CN114899082B - 一种全收集的动量成像谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于原子分子成像领域，尤其涉及全收集的动量成像谱仪，所述的动量谱仪包括真空系统，探测器系统，冷靶系统和飞行时间质谱；该动量谱仪中实现了反应后100eV以内的电子、反冲离子、吸收光谱的信息全收集，完成了带电粒子收集与光谱探测的结合，使对反应过程的探测更加精细、全面；实现超音速冷靶系统设计，获得一种局域密度大、温度低的气体靶，在保持反应率的同时极大地提高了反冲动量的测量精度；飞行时间质谱的两端不对称且利用跳变脉冲电场设计，有效地全部收集电子、离子的同时保证了电子离子的高分辨探测，使入射炮弹没有限制，既可以用激光也可以用电子做入射炮弹，具有很好的普适性。
Description
技术领域
本发明属于原子分子成像领域，尤其涉及一种全收集的动量成像谱仪。
背景技术
人们认识物质结构的常用的方式为碰撞反应，通过对产物的分析，进而得到物质内在的信息。最早的碰撞实验为卢瑟福散射实验，发现并提出了原子的核式模型，使人类对微观世界的认识进入了新的里程。最常用的研究为电子碰撞，通过质谱分析，可以得到离子的动力学演化。随着激光技术的发展，飞秒激光作为探针成为研究物质结构的有效方式，而测量手段有光谱测量以及带电粒子测量，通过测量吸收谱得到物质的能级布局，跃迁概率以及元素信息，通过测量反冲离子与电子得到物质的结构与动力学过程。
研究宏观物质的运动，需要超快相机，最早成像技术是快门相机，发现马在奔跑时会有四蹄同时离地的情况，而研究原子分子的运动，需要的分辨更高，时间分辨更短的成像系统。目前常见的系统中，光谱测量通过光谱仪完成，而对带电离子测量一般通过飞行时间质谱等设备完成。光谱的优势在分辨率高，能够对物质精细结构进行探测，了解原子分子的布局情况，质谱测量的优势在原子分子的动力学过程进行很好的分辨，如利用质谱仪研究分子库仑爆炸，了解原子分子的运动。但是目前没有设备将光谱与质谱有效结合，来探测物质动力学的全信息测量。而且对于不同的入射炮弹，必须设计相应的谱仪来进行测量，没有普适性。
基于上述问题，本发明提出了用于激光和电子与原子分子作用的全收集的动量成像谱仪。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种普适的全收集的动量谱仪，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种普适的全收集的动量谱仪，所述的动量谱仪包括真空系统，探测器系统，冷靶系统和飞行时间质谱；
所述的冷靶系统包括小孔1，气体选择器2，差分小孔3，狭缝4，探测器5和分子泵7；
所述的小孔1放于五维调节器0上，可以上下左右前后的调节，前后调节范围5cm，该设计有利于冷靶的准直，所述的小孔1设置在气体选择器2的前端，所述的气体选择器2包括第一级气体选择器201和第二级气体选择器202，所述的第一级气体选择器201和第二级气体选择器202依次连接在小孔1的后面；所述的第一级气体选择器201用于提取冷靶中间动量分散小的部分，所述的第二气体选择器202用来进一步筛选冷靶，有效减少了气体靶动量分散，提高反冲动量测量精度。所述的差分小孔3包括第一差分小孔301、第二差分小孔302和第三差分小孔303，所述的第一差分小孔301、第二差分小孔302、第三差分小孔303依次设置在第二级气体选择器202后面；由于靶室真空高(10-11mbar)小孔1处的真空低，通过差分小孔3可以连接高低真空，使得靶室的高真空不受影响；
