CN114813909A - 一种近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子和离子探测技术领域，特别涉及一种近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置。该装置包括离子光学模块和探测模块；离子光学模块包括沿带电离子运动方向依次设有的排斥极、排斥补偿极、引出补偿极、收集极及接地圆环，其中排斥补偿极与排斥极连接，且排斥补偿极与排斥极之间设有第一绝缘垫；引出补偿极与收集极连接，且引出补偿极和收集极之间设有第二绝缘垫；排斥补偿极和引出补偿极之间的区域为激光电离区；探测模块设置于接地圆环远离排斥极的一端。本发明可用于离子速度成像，尤其是表面散射‑离子速度成像，能有效减小样品表面和电离区域的距离，从而提升产物探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及电子和离子探测技术领域，特别涉及一种近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置。
背景技术
自1987年David Chandler和Paul Houston利用离子成像方法，得到了首张CH3I光解图像之后，离子成像迅猛发展。受限于产生离子的尺寸，离子具有初始速度和空间成像的原因，当时的能量和角度分辨只在5-10％(J.Chem.Phys.87,1445(1987))。1997年，Eppink和Parker创新的在成像系统中引入了静电透镜，并将这种新型成像方式命名为离子速度成像。由于速度成像不依赖离子的初始位置，只与初始速度相关，相同速度大小和相同初始速度方向的离子被聚焦到成像面的相同位置，消除了电离体积对成像质量的影响，极大的提升了分辨率。同时他们的方案避免引入栅网，消除了对离子飞行轨迹的干扰，以及提升了离子的透过率(Rev.Sci.Instrum.68,3477(1997))。此后速度成像分析器又得到了进一步发展。2001年，Kitsopoulos等人提出了切片的方式进行成像，通过切片牛顿球中心离子的信号，从而获得反应动力学信息，从而摆脱传统方法需要进行的反阿贝变换(Rev.Sci.Instrum.72,3848(2001))。不同小组又对切片方法进行扩展，如采用高时间分辨相机进行切片(Rev.Sci.Instrum.73,4206(2002))；通过调控解离光和电离光在时间和空间的延迟来实现光学切片(Rev.Sci.Instrum.74,2530(2003))；给微通道板(MCP)施加脉冲高压实现直流电压切片(Rev.Sci.Instrum.74,2495(2003).)。同年，Vrakking等人将einzel透镜引入到静电透镜后，实现了成像的放大，放大比例可达20倍(Rev.Sci.Instrum.72,3245(2001))。
表面散射-离子速度成像是研究气体分子与固体表面相互作用的重要研究方法，通过分析分子碰撞表面后散射出来的产物以及产物的平动、转动、振动、散射角度分布等，可以获得分子与表面相互作用、表面反应等重要物理化学信息。表面散射出来的产物一般是电中性的，需要电离后才能进行对其平动、转动、振动、散射角度分布等的测量。但是传统离子速度成像为了获得很好的圆柱对称的电场，都是采用圆柱对称的电极，并且电离点在圆柱对称轴附近。所以表面散射-离子速度成像中，如果采用圆柱对称的电极，势必会造成表面样品与电离点较远，造成探测效率低。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种近矩形结构电极的离子速度成像装置，该装置用于表面散射-离子速度成像，能有效减小样品表面和电离区域的距离，从而提升对表面散射出来的产物的电离探测效率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，包括离子光学模块和探测模块；
离子光学模块包括沿带电离子运动方向依次设有的排斥极、排斥补偿极、引出补偿极、收集极及接地圆环，其中排斥补偿极与排斥极连接，且排斥补偿极与排斥极之间设有第一绝缘垫；引出补偿极与收集极连接，且引出补偿极和收集极之间设有第二绝缘垫；排斥补偿极和引出补偿极之间的区域为激光电离区；
所述探测模块设置于接地圆环远离排斥极的一端。
所述排斥补偿极和所述引出补偿极均包括沿周向呈近矩形结构排布的多个补偿板，位于近矩形结构两端的补偿板为弧形板。
