；对由上至下的第14-26个开孔电极片221(P14-P26)、及离子漂移管L中至少部分施加负电压以形成离子活动区域(可称为离子部分静电透镜)。所述第14-26个开孔电极片221(P14-P26)、及离子漂移管L的管道直径的开孔直径由上至下逐渐增大。

优选地，由上至下的第5个开孔电极221(P5)片不独立供电，与第4个开孔电极221(P4)片电压相同。

需要说明的是，本申请的复合速度成像电极组件22采用垂直安装，能够保证在安装和使用过程中不会因受力改变形状。

于本申请一实施例中，各所述开孔电极片221、第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及离子漂移管L的两端分别穿过陶瓷柱222，以构成复合速度成像电极组件22的框架，且使所述开孔电极片221、第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及离子漂移管L的中心分为位于所述第二轴线上。

于本申请一实施例中，所述复合速度成像电极组件22通过陶瓷绝缘环223、及陶瓷螺母224对各所述开孔电极片221、第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及离子漂移管L进行限位固定或调整；其中，所述陶瓷绝缘环223分隔开各所述开孔电极片221，以便对它们独立施加电压时不会互相干扰。

于本申请一实施例中，在第一电子漂移管(D1)顶部，第4片开孔电极片P4，第14片开孔电极片P14，第15片开孔电极片P15，及离子漂移管(L)底部贴设金属网(透过率高于80％，目数高于100)，以对相邻电场进行隔离。

举例来说，加电压后第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及由上至下第1-13个开孔电极片221(P1-P13)为电子部分静电透镜。加电压后第14-26个开孔电极片221(P14-P26)、及离子漂移管L为离子部分静电透镜。例如，第一电子漂移管D1高39mm，开孔直径76mm，顶部贴有金属网；第1个开孔电极片221(P1)厚1mm，开孔直径75mm；第二电子漂移管D2高48mm，开孔直径74mm；第2片开孔电极片221(P2)厚1mm，开孔直径71mm；第3片开孔电极片221(P3)厚1mm，开孔直径68mm；第4片开孔电极片221(P4)厚5mm，开孔直径66mm，开孔电极片上贴有金属网；第5片开孔电极片221(P5)厚8mm，开孔直径66mm，此电极片不加电压；第6片开孔电极片221(P6)厚1mm，开孔直径64mm...；第26片开孔电极片221(P26)厚5mm，开孔直径54mm；离子漂移管L高95mm，开孔直径84mm，底部贴有金属网。

需说明的是，本申请并未展示全部的开孔电极片221的厚度与开孔直径参数，以及未在图中全部对照第n个开孔电极片221标出Pn，本申请主要通过附图2以起到举例说明的目的，但本领域技术人员可以知晓的是，本申请并非属于未完全展示技术内容而导致该技术特征无法实现的情况。

进一步地，陶瓷柱10穿过所有开孔电极片221和第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及离子漂移管L，可由6mm的陶瓷绝缘环223或3mm的陶瓷绝缘环223间隔，陶瓷绝缘环23使得对这些开孔电极片221独立施加电压不会相互干扰。陶瓷螺母224将复合速度成像电极组件22固定。另外，给开孔电极片221和漂移管加电压产生所需要的电场时，为了改善电场质量，在第一电子漂移管D1顶部，第5片开孔电极片P5，第14片开孔电极片P14，第15片开孔电极片P15，及离子漂移管L底部贴设金属网(透过率高于80％，目数高于100)，以对相邻电场进行隔离。

于本申请一实施例中，所述复合速度成像电极组件22根据不同的检测目的调整各开孔电极片221的数量、厚度、开孔直径、位置、片间间距、以及所施加的电压，可使所述分析腔2切换为对应不同电场分布的检测分析模式，以供全面研究分子光解反应。

需要说明的是，复合速度成像电极组件22中电极片的数量、不同电极片的间距和加不同电压产生的电场，决定了所能测量电子离子的动能和分辨率。本发明中复合速度成像电极组件22的设计是将电极片数量、电极片厚度、电极片位置，所加电压大小作为参数，加上符合客观制造上的限制，在simion软件中不断地测试，折中选取了最优的解。须知的是，电极片数量越多，实验参数的设定也越难解决，设计需要花费的时间也越久。