所述的狭缝4包括第一狭缝401和第二狭缝402，所述的第一狭缝401设置于第一差分小孔301和第二差分小孔302之间，所述的第二狭缝402设置于第二差分小孔302和第三差分小孔303之间；所述的第一狭缝401和第二狭缝402用来控制气体靶的厚度，能够有效控制气体靶分散，有利于调节气体靶的尺寸；超音速气体靶经过狭缝4的筛选，滤掉的气体被分子泵抽走，筛选过后的气体束进入靶室与激光反应；所述的真空靶室19设置于第三差分小孔303的后面，所述的真空靶室19后面设置有第四差分小孔304；真空靶室19上设置有吸附泵6和分子泵7；所述的真空靶室19上还设置有观察窗8，所述的观察窗8包括第一观察窗801和第二观察窗802，第一观察窗801和第二观察窗802相对设置，所述的光谱仪9设置在真空靶室19外部，与第二观察窗802相对设置；激光通过第一观察窗801进入真空靶室中央与靶气体相互作用，光通过后面的第二观察窗802引出至光谱仪9上，这时该反应的吸收光谱信息被光谱仪9收集，而离子与电子的信息被探测器5收集，完成该反应的全信息收集。真空靶室由2个分子泵7以及吸附泵6抽取真空。
所述的探测器系统包括探测器5，设置于真空靶室19上下，包括离子探测器501和电子探测器502，位于亥姆霍兹线圈10所形成的磁场内；
所述的飞行时间谱仪置于真空靶室中，由电场区和磁场区组成，所述的电场区由加速区和无电场的漂移区组成，加速区长度是漂移区长度的1/2，用来引导、约束反应后产生的离子以及电子，将其导引至各自的探测器5上。
优选的，所述的电场区包括跳变电场区和恒定电场区，电场区两端不对称。所述的收集电子的电场区由加速区和无电场的漂移区组成，加速区长度是漂移区长度的1/2，满足一维时间聚焦；离子的电场区仅由加速区组成。原子分子反应后，出射电子的能量在几十eV，所以要弱场来收集电子，才保证电子的分辨率。而反冲离子动量大，在150a.u.的量级，因此需要强场来引导离子，所以减少离子端tof的距离，同时增加电场来收集离子。
优选的，所述的跳变电场区与恒定电场区内的电极片由1MΩ电阻连接，起到分压作用。
优选的，所述的跳变电场区包括跳变电源11、第二带栅网电极片14和第三带栅网电极片15之间的区域，所述的跳变电源11分别连接第二带栅网电极片14和第三带栅网电极片15；所述的恒定电场区包括普通加压电源12、第一电极片13和第六带栅网电极片18之间的区域、第四电极片16和第五带栅网电极片17之间的区域，所述的普通加压电源12分别连接第一电极片13、第四电极片16、第五带栅网电极片17和第六栅网电极片18；所述的普通加压电源12在第四电极片16和第五带栅网电极片17之间形成恒定的匀强弱场，在第一电极片13和第六栅网电极片18之间形成恒定的匀强电场；所述的跳变电源11在第二带栅网电极片14和第三带栅网电极片15之间形成跳变电场。所述的电场区有第二带栅网电极片14、第三带栅网电极片15、第五带栅网电极片17、第六带栅网电极片18，目的为防止电场泄漏至其他部分，有效阻止电场畸变。使跳变电场区与恒定电场区的电场互不影响。
优选的，所述的磁场区由至少4个亥姆霍兹线圈10形成，线圈在轴向≤800mm、径向≤200mm的范围内磁场的均匀性好于1.5％；所述的磁场区为匀强磁场(≤10高斯)。
优选的，所述的小孔1直径为30μm。高压气体通过小孔1发生等熵绝热膨胀变成低温的超声束流，减少动量分散，通过等熵绝热膨胀过程将气体的无规则混乱运动转换成定向运动。在这一过程中，由于能量守恒气体的温度由室温降至几个开尔文，形成超音速冷气体团。冷气体团在10-3mbar真空环境下与残留气体分子碰撞，速度会衰减至声速以下，因此冷气体团的外缘能够形成一个密度相对较高的球壳。在球壳内的气体仍然处于超音速状态，称为“超音速静寂区”。处于“静寂区”以外的气体会很快碰撞回室温，因此需要漏斗状的气体选择器(skimmer)将处于“静寂区”的冷靶引导到更高的真空环境。
