一种双反射式飞行时间质谱光电子速度成像仪的制作方法

本发明涉及成像仪，尤其是涉及一种双反射式飞行时间质谱光电子速度成像仪。

背景技术：

分子反应动力学(molecularreactiondynamics)是化学基础理论研究的前沿领域。它应用现代物理化学的先进分析方法，在原子、分子的层次上研究不同状态下和不同分子体系中化学反应的发生条件、各种反应通道和微观反应机制的科学，是认识化学反应的本质和控制化学反应的基础。表征气相离子/团簇的几何结构、能级结构，以及化学反应活性是分子反应动力学中最活跃的研究方向之一。这些研究涉及化学成键的本质、化学反应和反应体系内部能量再分配等最基本问题。从红外到紫外，光谱学方法是表征气相离子结构和性质的最有效手段之一。

气相离子/团簇的光谱研究开始于上世纪80年代，研究气相离子化合物有重要理论和实际意义。离子/团簇可作为微观反应模型，比如过渡金属氧化物是催化剂系统的重要组成部分。研究气相中性或带电金属氧化物团簇能够帮助鉴定多相催化的反应活性位。大量有关气相氧化物团簇反应的研究发现气相团簇反应和工业催化剂的作用机理十分相似。目前对气相过渡金属氧化物分子离子和团簇的性质以及相关反应已经开展了大量研究，并对氧化物分子结构和反应特性之间的关系取得了进一步认识。

随着实验技术的发展，当前研究气相离子的几何结构、电子结构和其他物理化学性质有许多新的实验方法。目前气相离子的研究主要集中在传统的质谱领域。虽然气相离子的浓度非常低，但是质谱的灵敏度非常高，可以检测气相带电离子，并给出离子的质量信息。虽然这些气相离子的质谱研究提供了大量的热力学性质，在确定分子离子的成分和反应活性方面取得重要成果，但是单纯的质谱方式不能直接给出物质的结构信息和光谱数据，而这些光谱恰恰是揭示这些化学物种的存在和性质的重要根据。质谱也不能研究中性物种。目前我们对气相化合物的几何结构和电子结构的认识相当一部分来自各种光谱和能谱研究。负离子光电子能谱能够提供离子的电子能级结构，结合理论计算获得离子和相应中性分子几何结构的信息，一些高分辨的光电子能谱甚至能够给出气相离子的振动结构。

国内外现有飞行时间质谱-光电子速度成像仪为了得到高分辨质谱，其质谱无场飞行区都很长且透镜组较多，这致使到达光脱附区的离子损失严重，光电子速度成像灵敏度降低，对于一些较难产生或寿命较短的离子，其能谱探测困难。

参考文献：

[1].wileywc,mclarenih.time-of-flightmassspectrometerwithimprovedresolution[j].revsciinstrum.1955,26(12):1150-7.

[2].eppinkatjb,parkerdh.velocitymapimagingofionsandelectronsusingelectrostaticlenses:applicationinphotoelectronandphotofragmentionimagingofmolecularoxygen[j].revsciinstrum.1997,68(9):3477-84.

技术实现要素：

本发明的目的是提供在保证较好分辨的前提下尽量提高光电子速度成像灵敏度的一种双反射式飞行时间质谱光电子速度成像仪。

本发明设有激光溅射离子源、冷却离子阱、飞行时间质谱和负离子光电子速度成像系统；激光溅射离子源用于生成团簇离子，产生的团簇离子进入冷却离子阱囚禁冷却后被加速场垂直加速进入飞行时间质谱，所述负离子光电子速度成像系统对出射光电子进行探测，得到中性团簇电子结构的光电子能谱。

所述激光溅射离子源设有第1脉冲阀、第2脉冲阀、生长通道、反应通道、喷嘴、固体样品靶、激光器、激光口和透镜；所述激光器的激光束通过透镜聚焦后经过激光口的微孔照射到固体样品靶的样品上，所述第1脉冲阀使载气进入到生长通道内，将等离子体碰撞冷却成簇，然后在载气载带下进入反应通道；所述第2脉冲阀引入反应气体，与生成的团簇碰撞相互作用，生成反应物及反应物中间体，最终经过喷嘴进入冷却离子阱。

所述激光器可采用nd：yag型激光器，激光器的发射波长为532nm，激光束的频率为10hz或20hz；激光口直径小于0.1mm。

所述第1脉冲阀和第2脉冲阀均可采用generalvalve，series9型脉冲阀，触发脉宽一般为40～150μs。

所述固体样品靶被两步进电机驱动作上下和圆周运动。

所述冷却离子阱设有氦制冷机、冷屏、冷头和线性离子阱；团簇离子由激光溅射离子源产生后进入线性离子阱，施加射频电场囚禁所需团簇离子，同时通过氦制冷机压缩的高纯氢气在冷屏处膨胀和压缩的高纯氦气在冷头处膨胀带走周围热量形成二级冷却来冷却团簇离子。

所述冷头的缓冲气体可采用h2(35k)或he(5k)。

所述线性离子阱可采用八级杆线性离子阱，八级杆圆周排列，圆周直径可为7.5mm，极杆直径可5mm，极杆长度可为50mm。

所述飞行时间质谱设有加速器、偏转板、第1透镜组、第1反射器、第2透镜组、第2反射器和检测器；所述离子经加速器加速后进入飞行时间质谱的无场区，经过偏转板偏转以及第1透镜组和第2透镜组的聚焦，到达第1反射器和第2反射器，经第2反射器反射后到达检测器，得到质谱谱图，其中第1反射器和第2反射器由两直角板固定。

