脉冲纳米氦液滴光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种脉冲纳米氦液滴光谱仪，能够探测超低温环境下的分子光谱。
【背景技术】
[0002] 光谱仪是一种高灵敏度高分辨的探测分子光谱的仪器，广泛应用于分子，离子，自 由基的内态结构的探测及分析。超低温纳米氦液滴光谱仪由纳米氦液滴束，掺杂室，电子轰 击质谱探测仪和真空系统组成。
[0003] 在这个装置中，纳米氦液滴束源是很重要的条件。在目前的这个研究领域中，大多 是利用连续的纳米氦液滴束源，连续束源的最大的优势是稳定，但是也存在着不足：
[0004] (1)连续束源的喷嘴尺寸比较小，极容易堵塞，所以对于氦气的纯度要求比较高。 堵塞后必须开腔换新的喷嘴，这个过程很繁琐，浪费人力物力。
[0005] (2)连续束源喷出的气体比较多，就要求用抽速更大的分子泵来维持真空腔体的 真空度，而其中大部分的氦气都被当作废气抽走了，造成了资源的极大浪费。
[0006] (3)在相同的实验条件下，连续束源得到的氦液滴尺寸和密度远小于脉冲束源产 生的氦液滴的尺寸和密度，不能够检测弱信号及大分子的光谱。
[0007] (4)目前的探测手段大多为脉冲的激光，质谱等，这些脉冲的探测手段与连续的束 源结合使用其占空比很低，造成资源的浪费。
【发明内容】
[0008] 本发明是针对现有的纳米氦液滴光谱仪装置的不足，提出一种设计合理、结构简 单，能实现与脉冲的探测手段连用提高效率，降低成本的脉冲纳米氦液滴光谱仪的技术方 案。
[0009] 本发明的目的是采用如下的技术方案实现的：
[0010] 利用脉冲冷阀生成脉冲纳米氦液滴，结合脉冲激光及质谱探测研究分子在超低温 环境下的光谱结构；
[0011] 脉冲纳米氦液滴光谱仪由脉冲冷阀、掺杂室、电子轰击脉冲质谱部分、分子泵及连 接管路组成。
[0012] 其中，所述脉冲质谱部分包括电子枪、电子束、收集器；
[0013] 脉冲冷阀部分提供稳定的脉冲纳米氦液滴，脉冲纳米氦液滴经过掺杂室捕获样品 分子后进入探测室与脉冲激光作用随后与电子束作用被脉冲质谱仪探测。
[0014] 脉冲纳米氦液滴光谱仪包括低温冷头，底座，脉冲冷阀，进气管道。进气管道与脉 冲冷阀连接，同时脉冲冷阀通过底座与低温冷头连接，脉冲冷阀的喷嘴在工作温度下准直。
[0015] 经过掺杂室包裹样品的脉冲纳米氦液滴与脉冲的激光在空间和时间上都重合，随 后与电子束作用，利用质谱探测He n(η>1)或是被研究的分子的信号，同时扫描激光波长得 到研究分子的光谱。
[0016] 所述脉冲纳米氦液滴能够探测能够被氦液滴包裹的分子和分子的聚合物（如H2, C6H6，C6。，（N2)2等）的光谱，而且探测灵敏度也很高，可以探测>3%的弱信号。
[0017] 能够同时探测分子的激光诱导荧光和吸收光谱，探测在T = 0. 37K的超低温环境 下，定量的分析分子的吸收及发射荧光的效率。
[0018] 本发明的优点是：
[0019] (1)在相同实验条件下得到尺寸及数密度更大的氦液滴，可以探测大分子的光谱。
[0020] (2)实现容易，操作简单与脉冲的激光和质谱连用节约成本；
[0021] (3)可以同时探测分子的激光诱导荧光和吸收光谱，探测在超低温环境下，定量的 分析分子的吸收及发射突光的效率。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施脉冲纳米氦液滴光谱仪的结构示意图；
[0023] 图2为氦液滴中（P = 30bar，T = 20K)的苯分子的吸收，损耗及激光诱导荧光光 谱。
[0024] 其中，1-脉冲冷阀；2-脉冲纳米氦液滴；3-掺杂室；4-分子泵；5-脉冲激光；6-电 子枪；7-电子束；8-收集器；9-探测室。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0026] 1.整个真空腔体通过分子泵4维持真空；
[0027] 2.固定在冷头上的脉冲冷阀1喷出的氦气形成脉冲纳米氦液滴2 ;
[0028] 3.脉冲纳米氦液滴2经过掺杂室3捕获样品分子；
[0029] 4.包裹样品分子的脉冲纳米氦液滴2与脉冲激光5作用；
[0030] 5.与激光作用的脉冲纳米氦液滴2随后与电子枪6发射出的电子束7作用，生成 碎片离子；
[0031] 6.碎片离子被收集器8收集传输到显示器上。