优选的，所述的第一级气体选择器201与第二级气体选择器202的距离为1cm，所述的第一气体选择器的直径为0.3mm，所述的第二气体选择器的直径为0.4mm。
优选的，所述的分子泵7包括第一分子泵701、第二分子泵702、第三分子泵703、第四分子泵704、第五分子泵705、第六分子泵706和第七分子泵707，所述的第一分子泵701设置于小孔1与第一级气体选择器201之间，所述的第二分子泵702设置于第一级气体选择器201与第二级气体选择器202之间；所述的第三分子泵703设置于第一差分小孔301和第二差分小孔302之间；所述的第四分子泵704设置于第二差分小孔302和第三差分小孔303之间；所述的第五分子泵705设置于第四差分小孔304后面；所述的第六分子泵706和第七分子泵707分别设置于真空靶室19上，位于第二观察窗802的两侧，用于吸走筛选剩余的气体。
优选的，所述的差分小孔3的孔径为3mm，所述第一狭缝401和第二狭缝402由两组刀片构成。
优选的，所述的真空靶室由钛制做而成，由2个浦发700的涡轮分子泵7配合机械泵与吸附泵6抽取真空至10-11mbar超高真空的量级；吸附泵6对氢气等分子泵难抽的气体吸附强，而且不会产生影响电场磁场的物质。
优选的，所述的探测器系统，采用了微通道板加延迟线阳极丝的二维位置灵敏探测器，具有有符合测量电子-离子、多击探测的能力。具备很高的时间分辨与空间分辨(时间分辨≤100ps，空间分辨≤100um)，实现时间信息和位置信息的测量。
本发明的有益效果是：①本发明在所述的动量谱仪中实现了冷靶系统，所述的冷靶系统是超音速冷靶系统，超音速冷靶系统的应用使我们能够获得一种局域密度大、温度低的气体靶，在保持反应率的同时极大地提高了反冲动量的测量精度；②本发明所述的动量谱仪中的TOF的两端不对称，收集电子区采用1维聚焦，由加速区以及无电场的漂移区组成，加速区长度是漂移区长度的1/2，而且采用跳变电场设计，保证了电子、离子全方位立体角收集，同时实现电子离子的高分辨测量。③同时该谱仪TOF设计对入射炮弹没有限制，可以用激光也可以用电子枪做炮弹。④本发明所述的动量谱仪实现了反应后100eV以内的电子、反冲离子、吸收光谱的信息全收集，完成了带电粒子收集与光谱探测的结合，使对反应过程的探测更加精细、全面。
附图说明
图1一种普适的全收集的动量谱仪结构示意图。
图2一种普适的全收集的动量谱仪的反应腔结构示意图。
图3一种普适的全收集的动量谱仪的飞行时间谱仪结构示意图
其中1.小孔；2.气体选择器；201.第一级气体选择器；202.第二级气体选择器；3.差分小孔；301.第一差分小孔；302.第二差分小孔；303.第三差分小孔；304.第四差分小孔；4.狭缝；401.第一狭缝；402.第二狭缝；5.探测器；501.离子探测器；502.电子探测器；6.吸附泵7.分子泵；701.第一分子泵；702.第二分子泵；703.第三分子泵；704.第四分子泵；705.第五分子泵；706.第六分子泵；707.第七分子泵；8.观察窗；801.第一观察窗；802.第二观察窗；9.光谱仪；10.亥姆霍兹线圈；11.跳变电源；12.普通加压电源；13.第一电极片；14.第二带栅网电极片；15.第三带栅网电极片；16.第四电极片；17.第五带栅网电极片；18.第六带栅网电极片；19.真空腔室。
图4本次电子和反冲离子能量符合谱以及tof方向的动量符合图像
图5氮气的瞬态吸收谱
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一、一种普适的全收集的动量谱仪
