CN113295763A - 一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可消除反应物背景信号干扰的高灵敏高分辨交叉分子束探测装置。该装置由主腔室，探测室和离子探测模块组成。主腔室由反应室和转动束源室组成，用于提供触发基元化学反应的场所；探测室由两个差抽室组成，为产物探测提供无反应物背景信号干扰的光电离环境；离子探测模块由微通道板，电子接收器，信号放大器和采集卡组成，用于测量离子化后的产物的时间飞行谱。本发明通过将光电离区域从反应中心挪至探测区域前端，利用两级差抽将反应物隔离在探测区域之外，从根本上消除反应物因探测激光作用而引入的背景信号干扰，通过激光光电离技术与时间飞行谱技术相结合，从而实现对基元化学反应的产物时间飞行谱的高灵敏、高分辨的测量。

Description

一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置
技术领域
本发明涉及一种交叉分子束探测装置，具体是一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置。
背景技术
交叉分子束技术是现代物理化学实验研究中实现量子态分辨的基元化学反应研究的重要工具。所谓交叉分子束技术，是将两个分子束源以一定角度在高真空环境下进行单次碰撞，进而发生弹性/非弹性散射或化学反应过程。在具体的实验研究过程中，如何获取基元化学反应的能量分配、产物空间分布等动力学信息是交叉分子束实验研究的关键所在。
以往，用于探测基元化学反应产物的装置是基于电子轰击探测技术的“通用型”交叉分子束实验装置。这一类装置是利用电子轰击的方法将到达离化区的产物进行电离，产物离子再由质谱探测器进行质量筛选并收集，获取产物时间飞行谱。由于电子轰击的探测效率较低，探测室内的残余气体往往也会同时发生电离而产生较强的背景信号，加之质谱探测器的分辨率也不尽如人意，因此这一装置虽然用途较广，但并不适用于高分辨的基元化学反应研究。
近些年发展起来的离子速度成像技术则是采用激光光电离的方法来探测产物。这一技术通过将激光作用于反应中心，使朝着各个方向飞行的产物均实现光电离，并结合离子透镜将不同位置处的具有相同速度矢量的产物离子聚焦在探测平面上的同一点，最终获取产物速度分布和空间角分布信息。虽然这一技术提高了探测灵敏度，然而一方面反应中心处聚集着反应物和产物，反应物若能被激光光解离，产生的与产物相同的碎片可同时被同一束激光光电离，进而产生干扰产物信号的背景信号；另一方面离子从反应中心处飞行至探测平面的这段时间内因带电粒子间存在的电荷排斥效应而使其空间聚焦效果变差，进而影响最终的探测分辨率。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种可消除反应物背景信号干扰的高灵敏高分辨交叉分子束探测装置。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
本发明中的装置包括主腔室，探测室，离子探测模块。
所述主腔室由反应室，第一转动束源室和第二转动束源室组成，用于提供触发基元化学反应的实验场所，所述反应室，第一转动束源室和第二转动束源室均独立抽真空；
其中第一转动束源室和第二转动束源室固定在转动圆盘上，转动圆盘与反应室动态密封衔接，两个转动束源室可绕着反应室中心轴进行整体旋转，第一转动束源室和第二转动束源室内各配置一个脉冲阀，用于制备反应物束源，两个反应物束源在反应室所在的中心位置处因碰撞而触发化学反应。
所述探测室由第一差抽室和第二差抽室组成，为实现光电离探测产物提供高真空环境，第一差抽室与反应室静态密封衔接，两个差抽室分别独立抽真空；
两个差抽室之间以及第一差抽室与反应室之间通过漏勺进行联通，反应室的中心位置处生成的产物依次通过两个漏勺进入第二差抽室，实现反应物与产物在探测区域内的分离，产物在临近探测区域前端之时被引入第二差抽室的激光光电离成离子。
所述离子探测模块由微通道板，电子接收器，信号放大器和采集卡组成，用于探测产物离子化后的时间飞行谱；
离子化后的产物沿着原飞行方向撞击微通道板而产生二次电子，经施加在微通道板两端的电压加速而实现电子倍增，从微通道板出来的电子由后端的电子接收器收集，再经过信号放大器放大后由采集卡记录信号的飞行时间和强度信息，最后获取产物时间飞行谱。
优选的，所述漏勺为镍材质的超薄锥形准直器，前端开有小孔，两个漏勺的小孔圆心与反应中心之间形成三点一线。
优选的，所述激光为连续光，其波长可根据被探测产物的电离能进行调谐，实现产物的软电离探测。
优选的，所述采集卡具有时间分辨功能，能有效区分并记录不同时间段到达的信号。
