CN113514462A - 一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置及方法。本发明中的真空系统由反应/探测腔室，真空泵和混频池组成，用于提供探测产物微分散射截面信息所需的高真空环境，激光系统由泵浦源和可调谐激光器组成，用于制备阈值电离产物的探测光，探测系统由离子传输器、微通道板、荧光屏和相机组成，用于将离子化后的产物的微分散射截面的精细结构影像化。本发明通过阈值电离技术将产物电离探测过程中的电子反冲影响降至最小，使保留有初始微分散射截面信息的产物离子球通过纵向拉伸，横向聚集放大的方式一次性完整地截取位于离子球中间部分的离子信号，使微观的产物微分散射截面信息在探测系统中呈现兼具较高的角分辨和能量分辨的影像图。

Description

一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置及方法。
背景技术
从微观上来讲，反应物分子一般总是经过若干的简单反应步骤，才最后转化为产物分子，其中每一个简单的反应步骤，均对应一个基元化学反应。从量子态分辨水平上研究基元化学反应有助于人们理解并掌握整个复杂化学反应体系的过程与机理。微分散射截面作为基元化学反应研究中最为重要的可观测量，不仅直接反映着产物的量子态布居、平动能分布以及空间角分布，也包含着反应过渡态等丰富的动力学信息。因此，在实验上捕捉高精度的量子态分辨的产物微分散射截面对于理解微观化学反应动力学具有非常重要的意义。
长期以来，实验上获取微分散射截面的通常手段是利用微通道板或质谱仪等探测器探测二维平面内不同角度下的基元化学反应产物的飞行时间谱，再通过拟合来重构出产物的微分散射截面。由于探测器不可能无限小，探测角度的选取也不可能做到无限多，相邻角度之间的信息只能经过插值平滑处理得到，这类利用有限的几个角度下的产物飞行时间谱来重构的产物微分散射截面的方法是比较粗糙的，特别是对于产物微分散射截面在小角度范围内存在着精细结构变化的基元化学反应来说将会丢失重要的动力学信息。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足之处，提供了一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置及方法。
本发明的一方面提供了一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置，适用于产物在三维空间内呈球对称分布的基元化学反应，它包括真空系统，激光系统，探测系统。
所述真空系统由反应/探测腔室，真空泵和混频池组成，反应/探测腔室由真空泵抽真空，提供研究单次碰撞的基元化学反应以及捕捉微分散射截面信息所需要的高真空环境，反应/探测腔室内配置混频池，用于四波混频产生单光子或（1+1'）阈值电离产物的第一束探测光。
所述激光系统由第一泵浦源，第二泵浦源，第一可调谐激光器，第二可调谐激光器和第三可调谐激光器组成，用于产生阈值电离基元化学反应产物的探测光，第一泵浦源同时泵浦第一可调谐激光器和第二可调谐激光器，第一可调谐激光器输出的激光经倍频器倍频产生第一束激光ω1，第一束激光ω1和第二可调谐激光器输出的第二束激光ω1在透镜组合作用下，聚焦于混频池内同一点，通过四波混频产生真空紫外光，作为单光子阈值电离产物或（1+1'）阈值电离产物的第一束探测光，第二泵浦源单独泵浦第三可调谐激光器产生第三束激光ω3，经聚焦透镜聚焦于反应/探测中心的前端，作为（1+1'）阈值电离产物的第二束探测光。
所述探测系统由离子传输器，微通道板，荧光屏和相机组成，用于将微观的微分散射截面的精细结构影像化；所述离子传输器由多片圆环型电极片组成，其安装在反应/探测腔室的正中心，内部第二片与第三片电极片之间的中间位置恰好对应于反应/探测中心位置，离子传输器内部形成的电场将阈值电离后形成的产物离子球进行纵向拉伸、横向放大并聚集至微通道板所在探测平面上，微通道板安装在反应/探测腔室的顶部，与离子传输器保持同心，两者之间有一段无电场作用的离子球自由飞行区域，在被离子传输器拉伸、放大后的产物离子球的中间部分达到微通道板之时，这些离子被微通道板转化为增益放大的电子，荧光屏安装在微通道板后端，一方面作为反应/探测腔室与外界之间的密封件，另一方面将经微通道板转化而来的电子信号转化为光信号，相机将荧光屏上面显示的光信号进行长时间累积并传输至电脑进行处理。