一种普适的全收集的动量谱仪，所述的动量谱仪包括真空系统，探测器系统，冷靶系统和飞行时间质谱；所述的冷靶系统包括小孔1，气体选择器2，差分小孔3，狭缝4，探测器5和分子泵7；所述的小孔1放于五维调节器0上，可以上下左右前后的调节，前后调节范围5cm，该设计有利于冷靶的准直，所述的小孔1设置在气体选择器2的前端，所述的气体选择器2包括第一级气体选择器201和第二级气体选择器202，所述的第一级气体选择器201和第二级气体选择器202依次连接在小孔1的后面；所述的第一级气体选择器201用于提取冷靶中间动量分散小的部分，所述的第二气体选择器202用来进一步筛选冷靶，有效减少了气体靶动量分散，提高反冲动量测量精度。所述的差分小孔3包括第一差分小孔301、第二差分小孔302和第三差分小孔303，所述的第一差分小孔301、第二差分小孔302、第三差分小孔303依次设置在第二级气体选择器202后面；由于靶室真空高(10-11mbar)小孔1处的真空低，通过差分小孔3可以连接高低真空，使得靶室的高真空不受影响；
所述的狭缝4包括第一狭缝401和第二狭缝402，所述的第一狭缝401设置于第一差分小孔301和第二差分小孔302之间，所述的第二狭缝402设置于第二差分小孔302和第三差分小孔303之间；所述的第一狭缝401和第二狭缝402用来控制气体靶的厚度，能够有效控制气体靶分散，有利于调节气体靶的尺寸；超音速气体靶经过狭缝4的筛选，滤掉的气体被分子泵抽走，筛选过后的气体束进入靶室与激光反应；所述的真空靶室19设置于第三差分小孔303的后面，所述的真空靶室19后面设置有第四差分小孔304；真空靶室19上设置有吸附泵6和分子泵7；所述的真空靶室19上还设置有观察窗8，所述的观察窗8包括第一观察窗801和第二观察窗802，第一观察窗801和第二观察窗802相对设置，所述的光谱仪9设置在真空靶室19外部，与第二观察窗802相对设置；激光通过第一观察窗801进入真空靶室中央与靶气体相互作用，光通过后面的第二观察窗802引出至光谱仪9上，这时该反应的吸收光谱信息被光谱仪9收集，而离子与电子的信息被探测器5收集，完成该反应的全信息收集。真空靶室由2个分子泵7以及吸附泵6抽取真空。所述的探测器系统包括探测器5，设置于真空靶室19上下，包括离子探测器501和电子探测器502，位于亥姆霍兹线圈10所形成的磁场内；所述的飞行时间谱仪置于真空靶室中，由电场区和磁场区组成，所述的电场区由加速区和无电场的漂移区组成，加速区长度是漂移区长度的1/2，用来引导、约束反应后产生的离子以及电子，将其导引至各自的探测器5上。
所述的电场区包括跳变电场区和恒定电场区，电场区两端不对称。所述的收集电子的电场区由加速区和无电场的漂移区组成，加速区长度是漂移区长度的1/2，满足一维时间聚焦；离子的电场区仅由加速区组成。原子分子反应后，出射电子的能量在几十eV，所以要弱场来收集电子，才保证电子的分辨率。而反冲离子动量大，在150a.u.的量级，因此需要强场来引导离子，所以减少离子端tof的距离，同时增加电场来收集离子。
所述的跳变电场区与恒定电场区内的电极片由1MΩ电阻连接，起到分压作用。