各所述补偿板远离激光电离区的一端均垂直设有连接板；
所述排斥极和所述收集极通过多个连接杆连接；连接杆贯穿所述排斥补偿极和所述引出补偿极的连接板。
所述连接杆包括不锈钢杆及套设于不锈钢杆外侧的陶瓷管。
所述排斥极的厚度为6mm；
所述第一绝缘垫和所述第二绝缘垫的厚度为3mm；
所述排斥补偿极和所述引出补偿极之间的激光电离区的宽度为26mm。
所述收集极和所述接地圆环均为圆筒形结构，所述接地圆环的侧壁上布设有多个通孔。
所述收集极长度为48mm；所述接地圆环的长度为139mm。
所述接地圆环的末端通过电极固定罩与所述探测模块连接。
所述探测模块包括馈通法兰、微通道板、荧光屏及绝缘体，其中绝缘体设置于馈通法兰上，绝缘体为中空结构；荧光屏设置于绝缘体内，微通道板设置于绝缘体远离馈通法兰的一端端部；
所述电极固定罩罩设于绝缘体的外侧，且与馈通法兰连接。
所述微通道板为两块，且V型堆叠。
本发明的优点及有益效果是：本发明与常规的表面散射离子速度成像装置相比，离子信号能很好的聚焦，样品位置能更靠近电离区域，离子速度成像分辨率高，该装置具备研究电离或者散射产生的离子速度以及角分布的能力。由于探测效率提升，有效缩短了数据采集时间。
本发明设计并且搭建了具有近矩形结构的电极，通过电场补偿实现高速度分辨的切片离子速度成像装置，相较于常规的圆柱对称电场的离子速度成像装置，样品距离电离点更近，探测效率更高。
附图说明
结合附图，通过参考下面的详细描述，能够全面了解该发明的结构和原理，并理解其优异的性能。
图1为本发明一种近矩形电极结构电场补偿式离子速度成像装置的主视图；
图2为本发明一种近矩形电极结构电场补偿式离子速度成像装置的剖视图；
图3为本发明中探测模块的结构示意图；
图4为本发明中排斥补偿极的结构示意图；
图5为本发明一种近矩形电极结构电场补偿式离子速度成像装置的工作原理示意图；
图6为本发明的电场等势线以及离子聚焦轨迹模拟图；
图7为图6的右视图；
图8为本发明在无样品靠近时采集的氧原子速度分布图像；
图9为本发明在无样品靠近时，沿图8白色线条提取的信号和拟合曲线图；
图10为本发明在样品靠近时采集的氧原子速度分布图像；
图11为本发明在样品靠近时，沿图10白色线条提取的信号和拟合曲线图。
图中：1为排斥极，2为排斥补偿极，201为补偿板，3为引出补偿极，4为收集极，5为接地圆环，6为电极固定罩，7为馈通法兰，8为微通道板，9为荧光屏，10为探测模块，11为连接杆，12为漏勺，13为样品，14为激光电离区域，15为超声分子束，16为第一绝缘垫，17为第二绝缘垫，18为绝缘体，20为电场等势线，21为离子聚焦轨迹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为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没有作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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1-2所示，本发明提供的一种近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，包括离子光学模块和探测模块10；离子光学模块用于加速并聚焦相同速度的离子团。离子光学模块包括沿带电离子运动方向依次设有的排斥极1、排斥补偿极2、引出补偿极3、收集极4及接地圆环5，其中排斥补偿极2与排斥极1连接，且排斥补偿极2与排斥极1之间设有第一绝缘垫16；引出补偿极3与收集极4连接，且引出补偿极3和收集极4之间设有第二绝缘垫17；排斥补偿极2和引出补偿极3之间的区域为激光电离区；探测模块10设置于接地圆环5远离排斥极1的一端。
如图4所示，本发明的实施例中，排斥补偿极2和引出补偿极3均包括沿周向呈近矩形结构排布的多个补偿板201，对称设置于近矩形结构两侧的补偿板201均为竖直设置的矩形板，位于近矩形结构两端的补偿板201为弧形板。
进一步地，各补偿板201远离激光电离区的一端均垂直设有连接板；排斥补偿极2的连接板与排斥极1连接，排斥极1上沿周向设有多个连接孔；引出补偿极3的连接板与收集极4一端的连接法兰连接。
进一步地，排斥极1和收集极4的两端通过多个连接杆11连接；连接杆11贯穿排斥补偿极2和引出补偿极3的连接板。本实施例中，连接杆11贯穿位于两端的弧形板的连接板。