进一步说，所述反应/探测腔室配有可接入用于制备并导入反应物的腔室的接口，满足基元化学反应研究之用。
进一步说，所述的第一束探测光的单光子能量或第一束探测光和第二束探测光的光子能量之和恰好能将被测产物最终激发至电离线附近，实现单光子或（1+1'）阈值电离。
进一步说，所述离子传输器由多片圆环型电极片组成，电极片组内部形成的电场由弱到强分为弱电场，逐渐增强电场、强电场三部分，弱电场部分使产物离子球在纵向方向上尽可能地拉伸为橄榄球型，逐渐增强电场部分使离子球内部在同一横向平面内的具有相同动量的离子在横向方向上扩展并在飞行至微通道板所在平面上时聚集至同一点，强电场部分使变形后的离子球加速飞出离子传输器。
进一步说，所述微通道板具有二维位置敏感的特性，使产物离子球在撞击微通道板后转化成电子信号的过程中不丢失初始的位置信息，微通道板可以通过调节所施加的脉冲高压的相对时间，确保产物离子球的中间部分被一次性完整地切片探测。
本发明的另一方面还提供了一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的方法，该方法是在在反应/探测腔室正中心处产生的基元化学反应产物，通过激光系统产生的探测光经单光子或（1+1'）阈值电离技术实现量子态分辨探测，生成的产物离子球受电子反冲的影响将至最小，完整保留了产物微分散射截面的初始动量信息与空间分布信息，产物离子球经过离子传输器内部电场的纵向拉伸，横向放大并聚集至微通道板，通过调节施加在微通道板上的脉冲高压的作用时间，将放大后的产物离子球的中间部分单独切片，实现这部分离子的信号放大，微通道板和荧光屏将保留有初始动量信息与空间分部信息的离子信号在二维探测平面内最终转化为光信号，通过相机对光信号进行累积来捕捉基元化学反应产物在二维平面内随角度连续变化的微分散射截面精细结构，使微观的微分散射截面信息最终影像化。
本发明具有以下有益效果：通过单光子或（1+1'）阈值电离技术从源头上将产物电离过程中存在的电子反冲影响降至最小，提高产物离子球的初始能量分辨率；通过离子传输器将产物离子球进行纵向拉伸、横向放大并聚集至较远的探测平面上，最终采用切片形式一次性完整地提取表征微分散射截面的初始离子球中间部分的那些离子信号，使获取的微分散射截面兼具较高的角分辨和能量分辨，从而完整地捕捉到随角度连续变化的微分散射截面的精细结构。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
其中，1、反应/探测腔室，2、真空泵，3、混频池，4、第一泵浦源，5、地二泵浦源，6、第一可调谐激光器，7、第二可调谐激光器，8、第三可调谐激光器，9、倍频器，10、透镜组合，11、第一束探测光，12、聚焦透镜，13、第二束探测光，14、离子传输器，15、微通道板，16、荧光屏，17、相机。
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，本实施例中的装置包括真空系统，激光系统，探测系统，其中真空系统由反应/探测腔室1，真空泵2和混频池3组成，反应/探测腔室1由真空泵2抽真空，提供研究单次碰撞的基元化学反应以及捕捉微分散射截面信息所需要的高真空环境，反应/探测腔室1内配置混频池3，用于四波混频产生单光子或（1+1'）阈值电离产物的第一束探测光11。
激光系统由第一泵浦源4，第二泵浦源5，第一可调谐激光器6，第二可调谐激光器7和第三可调谐激光器8组成，用于产生阈值电离基元化学反应产物的探测光，第一泵浦源4同时泵浦第一可调谐激光器6和第二可调谐激光器7，第一可调谐激光器6输出的激光经倍频器9倍频产生第一束激光ω1，ω1和第二可调谐激光器7输出的第二束激光ω2在透镜组合10作用下，聚焦于混频池3内同一点，通过四波混频产生真空紫外光，作为单光子阈值电离产物或（1+1'）阈值电离产物的第一束探测光11，第二泵浦源5单独泵浦第三可调谐激光器8产生第三束激光ω3，经聚焦透镜12聚焦于反应/探测中心的前端，作为（1+1'）阈值电离产物的第二束探测光13。