优选的，所述第一差抽室和第二差抽室均配置一个真空规，用于检测腔室内的真空度，第二差抽室配置残余气体分析器，用于监测反应物分子在探测区域的残留浓度。
优选的，所述转动圆盘与反应室之间通过轴承和密封圈进行动态密封衔接。
优选的，所述第一差抽室与反应室之间通过橡胶圈进行静态密封衔接。
优选的，为了减少激光在进光口与出光口或是传播方向上出现的杂散光对于微通道板的影响，在第二差抽室内外沿着光轴方向加装光屏蔽筒。
优选的，通过旋转转动圆盘，改变离子探测模块的相对探测角度来实现获取不同飞行方向下的产物时间飞行谱。
优选的，圆盘的旋转角度须确保反应物束源的出射方向与探测方向始终不在一条直线上。
本发明具有以下有益效果：本发明通过将激光光电离区域移至探测区域前端，结合两级差抽方式将产物与反应物进行有效隔离，从根本上消除了激光光解离反应物所产生的碎片信号对于产物信号的干扰，使该装置更具通用性；同时，通过将激光光电离技术作为时间飞行谱技术探测产物过程中的离子化手段，兼顾了两种技术的优势，使该装置具备高灵敏与高分辨性能。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
其中，1、反应室，2、第一转动束源室，3、第二转动束源室，4、转动圆盘，5、脉冲阀，6、第一差抽室，7、第二差抽室，8、漏勺，9、激光，10、光屏蔽筒，11、微通道板，12、电子接收器，13、信号放大器，14、采集卡。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本实施案例由包括主腔室，探测室和离子探测模块。
所述主腔室由反应室1，第一转动束源室2和第二转动束源室3组成，用于提供触发基元化学反应的实验场所，各个腔室均独立抽真空，第一转动束源室2和第二转动束源室3固定在转动圆盘4上，转动圆盘4与反应室1之间通过轴承和密封圈进行动态密封衔接，两个转动束源室可绕着反应室1中心轴进行整体旋转，第一转动束源室2和第二转动束源室3内各配置一个脉冲阀5，用于制备反应物束源，两个反应物束源在反应室1所在的中心位置处因碰撞而触发化学反应。
所述探测室由第一差抽室6和第二差抽室7组成，为实现光电离探测产物提供高真空环境，第一差抽室6与反应室1之间通过橡胶圈进行静态密封衔接，两个差抽室分别独立抽真空，两者之间以及第一差抽室6与反应室1之间通过漏勺8进行联通，反应室1的中心位置处，即反应中心处产生的产物依次通过两个漏勺8进入第二差抽室7，实现反应物与产物在探测区域内的分离，产物在临近探测区前端之时被引入第二差抽室7的激光9光电离成离子，为了减少激光在进光口与出光口或是传播方向上出现的杂散光对于微通道板11的影响，在第二差抽室内外沿着光轴方向加装光屏蔽筒10。
所述离子探测模块由微通道板11，电子接收器12，信号放大器13和采集卡14组成，用于探测产物离子化后的时间飞行谱，离子化后的产物沿着原飞行方向撞击微通道板11而产生二次电子，经施加在微通道板11两端的电压加速而实现电子倍增，从微通道板11出来的电子由后端的电子接收器12收集，再经过信号放大器13放大后由采集卡14记录信号的飞行时间和强度信息，最后获取产物时间飞行谱。
所述漏勺8为镍材质的超薄锥形准直器，前端开有小孔，两个漏勺8的小孔圆心与反应中心之间形成三点一线。
所述激光9为连续光，其波长可根据被探测产物的电离能进行调谐，实现产物的软电离探测。
所述采集卡14具有时间分辨功能，能有效区分并记录不同时间段到达的信号。
所述第一差抽室6和第二差抽室7均配置一个真空规，用于检测腔室内的真空度，第二差抽室7配置残余气体分析器，用于监测反应物分子在探测区域的残留浓度。
利用上述装置实现消除反应物背景信号干扰的高灵敏高分辨交叉分子束探测的方法为：
反应室1的中心位置处因反应物束源相互碰撞产生的某个角度下的基元化学反应产物在连续通过第一差抽室6和第二差抽室7上的漏勺8后，与反应物进行有效分离，产物在到达探测区域前端之时经激光9作用发生光电离，离子继续飞行至微通道板11后，通过撞击微通道板11产生二次电子，电子由后端的电子接收器12收集，并经信号放大器13实现信号增益，最终由采集卡14记录产物从反应中心处飞行至微通道板11的时间与强度信息，从而获取该角度下的产物时间飞行谱。整个探测过程中，通过两级差抽提纯产物，消除了激光作用于反应物而产生的背景信号干扰，采用激光光电离作为时间飞行谱探测产物过程中的离子化手段，兼顾了激光光电离探测产物的高灵敏与时间飞行谱技术的高分辨的优势。为了进一步获取不同飞行方向下的产物时间飞行谱，可通过旋转转动圆盘4，改变离子探测模块的相对探测角度来实现，但旋转角度须确保反应物束源的出射方向与探测方向始终不在一条直线上。
本发明的具体实施操作过程如下：