[0032] 实施例1
[0033] 30bar的高纯氦气（99. 9999% 4He)经过20K的脉冲冷阀1喷出，最终形成平均由 2276个氦原子组成的脉冲纳米氦液滴2 (R=29A)。在掺杂室3中与苯分子（常温下的掺 杂压力为3. 4X10 6mbar)碰撞，使得脉冲纳米氦液滴2中包裹单个苯分子。实验中每个单 脉冲能量为3mJ的激光经过f = 400mm的柱透镜过聚焦200mm(增大脉冲激光5与脉冲纳 米氦液滴2的作用区）在离子成像反应区与脉冲纳米氦液滴2垂直交叉，保持脉冲冷阀1 开启时间不变调节激光器的开启时间使得脉冲激光5与脉冲纳米氦液滴2在离子成像反应 区空间重合时，时间也重合。通过调节柱透镜使得离子成像探测室9探测到的苯分子母体 离子信号最强，此时我们能够确定在离子成像探测区，脉冲激光5和包裹苯分子的脉冲纳 米氦液滴2无论是空间上还是时间上都重合的非常好。与激光作用后的脉冲纳米氦液滴2 继续飞行约235mm后到达质谱探测反应区与连续的电子束7作用，调节电子枪6的偏转电 场使得电子束7与脉冲纳米氦液滴2垂直交叉。此时保持脉冲激光5延迟开启时间和脉冲 冷阀1的延迟开启时间不变，调节质谱的脉冲电场的开启时间使得质谱探测到的离子信号 最强，此时整个实验的时间延迟的匹配是最优化的状态。此时，在示波器显示的质谱上能够 观测到氦团簇的质谱峰以及苯分子和苯分子碎片质谱峰。
[0034] 实验中我们监测m/z = 78和52两个质谱峰发现，这两个质谱峰与共振波长的脉 冲激光5和电子束7之间都有依赖关系，当激光关闭时这两个峰的强度都会变强，而当电子 枪6关闭时这两个质谱峰会消失，同时还发现对于碎片m/z = 51的离子信号来说，无论是 关闭激光（共振波长）还是关闭电子枪6,这个离子信号都会消失，所以这个碎片离子是激 光解离氦液滴中的苯分子得到的碎片被电子束7电离产生的。以苯分子之间的跃迁为例， 采集了苯分子的吸收谱，损耗谱和激光诱导荧光谱（LIF)如图2所示。图2中所示的"吸 收谱"表示记录氦液滴中的苯分子共振吸收光子后解离生成的C 4H4碎片随着波长的变化得 到的氦液滴中苯的吸收谱；图2中所示的"损耗谱"表示通过记录质谱中苯分子母体离子的 信号随着波长的变化而得到的氦液滴中的苯分子的损耗谱；图2中所示的"激光诱导荧光 谱"表示记录氦液滴中苯分子发射的荧光随波长变化得到的氦液滴中苯分子的激光诱导荧 光谱（LIF)，经过拟合得到氦液滴中的苯分子的LIF的寿命为120ns。
【主权项】
1. 一种脉冲纳米氦液滴光谱仪，其特征在于： 利用脉冲冷阀（1)生成脉冲纳米氦液滴（2)，结合脉冲激光（5)及质谱探测研究分子在 超低温环境下的光谱结构，它由脉冲冷阀（1)、掺杂室（3)、电子轰击脉冲质谱部分、分子泵 (4)及连接管路组成； 其中，所述脉冲质谱部分包括电子枪(6)、电子束（7)和收集器（8); 脉冲冷阀（1)提供稳定的脉冲纳米氦液滴（2)，脉冲纳米氦液滴（2)经过掺杂室（3)捕 获样品分子后进入探测室（9)与脉冲激光（5)作用随后与电子束（7)作用被脉冲质谱仪探 测。2. 根据权利要求1所述的脉冲纳米氦液滴光谱仪，其特征为： 所述脉冲纳米氦液滴（2)能够探测能够被氦液滴包裹的分子和分子的聚合物的光谱， 而且探测的灵敏度也很高，能够探测>3%的弱信号。3. 根据权利要求1所述的脉冲纳米氦液滴光谱仪，其特征为： 能够同时探测分子的激光诱导荧光和吸收光谱，探测在T = 0. 37K的超低温环境下，定 量的分析分子的吸收及发射突光的效率。
【专利摘要】本发明涉及一种脉冲纳米氦液滴光谱仪，脉冲冷阀提供稳定的脉冲纳米氦液滴束，脉冲纳米氦液滴经过掺杂室捕获样品分子后进入探测室与脉冲激光作用随后与电子束作用被脉冲质谱仪探测。本发明具有在相同实验条件下得到尺寸及数密度更大的氦液滴，可以探测大分子的光谱；实现容易，操作简单与脉冲的激光和质谱连用节约成本；可以同时探测分子的激光诱导荧光和吸收光谱，探测在超低温环境下，定量的分析分子的吸收及发射荧光的效率等优点。
【IPC分类】G01N27/64, G01N21/64, G01N21/31
【公开号】CN105092542
【申请号】CN201410193106
【发明人】张翠梅, 黄存顺, 张志国, 金艳玲
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月7日