本申请的特点在于提供了复合速度成像电极组件22的设计，使得本装置具备了同时探测高动能电子和低动能离子的能力。可根据不同的目的设置电场分布为动量聚焦模式、源区显微模式和高分辨质谱模式三种模式，可以更全面的研究分子光解反应。

于本申请一实施例中，所述检测分析模式包括：动量聚焦模式、源区显微模式、及高分辨质谱模式中任意一种或多种。

其中，所述动量聚焦模式，用于高分辨测量电子离子的三维动量分布。在这种模式下，粒子打在像增强器上的位置依赖于粒子初始动量的径向分量，而与粒子产生的初始位置无关，可以提高测量的动量分辨。

具体来说，在动量聚焦模式下，将反应区的产物，离子聚焦到离子像增强器上，电子聚焦到电子像增强器上。粒子打在像增强器上的位置依赖于粒子初始动量的径向分量，而与粒子产生的初始位置无关。速度的径向分量相同的粒子在复合速度成像电极组件的作用下，会打在像增强器相同的位置上。即简单来说，是将抑制粒子初始位置对粒子运动的影响，以使速度的径向分量相同的粒子聚焦于同一位置。

所述源区显微模式，用于放大(例如放大10倍)所述地磁屏蔽桶21内中心位置的反应区。简单来说，当离子动能为零时，把测量图像放大，实现源区显微测量。

具体来说，源区显微模式主要针对于零动能的离子。例如采用泵浦探测实验方法时，需要确定两束光聚焦在同一点，但是若两束光聚焦点相差0.1mm左右时，技术人员很难判断两束光是否聚焦在同一点上，此时我们会采用源区显微模式。如果两束光未聚焦在同一点时，两个焦点之间的距离会在该模式下放大呈现在像增强器上，此时技术人员可方便根据像增强器上的图像将两束光的焦点调整到同一点上。电子部分静电透镜的作用是和离子活动区域第一片开孔电极片221形成电压差，把反应区产生的离子推到离子部分。电子在电子部分静电透镜的作用下自由的飞向电子像增强器。

所述高分辨质谱模式，用于区分不同离子产物，质量分辨达到1500。该模式可以有效提高测量离子的时间分辨，使离子飞行时间仅与离子种类有关，与源区位置和到达像增强器位置的关系较小。

具体来说，高分辨质谱模式主要针对于离子。某些样品与光发生反应，可以产生不同种类的离子，本申请希望将不同种类的离子区分出来。当电场能让离子到达像增强器的飞行时间仅与离子种类有关，与源区位置和到达像增强器位置的关系较小，可以有效提高测量离子的时间分辨。相同种类的离子在离子部分静电透镜的作用下到达像增强器的飞行时间是相同的。电子部分静电透镜的作用是和离子第一片开孔电极片221形成电压差，把反应区产生的离子推到离子部分。电子在电子部分静电透镜的作用下自由的飞向电子像增强器。

即按照上述不同模式的需求或目的在simion软件上进行模拟，以供模拟出26个开孔电极片221(实际上为25个开孔电极片221，第5个电压与第4个相同)、及第一电子漂移管、第二电子漂移管、及离子漂移管所需要的电压。

本申请可同时测量高动能电子和低动能离子，如电子部分可达到1.5％@1000eV(即1000电子伏动能下能量分辨率可达到1.5％；数值越低分辨率越好)，而离子部分可达到4％@10eV。并且全方位角收集的技术方案，解决目前国际上对高动能电子测量效率非常低或者能量分辨差的问题。另外，本装置可根据不同的实验目的设置电场分布为动量聚焦模式、源区显微模式和高分辨质谱模式三种模式，相比于其他装置，可以更全面的研究分子光解反应。