探测系统由离子传输器14、微通道板15、荧光屏16和相机17组成，用于将微观的微分散射截面的精细结构影像化，离子传输器14由多片圆环型电极片组成，其安装在反应/探测腔室1的正中心，内部第二片与第三片电极片之间的中间位置恰好对应于反应/探测中心位置，离子传输器14内部形成的电场将阈值电离后形成的产物离子球进行纵向拉伸、横向放大并聚集至微通道板15所在探测平面上，微通道板15安装在反应/探测腔室的顶部，与离子传输器14保持同心，两者之间有一段无电场作用的离子球自由飞行区域，在对应于初始产物离子球的中间那部分离子达到微通道板15之时，这些离子被微通道板转化为增益放大的电子，荧光屏16安装在微通道板15后端，一方面作为反应/探测腔室1与外界之间的密封件，另一方面将经微通道板15转化而来的电子信号转化为光信号，相机17将荧光屏16上面显示的光信号进行长时间累积并传输至电脑进行处理。
利用上述装置捕捉产物微分散射截面精细结构的方法：
在反应/探测腔室正中心处产生的基元化学反应产物，通过激光系统产生的探测光经单光子或（1+1'）阈值电离技术实现量子态分辨探测，生成的产物离子球受电子反冲的影响将至最小，完整保留了产物微分散射截面的初始动量信息与空间分布信息，产物离子球经过离子传输器内部电场的纵向拉伸，横向放大并聚集至微通道板，通过调节施加在微通道板上的脉冲高压的作用时间，将放大后的产物离子球的中间部分单独切片，实现这部分离子的信号放大，微通道板和荧光屏将保留有初始动量信息与空间分部信息的离子信号在二维探测平面内最终转化为光信号，通过相机对光信号进行累积来捕捉基元化学反应产物在二维平面内随角度连续变化的微分散射截面精细结构，使微观的微分散射截面信息最终影像化。
本发明的具体实施操作过程如下：
1、按照图1装配好整套装置，并通过反应/探测腔室预留的接口接入用于制备反应物的腔室。
2、开启真空泵，将反应/探测腔室等的真空度维持在10-8torr量级。
3、启动反应物制备装置，反应物在反应/探测室正中心处，也即离子传输器的第二片与第三片电极片之间的中心位置处相互交汇，因单次碰撞而触发基元化学反应，由此在碰撞区域内产生具有不同初始动量的中性产物。
4、启动激光系统，将可调谐激光器输出的激光ω1、ω2、ω3分别调至适合产物阈值电离的波长，例如：探测的产物是氢原子之时，ω1和ω2分别调至212nm和845nm，利用混频池内的氪气作为非线性介质，通过四波混频产生波长为121.6nm的第一束探测光，将ω3调至365nm作为第二束探测光，将氢原子产物首先激发至n=1，再电离成氢离子，由于第二束探测光对应的能量微微高于与氢原子原子能级n=2到电离线之间的能量差值，从而实现（1+1'）阈值电离。
5、开启探测系统，在离子传输器中施加一定的恒定电压，使电极片组从反应/探测中心到末端之间依次形成弱电场，逐渐增强电场，强电场。以施加的电压为1200V，组成离子传输器的电极片数量为23片，反应/探测中心到微通道板的纵向距离为650mm为例，将弱电场部分的场强设置为3.03V/mm，强电场部分的场强设置为6.36V/mm，逐渐增强电场的场强设置从3.03V/mm逐步增加至6.36V/mm，这一配置可将产物离子球通过弱电场部分的纵向拉伸，逐渐递增电场部分将同一平面内具有相同动量的离子横向扩展并聚集至650mm处的微通道板所在的探测平面上的同一点，调节施加在微通道板之上的脉冲高压的作用时间，实现对离子球中间部分的离子信号的切片探测。
6、通过相机采集荧光屏上面的光信号并将累积后的影像传输至电脑后进行处理，最终获取不同量子态产物在全角度下的微分散射截面的精细结构。
综上，本发明通过单光子或（1+1'）阈值电离技术从源头上将产物电离探测过程中的电子反冲影响降至最小，使保留有初始微分散射截面信息的产物离子球通过纵向拉伸，横向聚集放大的方式一次性完整地截取位于离子球中间部分的离子信号，使微观的产物微分散射截面信息在探测系统中呈现兼具较高的角分辨和能量分辨的影像图，从而捕捉到基元化学反应的量子态分辨的产物微分散射截面随角度连续变化的精细结构。

Claims (6)

1.一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置，适用于产物在三维空间内呈球对称分布的基元化学反应，包括真空系统，激光系统和探测系统，其特征在于：
所述真空系统由反应/探测腔室（1），真空泵（2）和混频池（3）组成；
所述反应/探测腔室（1）由真空泵（2）抽真空，提供研究单次碰撞的基元化学反应以及捕捉微分散射截面信息所需要的高真空环境，反应/探测腔室（1）内配置混频池（3），用于四波混频产生单光子或（1+1'）阈值电离产物的第一束探测光（11）；
