【《离子速度成像装置分析》4700字】

离子速度成像装置分析性能良好、技术先进的实验装置是我们顺利开展光解动力学实验的前提。2008年我们组自主搭建了一套时间切片离子速度成像装置，并用230nm光解OCS分子对腔体性能进行测试，得到影像的速度分辨率为2%，相比美国Arthur.G.Suits1实验组得到的速度分辨率2.5%，我们自主搭建的实验装置的性能已达到世界先进水平。如今在该实验装置上已相继成功的完成了溴代新戊烷和溴代叔戊烷在234nm的光解动力学研究2，溴代叔戊烷在265nm多光子解离性电离的动力学研究3，二氧化碳分子的光解动力学研究4等。整个实验装置系统（图1.1所示）主要由七个部分组成，分别是真空系统，超声分子束系统，激光系统，离子透镜系统，离子探测系统，信号采集系统，时序控制系统等。实验中，我们使用He-Ne激光对喷嘴（GeneralValve，Series9）、漏勺（Skimmer）、探测室的准直性进行反复调节校准，使三者同心，以确保腔体的准直性。整体的实验流程为：实验样品分子束由冒泡法配制进入主腔体，经过脉冲喷嘴射出和漏勺（skimmer）准直，进入离子透镜系统，在离子透镜内，样品分子与激光相互作用，样品分子吸收光子能量被解离并电离，产生的解离碎片离子被离子透镜电场聚焦并加速引出，经过自由飞行区，到达离子探测系统，离子探测系统将获得的电信号转化为光信号，最终由信号采集系统接收。下面将详细叙述实验装置中每个组成部分的具体功能和意义。图1.1实验装置示意图。1.1真空系统真空系统即整个实验腔体，主要由束源室、电离室和探测室组成。束源室与电离室之间用一个漏勺（Skimmer，孔径为2mm）隔开且形成差分真空。为了更好的保护价格昂贵和易被损坏的离子探测器MCP，方便进行局部开腔，我们用高真空插板阀（北京中科科仪技术发展有限责任公司）将电离室和探测室隔开。良好的真空环境是我们实验得以顺利开展的前提条件。我们共使用两个机械泵和三个分子泵同时工作，使整个腔体达到好的真空环境。束源室和电离室由于腔体体积大且是实验分子的聚集区，因此分别连接性能较好的分子泵和机械泵，时间飞行区域由于腔体体积较小，使用相对较小的分子泵。整个实验过程是先用两个抽速为8L/s的机械泵（成都南光真空泵南京销售公司）将整个腔体的真空抽到0.1Pa左右，低真空测量使用热偶规（北京纳诺帕真空技术有限责任公司），再由三个抽速分别为1300L/s、1100L/s和700L/s的涡轮分子泵（北京中科科仪技术发展有限责任公司）共同运转使腔体抽至高真空，一般为10-6~10-7Pa，高真空测量使用电离规（北京纳诺帕真空技术有限责任公司）。束源室在进样品气体时，束源室的动态真空为10-5~10-6Pa，同时我们使用抽速为8L/s的机械泵（成都南光真空泵南京销售公司）将多余的样品气体抽走。1.2超声分子束系统在过去的几十年里，超声分子束技术发展迅速，并且已相当成熟，是原子分子物理领域不可缺少的研究工具。它的特别之处在于，超声膨胀使得我们能够得到特定能量的分子束，同时大大降低分子内能，这些优点使得该技术在交叉分子束和分子束表面散射实验中极具应用价值，并且广泛应用于自由基和离子的研究。所谓超声分子束，是指储存在容器内一定压强的气体分子经过喷嘴（nozzle）绝热膨胀到真空中而形成的具有一定方向性的分子束5,6。容器里压强较大的气体分子，其自由程远远小于喷嘴（nozzle）的直径，在超声射流过程中，经过绝热等熵膨胀，分子无规则运动减少，分子间的碰撞使得分子的平动能增加内能降低，其方向性更强，此时母体分子布居在少数的振转能级上。为了获得更低温度的分子束，通常在样品气体中充入载气。常用的载气为惰性气体氦气，氖气或氩气。氦气振动冷却效果较好而氩气更利于转动冷却。在具体实验中，可选择合适的载气。样品分子的冷却，使得其速度分辨率大大提高，为反应动力学实验提供更有利的证据。超声分子束进气系统，由两个部分组成，分别为样品分子配制系统和样品分子进气系统。我们的实验在室温下进行。对于气相的分子样品，可直接配置。通过读取配气罐的体积表盘，按照体积混合比例，先后载入相应体积的样品分子和载气。对于饱和蒸气压较低，室温下为液相的分子样品，我们使用冒泡法进行配置。