一种粒子成像装置的制作方法

本实用新型涉及粒子成像领域，尤其是一种用于研究掺杂的大分子团簇的光反应的一种粒子成像装置。

背景技术：

掺杂的分子团簇是指在某一种分子的团簇中掺入另一种或多种其他分子，在化学、生物学、环境学中有重要的研究意义，现有技术中有许多方法能够用于产生团簇，比如激光蒸发、气体聚集、离子溅射、电喷雾等方法，其中气体聚集和激光蒸发方法通常用于产生较大的团簇，现有技术缺陷一：某些团簇的形成需要包含可控计量的掺杂分子，现有技术较难实现对掺杂分子计量的精确控制；现有技术缺陷二：现有技术采用的激光蒸发团簇源产生的团簇离子难以冷却，影响后续实验效果；现有技术缺陷三：大量团簇在进行光反应即被激光照射时需要尽可能聚集以增加反应强度，现有技术对团簇的聚集效果不够理想，所述一种粒子成像装置能够解决问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型结合了气体聚集和激光蒸发方法来产生掺杂的大分子团簇，其掺杂的计量精确可控，且团簇生成后能够快速被冷却，另外，能够对团簇进行有效聚集，使得光反应有较高效率。

本实用新型所采用的技术方案是：

所述一种粒子成像装置主要包括团簇源、真空腔、分流器、离子透镜I、门阀I、离子透镜II、门阀II、质量过滤器、微通道盘I、屏蔽罩、基准电压管、速度成像电极组、微通道盘II、探测器、激光器I和真空泵组，xyz为三维空间坐标系，所述真空腔具有起始端和末端，真空腔起始端外侧连接团簇源，探测器位于真空腔末端外侧，能够探测微通道盘I和微通道盘II上产生的光信号，从真空腔起始端到末端依次分为真空段I、真空段II、真空段III和真空段IV，真空段I和真空段II通过分流器连接，真空段II和真空段III通过门阀I连接，真空段III和真空段IV通过门阀II连接，所述真空段I、真空段II、真空段III和真空段IV均连接有真空泵组，离子透镜I位于真空段II内，离子透镜II位于真空段III内，质量过滤器、微通道盘I和屏蔽罩依次位于真空段IV内，基准电压管、速度成像电极组和微通道盘II依次位于屏蔽罩内，所述分流器、离子透镜I、门阀I、离子透镜II、门阀II、质量过滤器、微通道盘I、基准电压管、速度成像电极组和微通道盘II组成了离子束流路径，微通道盘I和微通道盘II均能够移出或移入所述离子束流路径，激光器I位于速度成像电极组所在位置的真空腔的外侧，真空腔和屏蔽罩均具有透光窗口，激光器I发射的激光能够通过所述透光窗口进入速度成像电极组；团簇源主要包括储液池、流量控制器、进样管、气管、储气罐、保护腔、冷凝腔、加热器、样品腔、喷口和激光器II，所述保护腔连接于真空腔起始端的真空段I，所述冷凝腔位于保护腔内部，冷凝腔是长度为20厘米、内径为12厘米的圆筒形，所述冷凝腔具有双层腔壁，双层腔壁之间的空间能够通入液氮用于降温，冷凝腔连接有喷口，所述样品腔位于冷凝腔内部，样品腔是长度为6厘米、内径为3.5厘米的圆筒形，样品腔具有外腔壁和内腔壁，所述内腔壁具有若干网孔，所述网孔直径为50微米，相邻网孔之间间隔为150微米，能够使得载气流更均匀地进入样品腔，样品腔内放置有掺杂样品，样品腔具有出口，所述进样管一端通过流量控制器连接储液池、另一端依次穿过保护腔腔壁、冷凝腔腔壁和样品腔的外腔壁并连通于样品腔的外腔壁和内腔壁之间，储气罐通过气管连接于流量控制器和保护腔之间的进样管上，进样管与保护腔腔壁、冷凝腔腔壁和样品腔外腔壁的各连接处均具有气密性，位于冷凝腔中的部分进样管的外周具有加热器；所述储液池中储存有待成簇样品，储液池温度能够在-50至250摄氏度范围调节，所述储气罐中储存有载气，载气为氩气和氦气的混合气体，氩气和氦气的质量比为8∶92，使得能够在团簇形成的反应中具有较好的冷却效果，储气罐能够控制载气的流速，所述载气与进样管中的待成簇样品的蒸汽混合后，一并进入样品腔的外腔壁和内腔壁之间，能够通过样品腔内腔壁上的网孔进入样品腔；所述保护腔、冷凝腔和样品腔均具有真空窗口，激光器II发射的激光能够通过各所述真空窗口进入样品腔以对掺杂样品进行融蒸，掺杂样品的蒸汽与待成簇样品的蒸汽在样品腔内充分混合后，在载气的作用下依次通过样品腔出口和喷口进入真空腔的真空段I；当掺杂的大分子团簇进入基准电压管的时刻，基准电压管的电势为零，当掺杂的大分子团簇全部位于基准电压管内时，基准电压管的电势切换为与速度成像电极组的反射电极的电势一致；基准电压管是长度为20毫米、内径为12毫米的圆筒形，由铜制成，基准电压管具有入口和出口，基准电压管的入口直径为1.5毫米、出口直径为1.0毫米，基准电压管上的电势能够根据离子相对于基准电压管的位置而切换。