所述的跳变电场区包括跳变电源11、第二带栅网电极片14和第三带栅网电极片15之间的区域，所述的跳变电源11分别连接第二带栅网电极片14和第三带栅网电极片15；所述的恒定电场区包括普通加压电源12、第一电极片13和第六带栅网电极片18之间的区域、第四电极片16和第五带栅网电极片17之间的区域，所述的普通加压电源12分别连接第一电极片13、第四电极片16、第五带栅网电极片17和第六栅网电极片18；所述的普通加压电源12在第四电极片16和第五带栅网电极片17之间形成恒定的匀强弱场，在第一电极片13和第六栅网电极片18之间形成恒定的匀强电场；所述的跳变电源11在第二带栅网电极片14和第三带栅网电极片15之间形成跳变电场。所述的电场区有第二带栅网电极片14、第三带栅网电极片15、第五带栅网电极片17、第六带栅网电极片18，目的为防止电场泄漏至其他部分，有效阻止电场畸变。使跳变电场区与恒定电场区的电场互不影响。所述的磁场区由至少4个亥姆霍兹线圈10形成，线圈在轴向≤800mm、径向≤200mm的范围内磁场的均匀性好于1.5％；所述的磁场区为匀强磁场(≤10高斯)。所述的小孔1直径为30μm。高压气体通过小孔1发生等熵绝热膨胀变成低温的超声束流，减少动量分散，通过等熵绝热膨胀过程将气体的无规则混乱运动转换成定向运动。在这一过程中，由于能量守恒气体的温度由室温降至几个开尔文，形成超音速冷气体团。冷气体团在10-3mbar真空环境下与残留气体分子碰撞，速度会衰减至声速以下，因此冷气体团的外缘能够形成一个密度相对较高的球壳。在球壳内的气体仍然处于超音速状态，称为“超音速静寂区”。处于“静寂区”以外的气体会很快碰撞回室温，因此需要漏斗状的气体选择器(skimmer)将处于“静寂区”的冷靶引导到更高的真空环境。所述的第一级气体选择器201与第二级气体选择器202的距离为1cm，所述的第一气体选择器的直径为0.3mm，所述的第二气体选择器的直径为0.4mm。所述的分子泵7包括第一分子泵701、第二分子泵702、第三分子泵703、第四分子泵704、第五分子泵705、第六分子泵706和第七分子泵707，所述的第一分子泵701设置于小孔1与第一级气体选择器201之间，所述的第二分子泵702设置于第一级气体选择器201与第二级气体选择器202之间；所述的第三分子泵703设置于第一差分小孔301和第二差分小孔302之间；所述的第四分子泵704设置于第二差分小孔302和第三差分小孔303之间；所述的第五分子泵705设置于第四差分小孔304后面；所述的第六分子泵706和第七分子泵707分别设置于真空靶室19上，位于第二观察窗802的两侧，用于吸走筛选剩余的气体。所述的差分小孔3的孔径为3mm，所述第一狭缝401和第二狭缝402由两组刀片构成。所述的真空靶室由钛制做而成，由2个浦发700的涡轮分子泵7配合机械泵与吸附泵6抽取真空至10-11mbar超高真空的量级；吸附泵6对氢气等分子泵难抽的气体吸附强，而且不会产生影响电场磁场的物质。所述的探测器系统，采用了微通道板加延迟线阳极丝的二维位置灵敏探测器，具有有符合测量电子-离子、多击探测的能力。具备很高的时间分辨与空间分辨(时间分辨≤100ps,空间分辨≤100um)，实现时间信息和位置信息的测量。
实施例二、一种普适的全收集的动量谱仪的使用方法
首先抽取真空，谱仪采用钛作为真空腔室19的主材料，相比于不锈钢材料，钛具有较强的吸附能力，有利于进一步提高靶室的真空度。最后在2个普通涡轮分子泵7的基础上增加了化学吸附剂泵，吸附剂泵不会影响磁场与电场，而且对H2等分子泵难抽的气体分子进行吸附。传统冷靶系统利用一级气体选择器来约束气体靶发散度。为了控制冷靶的发散度，我们增加了第二级气体选择器和对应的差分系统来进一步筛选冷靶，有效减少了气体靶动量分散，提高反冲动量测量精度。高压气体通过小孔，然后定向运动的靶气体依次经过两个直径分别为0.4mm 0.3mm的气体选择器以及多级差分、狭缝最终到达真空靶室内。为了方便调节气体靶的尺寸，我们在差分部分增加四只刀片形成的两组狭缝，通过调节狭缝之间距离实现对冷靶靶厚的控制，超音速气体靶经过狭缝的筛选，滤掉的气体被分子泵抽走，筛选过后的气体束进入靶室与激光(或电子)反应，未反应的气体靶继续飞行到靶室另一端的剩余气体抽气系统(收集级)经过差分小孔后被705分子泵抽走，进一步保证靶室的真空程度。