所述激光系统由第一泵浦源（4），第二泵浦源（5），第一可调谐激光器（6），第二可调谐激光器（7）和第三可调谐激光器（8）组成，用于产生阈值电离基元化学反应产物的探测光；所述第一泵浦源（4）同时泵浦第一可调谐激光器（6）和第二可调谐激光器（7），第一可调谐激光器（6）输出的激光经倍频器（9）倍频产生第一束激光ω1，第一束激光ω1和第二可调谐激光器（7）输出的第二束激光ω1在透镜组合（10）作用下，聚焦于混频池（3）内同一点，通过四波混频产生真空紫外光，作为单光子阈值电离产物或（1+1'）阈值电离产物的第一束探测光（11），第二泵浦源（5）单独泵浦第三可调谐激光器（8）产生第三束激光ω3，经聚焦透镜（12）聚焦于反应/探测中心的前端，作为（1+1'）阈值电离产物的第二束探测光（13）；
所述探测系统由离子传输器（14），微通道板（15），荧光屏（16）和相机（17）组成，用于将微观的微分散射截面的精细结构影像化；所述离子传输器（14）由多片圆环型电极片组成，其安装在反应/探测腔室（1）的正中心，内部第二片与第三片电极片之间的中间位置恰好对应于反应/探测中心位置，离子传输器（14）内部形成的电场将阈值电离后形成的产物离子球纵向拉伸、横向放大后聚集至微通道板（15）所在探测平面上，微通道板（15）安装在反应/探测腔室的顶部，与离子传输器（14）保持同心，两者之间有一段无电场作用的离子球自由飞行区域，在对应于初始产物离子球的中间那部分离子达到微通道板（15）之时，这些离子被微通道板（15）转化为增益放大的电子，荧光屏（16）安装在微通道板（15）后端，一方面作为反应/探测腔室（1）与外界之间的密封件，另一方面将经微通道板（15）转化而来的电子信号转化为光信号，相机（17）将荧光屏（16）上面显示的光信号进行长时间累积并传输至电脑进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置，其特征在于，所述反应/探测腔室（1）配有可接入用于制备并导入反应物的腔室的接口，满足基元化学反应研究之用。
3.根据权利要求1所述的一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置，其特征在于，所述第一束探测光（11）的单光子能量或第一束探测光（11）和第二束探测光（13）的光子能量之和恰好能将产物最终激发至电离线附近，实现单光子或（1+1'）阈值电离。
4.根据权利要求1所述的一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置，其特征在于，所述离子传输器（14）由多片圆环型电极片组成，电极片组内部形成的电场由弱到强分为弱电场，逐渐增强电场、强电场三部分，弱电场部分使产物离子球在纵向方向上尽可能地拉伸为橄榄球型，逐渐增强电场部分使离子球内部在同一横向平面内的具有相同动量的离子在横向方向上扩展并在飞行至微通道板所在平面上时聚集至同一点，强电场部分使变形后的离子球加速飞出离子传输器（14）。
5.根据权利要求1所述的一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的装置，其特征在于，所述微通道板（15）具有二维位置敏感的特性，使产物离子球在撞击微通道板（15）后转化成电子信号的过程中不丢失初始的位置信息，微通道板（15）通过调节所施加的脉冲高压的相对时间，确保产物离子球的中间部分被一次性完整地切片探测。
6.一种用于捕捉产物微分散射截面的精细结构的方法，使用权利要求1所述的装置，其特征在于：在反应/探测腔室（1）正中心处产生的基元化学反应产物，通过激光系统产生的探测光经单光子或（1+1'）阈值电离技术实现量子态分辨探测，生成的产物离子球受电子反冲的影响将至最小，完整保留了产物微分散射截面的初始动量信息与空间分布信息，产物离子球经过离子传输器（14）内部电场的纵向拉伸，横向放大并聚集至微通道板（15），通过调节施加在微通道板（15）上的脉冲高压的作用时间，将放大后的产物离子球的中间部分单独切片，实现这部分离子的信号放大，微通道板（15）和荧光屏（16）将保留有初始动量信息与空间分部信息的离子信号在二维探测平面内最终转化为光信号，通过相机对光信号进行累积来捕捉基元化学反应产物在二维平面内随角度连续变化的微分散射截面精细结构，使微观的微分散射截面信息最终影像化。
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