产生掺杂的大分子团簇的原理：

团簇源通常具有一个温度较低的样品腔，温度较高的待成簇样品的蒸汽在由载气体产生的较冷的环境中发生凝聚，在样品腔内具有掺杂样品的蒸汽，待成簇样品的蒸汽与掺杂样品的蒸汽发生成核反应并形成团簇，随后团簇随载气流离开团簇源，形成连续的分子团簇流。调节储液池温度，能够改变储液池中的待成簇样品溶液的蒸汽压，流量控制器能够调节待成簇样品的蒸汽进入进样管的流速，储气罐能够调节进入进样管的载气的流速，所述载气与进样管中的所述待成簇样品蒸汽混合后进入样品腔的外腔壁和内腔壁之间，并通过样品腔内腔壁上的网孔进入样品腔，激光器II发射脉冲激光对样品腔中的掺杂样品进行融蒸以产生掺杂样品的蒸汽，调节脉冲激光的功率能够改变掺杂样品的蒸汽的蒸气压；调节样品腔温度，能够控制待成簇样品的蒸汽和掺杂样品的蒸汽的反应速率，通常情况下，待成簇样品溶液的蒸汽压越大，生成的大分子团簇尺寸越大，载气的流速越小，生成的大分子团簇尺寸越大，样品腔温度与待成簇样品的蒸汽的温度越接近，团簇中掺杂分子的计量越大，脉冲激光的功率越大，团簇中掺杂分子的计量越大，综上所述，通过调节待成簇样品溶液的蒸汽压、待成簇样品蒸汽的流速、载气的流速、掺杂样品的蒸汽的蒸气压以及样品腔温度，能够控制生成的大分子团簇的大小以及其中掺杂分子的计量。

对团簇进行聚集的原理：

基准电压管是长度为20毫米、内径为12毫米的圆筒形，由铜制成，具有入口和出口，所述入口直径为1.5毫米、出口直径为1.0毫米，速度成像电极组为一组沿z正方向排列的同心的金属环形电极，沿z正方向依次为反射电极、静电电极、保护电极和屏蔽电极，在团簇离子通过速度成像电极组时，通过调节施加在反射电极、静电电极和保护电极上的电势来达到控制团簇运动方向的目的；基准电压管的作用是对即将通过速度成像电极组的反射极的团簇进行预处理，以防止团簇散焦，当离子进入基准电压管的时刻，基准电压管的电势为零，当离子全部位于基准电压管内时，基准电压管的电势切换为与速度成像电极组的反射电极的电势一致，其有益效果是能够更好地聚焦团簇离子。

利用所述一种粒子成像装置进行研究的步骤为：

一.在冷凝腔的双层腔壁之间通入液氮降温；

二.调节加热器，使得样品腔温度保持在-20到20摄氏度之间；

三.调节储液池温度，使得储液池中的待成簇样品溶液产生蒸汽，调节流量控制器，使得所述待成簇样品的蒸汽进入进样管，流速典型值为50SCCM，开启储气罐，使得载气通过气管进入进样管，流速典型值为300SCCM；