多余的样品可通过机械泵抽走。配置好的样品，经过口径为0.5mm脉冲喷嘴（GeneralValve，Series9）喷出，进入离子透镜。脉冲喷嘴由我们实验室自己加工的脉冲阀驱动电源（GH053）控制，其触发频率与激光器的触发频率一致，都为10Hz。为保持适量的样品分子进入真空系统，我们在实验中设置脉冲喷嘴的开启宽度为300us左右。样品分子由脉冲喷嘴喷出，形成超声分子束，再经过漏勺Skimmer（口径为1.5mm）准直，到达电离室的离子透镜。介于束源室和电离室的漏勺Skimmer，使束源室和电离室之间形成差分真空，提高电离室的真空度，而且对超声分子束具有准直作用，使样品母体分子的速度分布更窄，提高其单色性。1.3激光系统为了更加系统和全面的进行溴代芳香烃的光解动力学研究，我们利用两束紫外激光开展本论文的实验工作。解离光的范围是234nm到267nm，电离光则是固定在266.63nm探测解离碎片Br（2P3/2）（简称Br）和277.21nm探测Br（2P1/2）（简称Br*）。两束紫外激光即来源于两套独立的激光系统，一套产生解离光，另一套用于产生电离光，对双束光通过时间和空间上的调节，来达到我们所需的实验条件。充足的激光光源系统是我们实验得以顺利进行的必要条件。234–267nm的解离激光是由固体YAG激光器产生的355nm激光，平行进入染料激光器，染料受到355nm激光的激发，输出相应的基频光再经BBO晶体倍频，从而获得我们所需要的紫外波段（210–350nm）。由于解离光范围较宽，我们使用了不同的染料获取相应波段的紫外激光。解离光在进入真空腔体前用焦距为250mm的透镜聚焦。同样，266.63nm和277.21nm电离激光也是由固体YAG激光器产生的355nm激光，激发染料激光器，输出的基频光再经BBO晶体倍频，得到了我们所需要的紫外光。电离光在进入真空腔体前用210mm的聚焦透镜。其中YAG激光器购买于光谱物理公司（SpectraPhysics），型号为GCR-170。染料激光器的型号为PrecisionScan，Sirah。从激光器直接出来的光为平行偏振，我们使用棱镜组合，使解离光的偏振方向为垂直偏振。电离光的偏振方向不做任何改变，保持水平偏振。解离光和电离光在时间和空间上的重合，则需精确的调节两束光的光路和时序控制系统，保证获取最理想的实验信号。该实验中既包含单束光实验，也有双束光实验。顾名思义，单束光实验是指，对于一些特殊分子体系，我们使用一束光同时完成解离和电离的过程，即该束光，既可以解离母体分子，产生解离碎片，又可以将解离碎片进行电离。单光束实验过程操作简单，但局限性大。1.4离子透镜系统由于该系统具有离子聚焦作用，类似光学上的透镜，故名为离子透镜系统。该系统在整个实验中占有重要作用，是整个实验装置的核心部分。我们组使用的离子透镜（图1.2所示），其设计借鉴了台湾原子与分子科学研究所的刘国平研究组7，由31块不锈钢电极片组成，电极片之间用绝缘的陶瓷杆隔开，电极片和陶瓷杆的加工非常精细，保证离子透镜电场分布均匀。通过软件Simion7.0模拟8离子透镜的离子聚焦（图1.3、图1.4、图1.5所示），可以得到其各个部件的尺寸以及电场分布。离子透镜中一共焊接了30个精密电阻，总电阻为8.2兆欧，前四块电极片之间的电阻为0.9兆欧，在这0.9兆欧的电阻上并联一个可调电阻（调节范围0～4兆欧）从而方便调节离子透镜的电场分布。离子透镜的电压源是由直流电源（PS350）输出的直流电压（实验中采用1500V）提供，电压作用于高精密电阻，在电极片间形成电场。图1.2离子透镜结构图。图1.3用Simion7.0软件模拟离子透镜系统的电场等势线和离子在离子透镜内的飞行轨迹示意图。图1.4离子透镜聚焦：速度相同的离子聚焦在MCP的同一个点上。图1.5离子透镜聚焦：速度大小相同方向不同的离子聚焦在MCP的同一个圆上。1.5离子探测系统离子速度成像装置的探测系统，如图1.6所示，由两块微通道板（MCP）和荧光屏（PhosphorScreen）以及照相机（CCD）组成。两块MCP和荧光屏Chevron耦合在一起。MCP表面有很多均匀分布的内壁镀有电阴极材料的小孔，且小孔与MCP表面之间有一定的夹角。