举例来说，以所述动量聚焦模式为例，具体的各所述开孔电极片221、第一电子漂移管D1、第二电子漂移管D2、及离子漂移管L的加电电压实施例如下：

以目标气体样本为氧气为例，气瓶111输出2个大气压的氧气到气体进样系统1，形成的超声分子束进入到分析腔2，与800nm/1kHz/25fs的钛宝石激光(激光通过石英玻璃窗24)相遇于复合速度成像电极组件22中心。为探测动能为1000eV的电子和动能为10eV的离子，预先用simion软件模拟，将动量聚焦模式下模拟的电压加到复合速度成像电极组件22上。

其中，第一电子漂移管D1加7910.5V电压；第1个开孔电极片221(P1)加8133.5V电压；第二电子漂移管D2加8993.5V电压；第2个开孔电极片221(P2)加10672.5V电压；第3个开孔电极片221(P3)加15903.5V电压；第4个开孔电极片221(P4)加17198.5V电压；第5个开孔电极片221(P5)不加电压，与第4个开孔电极片221(P4)电压相同；第6个开孔电极片221(P6)加13886.5V电压…；第14个开孔电极片221(P14)加-2089.5V电压…；离子漂移管L加-440V电压。

需说明的是，本申请并未展示全部的开孔电极片221的电压参数，以及未在图中全部对照第n个开孔电极片221标出Pn，主要起到举例说明的目的，但本领域技术人员可以知晓的是，本申请并非属于未完全展示技术内容而导致该技术特征无法实现的情况。

在该情况下，本装置能同时测量动能为1000eV的电子和动能为10eV的离子，且能量分辨率分别为1.5％和4％(数值越低分辨率越好)。

于本申请中，所述图像增强照相系统23分别设置于所述分析腔2顶部与底部，用于拍摄电子和/或离子的轨迹终点图像，从而获取电子和/或离子的初始三维动量分布。

举例来说，所述初始三维动量分布包括但不限于：粒子产物的产率、能量分布、角分布、速度分布中的任意一种或多种组合。

于本申请一实施例中，所述图像增强照相系统23包括：电子像增强器231、电子CCD相机232、离子像增强器233、及离子CCD相机234。

其中，所述电子像增强器231设置于所述分析腔2的顶部；所述电子CCD相机232设置于所述电子像增强器231的上方；所述离子像增强器233设置于所述分析腔2的底部；所述离子CCD相机234设置于所述离子像增强器233的下方；且所述电子像增强器231、电子CCD相机232、离子像增强器233、离子CCD相机234、及地磁屏蔽桶21的中心位置共同位于所述第二轴线上。

于本申请一实施例中，所述分析腔2的侧壁上设置有石英玻璃窗24，以用于让光进入分析腔；光的方向分别垂直于所述第一轴线、及第二轴线，光与目标气体样本相遇于所述地磁屏蔽桶21中心位置。

例如，所述石英玻璃窗24可放入激光。所投射的激光于图1中仅展示为一点，即分别垂直于所述第一轴线、及第二轴线。

举例来说，实验时，激光器投射激光与气体样品超声分子束相遇于复合速度成像电极组件22中心，光解反应在中心发生。目标电子在电子部分静电透镜的作用下，聚焦于电子像增强器231，电子撞击电子像增强器231的位置分布被后面的电子CCD相机232记录下来得到原始电子图像；目标离子在离子部分静电透镜的作用下，聚焦于离子像增强器233，离子撞击离子像增强器233的位置分布被后面的离子CCD相机234记录下来得到原始离子图像。地磁屏蔽桶21为双层铍莫合金薄板金属桶，可以屏蔽电子和离子飞行过程中的地磁场干扰。

本发明装置在高真空环境下工作，对电子CCD相机232或离子CCD相机234采集的图像信息通过反阿贝尔变换的程序分析即可得到电子或离子的初始三维动量分布等重要信息。