四.所述载气与进样管中的所述待成簇样品蒸汽混合后进入样品腔的外腔壁和内腔壁之间，并通过样品腔内腔壁上的网孔进入样品腔，样品腔内气压典型值为100Pa；

五.激光器II发射脉冲激光对样品腔中的掺杂样品进行融蒸，脉冲激光的功率典型值为2到10mJ；

六.待成簇样品的蒸汽和掺杂样品的蒸汽发生成核反应，生成掺杂的大分子团簇，所述掺杂的大分子团簇在载气流的作用下，依次通过样品腔出口和喷口进入真空腔的真空段I；

七.掺杂的大分子团簇在真空泵组的作用下，依次通过分流器、离子透镜I、门阀I、离子透镜II和门阀II，到达质量过滤器，并在质量过滤器中进行荷质比选择，以使得所要研究的掺杂的大分子团簇通过质量过滤器；

八.将微通道盘I移入离子束流路径，将微通道盘II移出离子束流路径，经过荷质比选择的掺杂的大分子团簇入射到微通道盘I，并在微通道盘I的不同位置产生相应的光信号，微通道盘I上产生的光信号能够通过基准电压管和速度成像电极组并进入探测器，从而得到光反应前掺杂的大分子团簇的相关特性的信息；

九.将微通道盘I移出离子束流路径，将微通道盘II移入离子束流路径，当掺杂的大分子团簇进入基准电压管的时刻，基准电压管的电势为零，当掺杂的大分子团簇全部位于基准电压管内时，基准电压管的电势切换为与速度成像电极组的反射电极的电势一致；

十.掺杂的大分子团簇离开基准电压管后，进入速度成像电极组，并被激光器I发射的激光照射，从而发生光反应；

十一.光反应产生的产物到达微通道盘II，并在微通道盘II的不同位置产生相应的光信号；

十二.探测器收集微通道盘II产生的光信号，从而得到光反应产物的相关特性的信息。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型产生的大分子团簇中掺杂的计量精确可控，且团簇生成后冷却时间较短，另外，能够对团簇进行有效聚集，光反应效率较高。

附图说明

下面结合本实用新型的图形进一步说明：

图1是本实用新型示意图；

图2是团簇源放大示意图。

图中，1.团簇源，1-1.储液池，1-2.流量控制器，1-3.进样管，1-4.气管，1-5.储气罐，1-6.外腔，1-7.内腔，1-8.加热器，1-9.样品腔，1-10.喷口，1-11.激光器II，2.真空腔，2-1.真空段I，2-2.真空段II，2-3.真空段III，2-4.真空段IV，3.分流器，4.离子透镜I，5.门阀I，6.离子透镜II，7.门阀II，8.质量过滤器，9.微通道盘I，10.屏蔽罩，11.基准电压管，12.速度成像电极组，13.微通道盘II，14.探测器，15.激光器I。

具体实施方式

如图1是本实用新型示意图，xyz为三维空间坐标系，包括团簇源(1)、真空腔(2)、分流器(3)、离子透镜I(4)、门阀I(5)、离子透镜II(6)、门阀II(7)、质量过滤器(8)、微通道盘I(9)、屏蔽罩(10)、基准电压管(11)、速度成像电极组(12)、微通道盘II(13)、探测器(14)、激光器I(15)和真空泵组，所述真空腔(2)具有起始端和末端，真空腔(2)起始端外侧连接团簇源(1)，探测器(14)位于真空腔(2)末端外侧，能够探测微通道盘I(9)和微通道盘II(13)上产生的光信号，从真空腔(2)起始端到末端依次分为真空段I(2-1)、真空段II(2-2)、真空段III(2-3)和真空段IV(2-4)，真空段I(2-1)和真空段II(2-2)通过分流器(3)连接，真空段II(2-2)和真空段III(2-3)通过门阀I(5)连接，真空段III(2-3)和真空段IV(2-4)通过门阀II(7)连接，所述真空段I(2-1)、真空段II(2-2)、真空段III(2-3)和真空段IV(2-4)均连接有真空泵组，离子透镜I(4)位于真空段II(2-2)内，离子透镜II(6)位于真空段III(2-3)内，质量过滤器(8)、微通道盘I(9)和屏蔽罩(10)依次位于真空段IV(2-4)内，基准电压管(11)、速度成像电极组(12)和微通道盘II(13)依次位于屏蔽罩(10)内，所述分流器(3)、离子透镜I(4)、门阀I(5)、离子透镜II(6)、门阀II(7)、质量过滤器(8)、微通道盘I(9)、基准电压管(11)、速度成像电极组(12)和微通道盘II(13)组成了离子束流路径，微通道盘I(9)和微通道盘II(13)均能够移出或移入所述离子束流路径，激光器I(15)位于速度成像电极组(12)所在位置的真空腔(2)的外侧，真空腔(2)和屏蔽罩(10)均具有透光窗口，激光器I(15)发射的激光能够通过所述透光窗口进入速度成像电极组(12)；当掺杂的大分子团簇进入基准电压管(11)的时刻，基准电压管(11)的电势为零，当掺杂的大分子团簇全部位于基准电压管(11)内时，基准电压管(11)的电势切换为与速度成像电极组(12)的反射电极的电势一致；基准电压管(11)是长度为20毫米、内径为12毫米的圆筒形，由铜制成，基准电压管(11)具有入口和出口，基准电压管(11)的入口直径为1.5毫米、出口直径为1.0毫米，基准电压管(11)上的电势能够根据离子相对于基准电压管(11)的位置而切换。