谱仪的飞行时间谱仪(Time Of Flight，TOF)由电场部分和磁场部分组成，用来引导、约束反应后产生的离子以及电子，将其导引至各自的探测器上。匀强磁场通过4个亥姆霍兹线圈10产生，线圈在轴向800mm、径向200mm以内，均匀性好于1.5％，能够约束100eV以内的电子，给线圈加电流以约束电子飞出探测器。为探测器供压，使探测器正常工作。反冲离子的动能大，对应动量在150au量级，反应产生电子能量基本集中在0-20eV。因此本发明TOF特点：TOF的两端不对称，电子区采用1维聚焦，由加速区，以及无电场的漂移区组成，加速区长度是漂移区长度的1/2。反冲离子区没有漂移区，可以有效缩小飞行时间，增大离子的收集立体角。电子区需要弱电场，因为电场越弱，TOF分辨越高，其目的就是提高电子分辨，而反冲离子区需要强电场，以增大离子收集立体角。电场部分包括跳变电场和恒定电场，收集电子时脉冲电压低保证了电子分辨，电子收集后跳变电源升高脉冲电压，使得离子有效收集。同时该谱仪TOF设计对入射炮弹没有限制，可以用激光也可以用电子枪做炮弹。
如图3所示，跳变电场仅第二带栅网电极片14，第三带栅网电极片15之间的电压发生跳变，其他的部分为恒定电场。第二带栅网电极片14，第三带栅网电极片15的栅网用以隔绝两侧电场。首先，利用跳变电源11为第二带栅网电极片14，第三带栅网电极片15供压，普通加压电源12为第四电极片16、第五带栅网电极片17，以及第六带栅网电极片18、第一电极片13；使16与17，13与18之间形成3V/cm和100V/cm匀强电场，电源12的加压范围为几伏至几千伏的量级，恒定电场要与跳变电场的电压匹配。跳变电源以激光器给出的光信号或电子枪的脉冲信号做触发，触发后跳变电源11给带栅网电极14，15供压，反应后先用弱场收集电子，此时14至17之间形成3V/cm的匀强电场电场强度3V/cm。带栅网的电极片14隔离13号电极的电压泄露。电压持续200ns，这期间电子已经完全飞到电子探测器，电子收集结束。200ns之后，14，15之间的电压跳变升高，使其之间变成100V/cm(与恒定电场匹配，可以根据实验需求改变电场)，此时电极14与18之间形成匀强电场，来收集反冲离子。离子飞行时间在微秒量级。此时完成一次电子离子完全高分辨收集。其中14，15，17，18栅网的目的为防止电场泄漏，使其他部分电场畸变。
利用聚焦透镜将光聚焦到冷靶上，在反应腔后面的观察窗，使得红光引出，利用光谱仪9收集激光，完成激光吸收光谱的测量。此时将离子，电子，光的吸收谱完全测量。
实施例三、实验数据补充
以N2分子为例，首先使得开启机械泵和分子泵，使得系统处于高真空环境下。真空腔室19处于10-10mbar的量级，具体操作是：首先利用机械泵和涡轮分子泵将主腔室抽到10-10mbar量级，然后再开启吸附泵进一步提高主靶室的真空度。通过这一系列措施，在载气状态下最终达到了靶室的真空度为10-11mbar量级。将N2气瓶连接，调节气压至0.5Mpa，调节五维位移台0使得小孔1与第一级气体选择器201距离1cm左右，N2通过小孔1产生定向运动的靶气体依次经过两个直径分别为0.4mm 0.3mm的气体选择器以及多级差分301、302、303狭缝401、402最终到达真空腔室19内，与入射光反应。通过狭缝401、402控制气体靶宽度，收集极的真空度变化判断出通气量以及反应点靶密度，收集级真空气压提升了3×10-9mbar，靶密度在1010个/cm3的量级。