所述飞行时间质谱可采用双反射式飞行时间质谱，分辨率可达1000。

所述负离子光电子速度成像系统设有参考筒、加速电场、微通道板、荧光屏、ccd相机、磁屏蔽筒和激光器；所述激光溅射离子源产生的离子束经飞行时间质谱的第2反射器反射后，进入负离子光电子速度成像系统，并与激光器产生的脱附激光碰撞，产生电子束；电子束经过参考筒形成的等电势场后进入加速电场加速聚焦后到达微通道板，并在荧光屏上显示特征，最终经过ccd相机的拍摄形成图像，其中磁屏蔽筒用于屏蔽地磁场对电子飞行轨迹的影响。

所述负离子光电子速度成像系统可采用共线式负离子光电子速度成像系统，即光电子成像仪与离子飞行方向在同一直线上。

本发明首先利用激光溅射离子源生成团簇离子，产生的团簇离子进入线性离子阱囚禁冷却后被加速场垂直加速进入飞行时间质谱，通过质谱探测获得产生团簇离子的强度分布。分析质谱后，选择感兴趣的特定团簇负离子，使其与脱附激光相互作用，产生中性分子和光电子。最后利用负离子光电子速度成像系统对出射光电子进行探测，得到中性团簇电子结构的光电子能谱。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例所述激光溅射离子源的结构示意图。

图3是本发明实施例所述冷却离子阱的结构示意图。

图4是本发明实施例所述双反射式飞行时间质谱的结构示意图。

图5是本发明实施例所述负离子光电子速度成像仪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1～5所示，本发明实施例设有激光溅射离子源1、冷却离子阱2、飞行时间质谱3和负离子光电子速度成像系统4；激光溅射离子源1用于生成团簇离子，产生的团簇离子进入冷却离子阱2囚禁冷却后被加速场垂直加速进入飞行时间质谱3，通过质谱探测获得产生团簇离子的强度分布；分析质谱后，选择感兴趣的特定团簇负离子，使其与脱附激光相互作用，产生中性分子和光电子；最后利用负离子光电子速度成像系统4对出射光电子进行探测，得到中性团簇电子结构的光电子能谱。

所述激光溅射离子源1设有第1脉冲阀5、生长通道6、反应通道7、喷嘴8、固体样品靶9、第2脉冲阀10、激光器11、透镜12和激光口13；所述激光器11的激光束通过透镜12聚焦后经过激光口13的微孔照射到固体样品靶9的样品上，在离子管道内产生大量的等离子体，通过控制第1脉冲阀5使载气a进入到生长通道6内，将等离子体碰撞冷却成簇，然后在载气载带下进入反应通道7；所述第2脉冲阀10引入反应气体b，与生成的团簇碰撞相互作用，生成反应物及反应物中间体，最终经过喷嘴8进入冷却离子阱2。

所述激光器11的发射波长为532nm，激光束的频率为10hz或20hz。

所述冷却离子阱2设有氦制冷机14、冷屏15、冷头16和八级杆线性离子阱17；团簇离子由激光溅射离子源1产生后进入八级杆线性离子阱17，施加射频电场囚禁所需团簇离子，同时通过氦制冷机14压缩的高纯氢气在冷屏15处膨胀和压缩的高纯氦气在冷头16处膨胀带走周围热量形成二级冷却来冷却团簇离子。

所述飞行时间质谱3设有加速器18、偏转板19、第1透镜组20、第1反射器21、第2透镜组22、第2反射器23和检测器24；所述离子经加速器18加速后进入飞行时间质谱的无场区，经过偏转板19偏转、第1透镜组20和第2透镜组22的聚焦到达第1反射器21和第2反射器23，经第2反射器23反射后到达检测器24，得到质谱谱图，其中第1反射器21和第2反射器23由斜角固定板25固定。

所述负离子光电子速度成像系统4设有参考筒26、加速电场27、微通道板28、荧光屏29、ccd相机30、磁屏蔽筒31和激光器32；所述激光溅射离子源1产生的离子束经飞行时间质谱3的第2反射器23反射后，进入负离子光电子速度成像系统4，并与激光器32产生的脱附激光碰撞，产生电子束；电子束经过参考筒26形成的等电势场后进入加速电场27，加速聚焦后到达微通道板28，并在荧光屏29上显示特征，最终经过ccd相机30的拍摄形成图像，其中磁屏蔽筒31用于屏蔽地磁场对电子飞行轨迹的影响。

本发明用于检测原子或分子团簇。系统结构包括激光溅射离子源、冷却离子阱、飞行时间质谱和负离子光电子速度成像系统。利用激光溅射离子源可以产生质量范围较宽的团簇；利用冷却线性离子阱可以冷却团簇以利于得到更精确的光电子能谱；利用飞行时间质谱对产生的团簇离子进行快速、实时、原位的检测，并且能有效的考察团簇离子形成和分布的规律；利用负离子光电子速度成像系统能够得到中性物种的电子亲和势和负离子的垂直脱附能等信息，以探究其电子结构和成键特征。本发明仪器整体更为小型，质谱和能谱分辨率高且能谱灵敏度高，质谱可原位、实时反映光脱附区的离子状态。