如图2是团簇源放大示意图，团簇源(1)主要包括储液池(1-1)、流量控制器(1-2)、进样管(1-3)、气管(1-4)、储气罐(1-5)、保护腔(1-6)、冷凝腔(1-7)、加热器(1-8)、样品腔(1-9)、喷口(1-10)和激光器II(1-11)，所述保护腔(1-6)连接于真空腔(2)起始端的真空段I(2-1)，所述冷凝腔(1-7)位于保护腔(1-6)内部，冷凝腔是长度为20厘米、内径为12厘米的圆筒形，所述冷凝腔(1-7)具有双层腔壁，双层腔壁之间的空间能够通入液氮用于降温，冷凝腔(1-7)连接有喷口(1-10)，所述样品腔(1-9)位于冷凝腔(1-7)内部，样品腔(1-9)是长度为6厘米、内径为3.5厘米的圆筒形，样品腔(1-9)具有外腔壁和内腔壁，所述内腔壁具有若干网孔，所述网孔直径为50微米，相邻网孔之间间隔为150微米，能够使得载气流更均匀地进入样品腔(1-9)，样品腔(1-9)内放置有掺杂样品，样品腔(1-9)具有出口，所述进样管(1-3)一端通过流量控制器(1-2)连接储液池(1-1)、另一端依次穿过保护腔(1-6)腔壁、冷凝腔(1-7)腔壁和样品腔(1-9)的外腔壁并连通于样品腔(1-9)的外腔壁和内腔壁之间，储气罐(1-5)通过气管(1-4)连接于流量控制器(1-2)和保护腔(1-6)之间的进样管(1-3)上，进样管(1-3)与保护腔(1-6)腔壁、冷凝腔(1-7)腔壁和样品腔(1-9)外腔壁的各连接处均具有气密性，位于冷凝腔(1-7)中的部分进样管(1-3)的外周具有加热器(1-8)；所述储液池(1-1)中储存有待成簇样品，储液池(1-1)温度能够在-50至250摄氏度范围调节，所述储气罐(1-5)中储存有载气，载气为氩气和氦气的混合气体，氩气和氦气的质量比为8∶92，使得能够在团簇形成的反应中具有较好的冷却效果，储气罐(1-5)能够控制载气的流速，所述载气与进样管(1-3)中的待成簇样品的蒸汽混合后，一并进入样品腔(1-9)的外腔壁和内腔壁之间，能够通过样品腔(1-9)内腔壁上的网孔进入样品腔(1-9)；所述保护腔(1-6)、冷凝腔(1-7)和样品腔(1-9)均具有真空窗口，激光器II(1-11)发射的激光能够通过各所述真空窗口进入样品腔(1-9)以对掺杂样品进行融蒸，掺杂样品的蒸汽与待成簇样品的蒸汽在样品腔(1-9)内充分混合后，在载气的作用下依次通过样品腔(1-9)出口和喷口(1-10)进入真空腔(2)的真空段I(2-1)。