于本申请中，所述分子束捕集腔3用于将所述分析腔2内剩余的目标气体样本排出至装置外，以避免剩余的目标气体样本影响分析腔2真空。

于本申请一实施例中，所述分子束捕集腔3设置于所述真空腔的另一侧，所述分子束捕集腔3的尾部相对于所述气体进样系统1的轴线设置有一定倾斜角度，以避免超声分子束形式的目标气体样本与所述分子束捕集腔3的尾部碰撞反弹，从而影响分析腔2真空。优选地，所述分子束捕集腔3尾部设置为斜向上20°。

本申请提供的高动能高分辨复合电子离子速度成像装置，拓宽了目标电子的动能探测范围，具备了同时100％收集同一光解反应产生的电子和离子的能力。全方位角电子离子的复合探测相对于单一探测电子的速度成像谱仪更具优势，例如随时可以从离子的图像知道分子取向的空间分布。

本装置的气体进样系统可产生超声分子束，它的优点是可以得到很小的靶尺寸和很低的靶温度，这两者有助于降低电子到达像增强器的位置不确定度，从而改善电子衍射图像的分辨率，另外很低的靶温度还有利于排列分子取向。复合速度成像电极组件设计的电场使测量动能1000eV的电子仅需要加17kV的电压，这样极大的降低了实验设备的花费和使用的难度。

本装置整体模块化，操作简便，能同时测量高动能电子和低动能离子，如电子部分可达到1.5％@1000eV(即1000电子伏动能下能量分辨率可达到1.5％；数值越低分辨率越好)，而离子部分可达到4％@10eV，可解决目前国际上对高动能电子测量效率非常低或者能量分辨差的问题。另外，本装置可根据不同的实验目的设置电场分布为动量聚焦模式、源区显微模式和高分辨质谱模式三种模式，相比于其他装置，可以更全面的研究分子光解反应。

本申请有效克服现有技术中的至少一个缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种高动能高分辨复合电子离子速度成像装置，其特征在于，所述装置包括：气体进样系统、分析腔、及分子束捕集腔；

所述气体进样系统与所述分子束捕集腔开孔相连于所述分析腔两侧；所述气体进样系统与所述分子束捕集腔共轴，对应第一轴线；

所述气体进样系统把目标气体样本以超声分子束形式喷入高真空环境并传输至分析腔；

所述分析腔提供目标气体样本与光反应所需的高真空环境，反应产生电子和离子，并设置电场分布以控制电子和/或离子的运动轨迹，最终获取电子和/或离子的初始三维动量分布；其中，所述分析腔内设有复合速度成像电极组件；所述复合速度成像电极组件包括：由上至下设置的26个可独立施加电压的开孔电极片、第一电子漂移管、第二电子漂移管、及离子漂移管；所述复合速度成像电极组件根据不同的检测目的调整各开孔电极片的数量、厚度、开孔直径、位置、片间间距、以及所施加的电压，可使所述分析腔切换为对应不同电场分布的检测分析模式，以供全面研究分子光解反应；

所述分子束捕集腔将剩余目标气体样本排出至装置外，以避免剩余的目标气体样本影响分析腔真空。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分析腔内分别设有地磁屏蔽桶、复合速度成像电极组件、及图像增强照相系统；所述复合速度成像电极组件对应有第二轴线；

所述地磁屏蔽桶用于屏蔽电子或离子飞行过程中的地磁场干扰；

设置于所述地磁屏蔽桶内的复合速度成像电极组件用于设置不同的电场分布环境，从而控制电子和/或离子的运动轨迹；其中主要包括高动能电子和/或低动能离子；

分别设置于所述分析腔顶部与底部的图像增强照相系统用于拍摄电子和/或离子的轨迹终点图像，从而获取电子和/或离子的初始三维动量分布。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，第一电子漂移管设于由上至下第1个开孔电极片的上方；所述第二电子漂移管设于由上至下的第1个开孔电极片与第2个开孔电极片之间；