未反应的气体靶继续飞行到靶室另一端的剩余气体抽气系统(收集级)经过差分小孔后被705分子泵抽走，进一步保证靶室的真空程度。为探测器供压，使两个探测器两端形成2700V的压差，探测器正常工作。光通过玻璃窗801进入真空腔室与氮气反应，产生电子与反冲离子，对于氮气电离产生的反冲离子来说，其动量一般在几个原子单位的量级。因此仅依靠电场就能够实现对其全空间立体角的收集。但是对电子而言，由于其质量小，出射速度很高，仅靠电场很难收集全部的电子，所以为了尽可能地提高电子的收集效率，我们采用四个亥姆霍兹线圈产生的与电场平行的均匀磁场来进一步约束电子。给线圈加对应的电流，产生匀强磁场来约束电子，根据探测器上电子的图像来判断需要加电流的大小。
利用普通加压电源12，跳变电源11为TOF两端供压，利用跳变电源11为第二带栅网电极片14，第三带栅网电极片15供压，普通加压电源12为第四电极片16，第五带栅网电极片17，以及第一电极片13，第六带栅网电极片18供压，使第四电极片16，第五带栅网电极片17之间形成3V/cm的匀强电场，第一电极片13，第六带栅网电极片18之间100V/cm的匀强电场。跳变电源以激光器(或电子枪)给出的光信号或电子枪的脉冲信号做为触发信号，触发后跳变电源11就给第二带栅网电极片14，第三带栅网电极片15供压，使其电场为3V/cm(与恒定电场匹配，可以根据实验需求降低电场)，此时第二带栅网电极片14上方均为3V/cm，以便于高分辨收集电子，跳变电压持续200ns，200ns之后，跳变电源11自动改变电压，第三带栅网电极片15，第二带栅网电极片14之间电场发生跳变，变成100V/cm，此时第三带栅网电极片15与第六带栅网电极片18之间形成匀强电场，来收集反冲离子，反冲离子飞行时间在us量级，完成离子探测后，通过位置探测器将电子与离子的信号符合测量，输出的信号到数据获取系统，在电脑上完成在线或离线分析，如图4所示，为本次电子和反冲离子能量符合谱以及tof方向的动量符合图像。
反应后的入射光可以通过第二观察窗802引出到光谱仪9上，完成光的吸收光谱测量，如图5所示，为氮气的瞬态吸收谱。本发明完成反应后离子电子高分辨符合全收集的同时，对光的吸收谱也进行测量。同时跳变电场收集不限炮弹的种类(电子碰撞与激光均可)，共具有普适性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种普适的全收集动量谱仪，其特征在于，所述的动量谱仪包括真空系统，探测器系统，冷靶系统和飞行时间质谱；
所述的冷靶系统包括小孔(1)，气体选择器(2)，差分小孔(3)，狭缝(4)和分子泵(7)；
所述的小孔(1)设置在气体选择器(2)的前端，所述的气体选择器(2)包括第一级气体选择器(201)和第二级气体选择器(202)，所述的第一级气体选择器(201)和第二级气体选择器(202)依次连接在小孔(1)的后面；
所述的差分小孔(3)包括第一差分小孔(301)、第二差分小孔(302)和第三差分小孔(303)，所述的第一差分小孔(301)、第二差分小孔(302)、第三差分小孔(303)依次设置在第二级气体选择器(202)后面；
所述的狭缝4包括第一狭缝(401)和第二狭缝(402)，所述的第一狭缝(401)设置于第一差分小孔(301)和第二差分小孔(302)之间，所述的第二狭缝(402)设置于第二差分小孔(302)和第三差分小孔(303)之间；
真空靶室(19)设置于第三差分小孔(303)的后面，所述的真空靶室(19)后面设置有第四差分小孔(304)；所述的真空靶室(19)上还设置有观察窗(8)，所述的观察窗(8)包括第一观察窗(801)和第二观察窗(802)，第一观察窗(801)和第二观察窗(802)相对设置，光谱仪9设置在真空靶室(19)外部，与第二观察窗(802)相对设置；真空靶室(19)上设置有吸附泵(6)和分子泵(7)；