本发明的实施例中，接地圆环5的末端通过电极固定罩6与探测模块10连接。如图3所示，探测模块10包括馈通法兰7、微通道板8、荧光屏9及绝缘体18，其中绝缘体18设置于馈通法兰7上，绝缘体18为中空结构；荧光屏9设置于绝缘体18内，微通道板8(MCP)设置于绝缘体18远离馈通法兰7的一端端部；电极固定罩6罩设于绝缘体18的外侧，且与馈通法兰7连接。本实施例中，微通道板8为两块，且V型堆叠。馈通法兰7上设有高压接线端子，外接直流电压源，保证真空内外的电压连接。优选地，绝缘体18采用陶瓷。
工作时，离子撞击微通道板8(MCP)，产生电子，电子在MCP孔道内加速并产生雪崩过程，引起电子倍增，实现电子信号的放大，最终轰击荧光屏9，转化为光信号，通过后续的相机进行记录。两块MCP与荧光屏9分别连接了独立的高压源，通过将MCP的靠近接地圆环5的第一级加上-900V的脉冲高压(约100ns)，MCP的第二级加上+500V高压，荧光屏9加上+2000V高压，就能实现离子团时间切片。
本发明的实施例中，排斥极1、排斥补偿极2、引出补偿极3、收集极4、接地圆环5均有304不锈钢制成，收集极4和接地圆环5均为圆筒形结构，接地圆环5的侧壁上布设有多个通孔，有利于离子成像装置内的抽真空。排斥极1的厚度为6mm，排斥极1的上面的分布着十八个直径为4mm的通孔，这些通孔用于固定排斥补偿极3的补偿板201，排斥极1能够与接线端子相连,用于施加目标直流电压。排斥极1与排斥补偿极3之间的距离为3mm，即采用3mm厚的第一绝缘垫16和第二绝缘垫17隔离。排斥补偿极2和引出补偿极3之间的激光电离区的宽度为26mm，方便样品的靠近以及分子束、电离激光的引入。收集极4长度为48mm，内径为56mm。接地圆环5的长度为139mm，用于聚焦离子的自由飞行，便于时间上分离不同质量的离子。
本发明的实例中，排斥补偿极2和引出补偿极3分别由五对对称的矩形补偿板和一对对称的圆弧板构成，使得激光电离位置可以尽可能靠近样品表面，同时补偿板用于补偿电场，减小电场畸变，使得电离区域的电场近似与圆柱对称电极产生的圆柱对称电场。探测模块10由V型堆叠的两块微通道板8(MCP)和荧光屏9组成，MCP将离子信号转换为电子信号，并通过雪崩过程倍增电子信号，电子再轰击荧光屏9产生光信号，被相机采集。
本实施例中，第一绝缘垫16和第二绝缘垫17采用陶瓷，排斥补偿极2的五对补偿板201均固定在陶瓷上，保持各补偿板上的电压互不干扰。引出补偿极3采用与排斥补偿极2相同的方式进行固定在另一陶瓷上。对称设置于两端的圆弧形补偿板的通过连接杆11固定。具体地，连接杆11包括不锈钢杆及套设于不锈钢杆外侧的陶瓷管，陶瓷管防止各个电极之间放电。离子光学模块的各极板均存在直径为3mm的限位孔，保证各极中心在同一轴上。
如图5所示，由脉冲分子束打出超声分子束15，经漏勺(Skimmer)12，入射超声分子束15和与样品13碰撞的散射分子束均可在激光电离区域14内电离(激光垂直于所示平面)，被离子速度成像装置聚焦成像。样品的移入和移出补偿区，作为不同的条件，用来测试切片补偿式离子速度成像装置的分辨性能。
具体地，采用软件对离子成像装置进行模拟，施加上目标电压后，其电场等势线20以及离子聚焦轨迹21，如图6-7所示，电场等势线20之间的压差为10V。本次模拟起始离子采用圆柱型分布，电子能量为1eV和0.1eV,最终在探测器平面(Z-Y平面)形成聚焦较好的圆形，其中外环为1eV和内环为0.1eV，可以实现产物离子的能量分辨以及角度分辨。
本实施例中，采用400nm的飞秒激光(脉宽约300fs，光谱带宽52.3cm-1)作为电离激光，使用焦距为250mm的透镜聚焦，激光功率设置为60uJ/Pulse。脉冲阀选用的是阿姆斯特丹脉冲阀(Amsterdam Piezo valve)，使用频率为50Hz，气体为氦气载氧气(氧气含量为10％)，背压为2Bar，脉冲阀产生的超声射流速度可达1578m/s。将激光和脉冲束进行同步，使用自主编写的程序对图像进行采集，将MCP输入级施加负脉冲高压进行切片，同时配合Event counting算法进行采集，得到光解产物氧原子的速度分布。
如图8-9所示，将样品移出补偿区域的电离图像，沿着白条，提取强度随像素的分布，画出信号大小与相机像素位置的曲线，将白色方框中的信号进行拟合，得到目标峰的半峰全宽(FWHM)PFWHM，速度分辨率的公式为：
其中，PC代表中心原点对应的像素位置，PFP代表选取目标峰的中心位置对应的像素位置，选取距离中心点第二远的峰进行计算，发现速度分辨率为2.32％。电离图像上的白色虚线代表一个标准圆，通过图像可得到飞行的离子接近完美圆形。