1、按照图1将装置的各个部件进行组装，调整好两个转动束源腔室之间的角度，将激光移入第二差抽室；
2、开启真空泵，使各个腔室的真空度达到极限真空，加载微通道板两端的电压；
3、开启脉冲阀，触发基元化学反应；
4、当产物依次通过漏勺，到达探测区域前端之时，与激光相遇后发生光电离；
5、离子化后的产物撞击微通道板后产生二次电子，并在高压作用下增益放大；
6、电子由电子接收器收集并经信号放大器放大后，由采集卡行进信号的累积与输出。

Claims (10)

1.一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，包括主腔室，探测室和离子探测模块；
所述主腔室由反应室（1），第一转动束源室（2）和第二转动束源室（3）组成，用于提供触发基元化学反应的实验场所，所述反应室（1），第一转动束源室（2）和第二转动束源室（3）均独立抽真空；
其中第一转动束源室（2）和第二转动束源室（3）固定在转动圆盘（4）上，转动圆盘（4）与反应室（1）动态密封衔接，两个转动束源室可绕着反应室（1）中心轴进行整体旋转，第一转动束源室（2）和第二转动束源室（3）内各配置一个脉冲阀（5），用于制备反应物束源，两个反应物束源在反应室（1）所在的中心位置处因碰撞而触发化学反应；
所述探测室由第一差抽室（6）和第二差抽室（7）组成，其中第一差抽室（6）与反应室（1）静态密封衔接，两个差抽室分别独立抽真空；
两个差抽室之间以及第一差抽室（6）与反应室（1）之间通过漏勺（8）进行连通，反应室（1）的中心位置处生成的产物依次通过两个漏勺（8）进入第二差抽室（7），实现反应物与产物在探测区域内的分离；产物在临近探测区域前端之时被引入第二差抽室（7）的激光（9）光电离成离子；
所述离子探测模块由微通道板（11），电子接收器（12），信号放大器（13）和采集卡（14）组成，用于探测产物离子化后的时间飞行谱；
离子化后的产物沿着原飞行方向撞击微通道板（11）而产生二次电子，经施加在微通道板（11）两端的电压加速而实现电子倍增，从微通道板（11）出来的电子由后端的电子接收器（12）收集，再经过信号放大器（13）放大后由采集卡（14）记录离子信号的飞行时间和强度信息，最后获取产物时间飞行谱。
2.根据权利要求1所述的一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，所述漏勺（8）为镍材质的超薄锥形准直器，前端开有小孔，两个漏勺（8）的小孔圆心与反应中心之间形成三点一线。
3.根据权利要求1所述的一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，所述激光（9）为连续光，其波长可根据被探测产物的电离能进行调谐，实现产物的软电离探测。
4.根据权利要求1所述的一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，所述采集卡（14）具有时间分辨功能，能有效区分并记录不同时间段到达的信号。
5.根据权利要求1所述的一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，所述第一差抽室（6）和第二差抽室（7）均配置一个真空规，用于检测腔室内的真空度，第二差抽室（7）还配置残余气体分析器，用于监测反应物分子在探测区域的残留浓度。
6.根据权利要求1所述的一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，所述转动圆盘（4）与反应室（1）之间通过轴承和密封圈进行动态密封衔接。
7.根据权利要求1所述的一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，所述第一差抽室（6）与反应室（1）之间通过橡胶圈进行静态密封衔接。
8.根据权利要求1所述的一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，在所述第二差抽室（7）内外沿着光轴方向加装有光屏蔽筒（10）。
9.根据权利要求1所述的一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，通过旋转转动圆盘，改变离子探测模块的相对探测角度来实现获取不同飞行方向下的产物时间飞行谱。
10.根据权利要求1所述的一种可消除反应物背景信号干扰的交叉分子束探测装置，其特征在于，圆盘的旋转角度须确保反应物束源的出射方向与探测方向始终不在一条直线上。
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