所述的探测器系统包括探测器(5)，设置于真空靶室(19)上下，包括离子探测器(501)和电子探测器(502)，位于亥姆霍兹线圈(10)所形成的磁场内；
所述的飞行时间谱仪置于真空靶室中，由电场区和磁场区组成，所述的电场区由加速区和无电场的漂移区组成，加速区长度是漂移区长度的1/2。
2.如权利要求1所述的动量谱仪，其特征在于，所述的电场区包括跳变电场区和恒定电场区。
3.如权利要求2所述的动量谱仪，其特征在于，所述的跳变电场区包括跳变电源(11)、第二带栅网电极片(14)和第三带栅网电极片(15)之间的区域，所述的跳变电源(11)分别连接第二带栅网电极片(14)和第三带栅网电极片(15)；所述的恒定电场区包括普通加压电源(12)、第一电极片(13)和第六栅网电极片(18)之间区域，第四电极片(16)和第五带栅网电极片(17)之间的区域，所述的普通加压电源(12)分别连接第一电极片(13)、第四电极片(16)、第五带栅网电极片(17)和第六栅网电极片(18)；所述的普通加压电源(12)在第四电极片(16)和第五带栅网电极片(17)之间形成恒定的匀强弱场，在第一电极片(13)和第六栅网电极片(18)之间形成恒定的匀强电场；所述的跳变电源(11)在第二带栅网电极片(14)和第三带栅网电极片(15)之间形成跳变电场。
4.如权利要求1所述的动量谱仪，其特征在于，所述的磁场区由至少4个亥姆霍兹线圈(10)形成，线圈在轴向≤800mm、径向≤200mm形成的匀强磁场均匀性要好于1.5％。
5.如权利要求1所述的动量谱仪，其特征在于，所述的小孔(1)直径为30μm。
6.如权利要求1所述的动量谱仪，其特征在于，所述的第一级气体选择器(201)与第二级气体选择器(202)的距离为1cm，所述的第一级气体选择器(201)的直径为0.3mm，所述的第二级气体选择器(202)的直径为0.4mm。
7.如权利要求1所述的动量谱仪，其特征在于，所述的分子泵(7)包括第一分子泵(701)、第二分子泵(702)、第三分子泵(703)、第四分子泵(704)、第五分子泵(705)、第六分子泵(706)和第七分子泵(707)，所述的第一分子泵(701)设置于小孔(1)与第一级气体选择器(201)之间，所述的第二分子泵(702)设置于第一级气体选择器(201)与第二级气体选择器(202)之间；所述的第三分子泵(703)设置于第一差分小孔(301)和第二差分小孔(302)之间；所述的第四分子泵(704)设置于第二差分小孔(302)和第三差分小孔(303)之间；所述的第五分子泵(705)设置于第四差分小孔(304)后面；所述的第六分子泵(706)和第七分子泵(707)分别设置于真空靶室(19)上，位于第二观察窗(802)的两侧。
8.如权利要求1所述的动量谱仪，其特征在于，所述的差分小孔(3)的孔径为3mm，所述第一狭缝(401)和第二狭缝(402)由两组刀片构成。
9.如权利要求1所述的动量谱仪，其特征在于，所述的真空靶室(19)由钛制成，且靶室真空度小于10-8pa，由2个浦发700的第六分子泵(706)和第七分子泵(707)配合机械泵与吸附泵(6)抽取真空至10-11mbar超高真空的量级。
10.如权利要求1所述的动量谱仪，其特征在于，所述的探测器系统，采用了微通道板加延迟线阳极丝的二维位置灵敏探测器，具有符合测量电子-离子、多击探测的能力。
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