带电粒子撞击到MCP表面，进入小孔，产生电子，电子继续与孔壁的多次碰撞产生大量的电子，第一块MCP产生的电子再撞击第二块MCP，将产生更多的电子。单块MCP的放大倍数为103，两块MCP的放大倍数为106。由于两块MCP紧紧耦合在一起，电子飞行轨迹不受电场的影响。从而实现了位置分辨。MCP与PS相距1mm，MCP产生的带有位置信息的电子轰击到PS上，荧光屏发光，该荧光信号反应离子速度分布信息，荧光信号被CCD相机采集获取，经过数小时的累积，最终可获得离子二维速度影像信息。实验中我们采用的MCP和PS，由Burle公司生产，型号为APD3040FM12/10/8I60:1P47CT。荧光屏由一端抛光，并选择性镀上荧光材料。另一端穿过真空法兰与外界相连通的光学纤维组成。我们采用的荧光屏，使用的是P47荧光粉，荧光寿命短且稳定性高，具有很好的空间分辨性。图1.6离子探测系统（主要为微通道板MCP、荧光PS、照相机CCD）实现离子生成、离子信号的放大和采集示意图。MCP有两种工作模式，即直流模式和切片模式。在直流模式下，两块MCP总电压达到1800V，荧光屏PS的电压为3800V，直流高压由直流电源PS350提供。一般我们采用切片模式，获取我们所需要探测的离子信号。为了对解离碎片进行质量选择，我们引入质量门，工作电路如图1.7所示。整个过程为首先在第二块MCP上加1100V的直流高压，通过DG535的控制，当我们所需要探测的离子到达MCP的同时，质量门打开，第一块MCP在瞬间被加上脉宽约60ns、电压为-900V的脉冲直流高压（DEI公司，型号PVM-4210），实现离子信号的放大，此时我们在荧光屏上获取了我们所需要的离子速度影像。图1.7控制MCP质量门开关的电路图。1.6信号采集系统信号采集系统主要由两部分组成，分别是PMT光信号采集系统和CCD收集的图像采集系统。PMT将荧光屏采集到的光信号转换成电信号，传到数字示波器（Tektronix），得到解离产物飞行时间质谱，通过对飞行时间质谱的分析，我们可以很直观的获取解离碎片的质量，信号大小，到达探测器的时间等信息，另外我们也可以通过实验得到随激光波长变化的光解离碎片激发谱。CCD收集的图像采集系统主要是将CCD采集到的荧光信号，通过光纤输入至计算机，用Davis7.2软件采集并经过数万次的累积，最终获得离子速度影像。为了使采集到的信号更加真实，操作智能化，我们在Davis7.2软件里装入event-counting9插件，设置采集系统的噪音阈值，采集到更加真实的离子信号。1.7时序控制系统该系统在实验过程中扮演着重要角色。尤其对于两束紫外激光实验，精确控制实验中各部分的时间顺序，是实验得以顺利进行的首要条件。整个系统的时序控制是通过多通道脉冲延迟发生器（SRSDG535）控制完成，主要包括激光器的触发，脉冲阀喷嘴，MCP的脉冲高压触发和CCD脉冲曝光的时间调控。激光器和脉冲阀喷嘴的触发频率均为10Hz。整个实验过程中时间顺序为，样品气体经脉冲阀喷出，形成超声分子束，再经skimmer准直，到达离子透镜，此时，分子束与激光相互作用，光解后的碎片，由离子透镜加速飞出，经过自由飞行区，到达离子探测器MCP，样品气体的不同，飞行时间有所差异，针对我们解离产物溴，实验中涉及的先后顺序，在多通道脉冲延迟发生器（SRSDG535）上的显示为：脉冲分子束触发时刻：T0+1730us；脉冲分子束触发宽度：300us；激光灯触发时刻:T0+1920us；激光Q开关触发时刻比灯触发延迟180us；切片模式下，第一块MCP上的脉冲直流高压触发时刻：T0+2111.620us，脉冲宽度为60ns。精确控制两束紫外激光的时间顺序尤其重要。在实验进行过程中，我们先用光电二极管测量激光脉冲的触发信号，大致确定两束光触发的先后顺序，再用DG535进行精确调节，实现实验信号最优化。参考文献：1. ADDINEN.REFLISTB.D.Leskiw,M.H.Kim,G.E.Hall,andA.G.Suits,Rev.Sci.Instrum.76,104101(2005).2. R.Mao,Q.Zhang,J.Zang,Z.Zhang,C.He,C.Qin,andY.Chen,Chin.J.C