第一电子漂移管、第二电子漂移管、及由上至下第1-13个开孔电极片位于所述第一轴线的上方；

对第一电子漂移管、第二电子漂移管、及由上至下第1-13个开孔电极片中至少部分施加正电压以形成电子活动区域；

和/或，

所述离子漂移管设于最下层；

由上至下的第14-26个开孔电极片、及离子漂移管位于所述第一轴线的下方；

对上至下的第14-26个开孔电极片、及离子漂移管中至少部分施加负电压以形成离子活动区域。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一电子漂移管的管道直径、第1个开孔电极片的开孔直径、第二电子漂移管的管道直径、及由上至下第2-13个开孔电极片的开孔直径由上至下分别逐渐减小；所述第14-26个开孔电极片的开孔直径、及离子漂移管的管道直径由上至下逐渐增大。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，各所述开孔电极片、第一电子漂移管、第二电子漂移管、及离子漂移管的两端分别穿过陶瓷柱，以构成复合速度成像电极组件的框架，且使所述开孔电极片、第一电子漂移管、第二电子漂移管、及离子漂移管的中心分为位于所述第二轴线上。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述复合速度成像电极组件通过陶瓷绝缘环、及陶瓷螺母对各所述开孔电极片、第一电子漂移管、第二电子漂移管、及离子漂移管进行限位固定或调整；其中，所述陶瓷绝缘环用于分隔所述开孔电极片，以便对它们独立施加电压时不会互相干扰。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在第一电子漂移管上端面，第4片开孔电极片，第14片开孔电极片，第15片开孔电极片，及离子漂移管下端面贴设金属网，以对相邻电场进行隔离。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述检测分析模式包括：动量聚焦模式、源区显微模式、及高分辨质谱模式中任意一种或多种；其中，

所述动量聚焦模式，用于高分辨测量电子离子的三维动量分布；

所述源区显微模式，用于将所述地磁屏蔽桶内中心位置的反应区域放大10倍；

所述高分辨质谱模式，用于区分不同离子产物。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分析腔的两侧、及所述地磁屏蔽桶两侧分别在对应所述第一轴线上设有第一通孔；所述地磁屏蔽桶的顶部与底部分别在对应所述第二轴线上设有第二开孔；

所述地磁屏蔽桶的中心位置为所述第一轴线与所述第二轴线的交叉点位置。

10.根据权利要求2或9所述的装置，其特征在于，所述地磁屏蔽桶为双层铍莫合金薄板金属桶，用于屏蔽电子或离子飞行过程中的地磁场干扰。

11.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述图像增强照相系统包括：电子像增强器、电子CCD相机、离子像增强器、及离子CCD相机；

其中，所述电子像增强器设置于所述分析腔的顶部；所述电子CCD相机设置于所述电子像增强器的上方；所述离子像增强器设置于所述分析腔的底部；所述离子CCD相机设置于所述离子像增强器的下方；

且所述电子像增强器、电子CCD相机、离子像增强器、及离子CCD相机、及地磁屏蔽桶的中心位置共同位于所述第二轴线上。

12.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分析腔的侧壁上设置有石英玻璃窗，以用于让光进入分析腔；光的方向分别垂直于所述第一轴线、及第二轴线，与目标气体样本相遇于所述地磁屏蔽桶中心位置。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体进样系统包括：气体源、及真空腔组件：

其中，所述气体源包括：气瓶、通气管、三维移动平台、及气体喷头；

所述真空腔组件用于提供高真空环境并连接所述分析腔；所述真空腔组件包括依次相连的气体源真空腔、一级差分真空腔、及二级差分真空腔，腔与腔之间设置过束孔；

所述三维移动平台固定于所述气体源真空腔外的一端；所述通气管的进气端与所述气瓶连通，所述通气管穿过所述三维移动平台并置入所述气体源真空腔内，所述通气管的出气端连接于所述气体喷头；

所述气体源真空腔、一级差分真空腔、及二级差分真空腔之间设置的过束孔同轴并形成所述第一轴线。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述二级差分真空腔与所述分析腔的一侧之间设置有闸板阀。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分子束捕集腔设置于所述分析腔的另一侧，所述分子束捕集腔的尾部相对于所述气体进样系统的轴线设置有一定倾斜角度，以避免超声分子束形式的目标气体样本与所述分子束捕集腔的尾部碰撞反弹，从而影响所述分析腔真空。

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