将样品移近电极，并施加电压230V，按照上述方法进行计算，发现分辨率为2.27％，不同速度离子分布仍是较为完美的圆圈，如图10-11所示。
由以上分辨率检测实验结果得出，对于样品的伸入，并不会改变装置的速度分辨质量。本装置通过补偿板的方式，能够将电离位置和样品距离的减小至20mm，增大了表面散射分子束的强度，通过对样品电压的补偿，使得速度成像质量不受影响。相比于未切片的散射装置，散射信号会有显著的提升。
根据具体情况，可采用大小或数目不同的补偿板用作补偿电极，均受到该专利保护。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。本实施例是用于探测离子，通过改变电压，也可以用于探测电子，也在本发明的范畴之中。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，包括离子光学模块和探测模块(10)；
离子光学模块包括沿带电离子运动方向依次设有的排斥极(1)、排斥补偿极(2)、引出补偿极(3)、收集极(4)及接地圆环(5)，其中排斥补偿极(2)与排斥极(1)连接，且排斥补偿极(2)与排斥极(1)之间设有第一绝缘垫(16)；引出补偿极(3)与收集极(4)连接，且引出补偿极(3)和收集极(4)之间设有第二绝缘垫(17)；排斥补偿极(2)和引出补偿极(3)之间的区域为激光电离区；
所述探测模块(10)设置于接地圆环(5)远离排斥极(1)的一端。
2.根据权利要求1所述的近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，所述排斥补偿极(2)和所述引出补偿极(3)均包括沿周向呈近矩形结构排布的多个补偿板(201)，位于近矩形结构两端的补偿板(201)为弧形板。
3.根据权利要求2所述的近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，各所述补偿板(201)远离激光电离区的一端均垂直设有连接板；
所述排斥极(1)和所述收集极(4)通过多个连接杆(11)连接；连接杆(11)贯穿所述排斥补偿极(2)和所述引出补偿极(3)的连接板。
4.根据权利要求3所述的近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，所述连接杆(11)包括不锈钢杆及套设于不锈钢杆外侧的陶瓷管。
5.根据权利要求2所述的近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，所述排斥极(1)的厚度为6mm；
所述第一绝缘垫(16)和所述第二绝缘垫(17)的厚度为3mm；
所述排斥补偿极(2)和所述引出补偿极(3)之间的激光电离区的宽度为26mm。
6.根据权利要求1所述的近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，所述收集极(4)和所述接地圆环(5)均为圆筒形结构，所述接地圆环(5)的侧壁上布设有多个通孔。
7.根据权利要求6所述的近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，所述收集极(4)长度为48mm；所述接地圆环(5)的长度为139mm。
8.根据权利要求6所述的近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，所述接地圆环(5)的末端通过电极固定罩(6)与所述探测模块(10)连接。
9.根据权利要求8所述的近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，所述探测模块(10)包括馈通法兰(7)、微通道板(8)、荧光屏(9)及绝缘体(18)，其中绝缘体(18)设置于馈通法兰(7)上，绝缘体(18)为中空结构；荧光屏(9)设置于绝缘体(18)内，微通道板(8)设置于绝缘体(18)远离馈通法兰(7)的一端端部；
所述电极固定罩(6)罩设于绝缘体(18)的外侧，且与馈通法兰(7)连接。
10.根据权利要求9所述的近矩形电极结构的电场补偿式离子速度成像装置，其特征在于，所述微通道板(8)为两块，且V型堆叠。
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