产生掺杂的大分子团簇的原理：

团簇源通常具有一个温度较低的样品腔，温度较高的待成簇样品的蒸汽在由载气体产生的较冷的环境中发生凝聚，在样品腔内具有掺杂样品的蒸汽，待成簇样品的蒸汽与掺杂样品的蒸汽发生成核反应并形成团簇，随后团簇随载气流离开团簇源，形成连续的分子团簇流。调节储液池(1-1)温度，能够改变储液池(1-1)中的待成簇样品溶液的蒸汽压，流量控制器(1-2)能够调节待成簇样品的蒸汽进入进样管(1-3)的流速，储气罐(1-5)能够调节进入进样管(1-3)的载气的流速，所述载气与进样管(1-3)中的所述待成簇样品蒸汽混合后进入样品腔(1-9)的外腔壁和内腔壁之间，并通过样品腔(1-9)内腔壁上的网孔进入样品腔(1-9)，激光器II(1-11)发射脉冲激光对样品腔(1-9)中的掺杂样品进行融蒸以产生掺杂样品的蒸汽，调节脉冲激光的功率能够改变掺杂样品的蒸汽的蒸气压；调节样品腔(1-9)温度，能够控制待成簇样品的蒸汽和掺杂样品的蒸汽的反应速率，通常情况下，待成簇样品溶液的蒸汽压越大，生成的大分子团簇尺寸越大，载气的流速越小，生成的大分子团簇尺寸越大，样品腔(1-9)温度与待成簇样品的蒸汽的温度越接近，团簇中掺杂分子的计量越大，脉冲激光的功率越大，团簇中掺杂分子的计量越大，综上所述，通过调节待成簇样品溶液的蒸汽压、待成簇样品蒸汽的流速、载气的流速、掺杂样品的蒸汽的蒸气压以及样品腔(1-9)温度，能够控制生成的大分子团簇的大小以及其中掺杂分子的计量。

对团簇进行聚集的原理：

基准电压管(11)是长度为20毫米、内径为12毫米的圆筒形，由铜制成，具有入口和出口，所述入口直径为1.5毫米、出口直径为1.0毫米，速度成像电极组(12)为一组沿z正方向排列的同心的金属环形电极，沿z正方向依次为反射电极、静电电极、保护电极和屏蔽电极，在团簇离子通过速度成像电极组(12)时，通过调节施加在反射电极、静电电极和保护电极上的电势来达到控制团簇运动方向的目的；基准电压管(11)的作用是对即将通过速度成像电极组(12)的反射极的团簇进行预处理，以防止团簇散焦，当离子进入基准电压管(11)的时刻，基准电压管(11)的电势为零，当离子全部位于基准电压管(11)内时，基准电压管(11)的电势切换为与速度成像电极组(12)的反射电极的电势一致，其有益效果是能够更好地聚焦团簇离子。

所述一种粒子成像装置主要包括团簇源(1)、真空腔(2)、分流器(3)、离子透镜I(4)、门阀I(5)、离子透镜II(6)、门阀II(7)、质量过滤器(8)、微通道盘I(9)、屏蔽罩(10)、基准电压管(11)、速度成像电极组(12)、微通道盘II(13)、探测器(14)、激光器I(15)和真空泵组，xyz为三维空间坐标系，所述真空腔(2)具有起始端和末端，真空腔(2)起始端外侧连接团簇源(1)，探测器(14)位于真空腔(2)末端外侧，能够探测微通道盘I(9)和微通道盘II(13)上产生的光信号，从真空腔(2)起始端到末端依次分为真空段I(2-1)、真空段II(2-2)、真空段III(2-3)和真空段IV(2-4)，真空段I(2-1)和真空段II(2-2)通过分流器(3)连接，真空段II(2-2)和真空段III(2-3)通过门阀I(5)连接，真空段III(2-3)和真空段IV(2-4)通过门阀II(7)连接，所述真空段I(2-1)、真空段II(2-2)、真空段III(2-3)和真空段IV(2-4)均连接有真空泵组，离子透镜I(4)位于真空段II(2-2)内，离子透镜II(6)位于真空段III(2-3)内，质量过滤器(8)、微通道盘I(9)和屏蔽罩(10)依次位于真空段IV(2-4)内，基准电压管(11)、速度成像电极组(12)和微通道盘II(13)依次位于屏蔽罩(10)内，所述分流器(3)、离子透镜I(4)、门阀I(5)、离子透镜II(6)、门阀II(7)、质量过滤器(8)、微通道盘I(9)、基准电压管(11)、速度成像电极组(12)和微通道盘II(13)组成了离子束流路径，微通道盘I(9)和微通道盘II(13)均能够移出或移入所述离子束流路径，激光器I(15)位于速度成像电极组(12)所在位置的真空腔(2)的外侧，真空腔(2)和屏蔽罩(10)均具有透光窗口，激光器I(15)发射的激光能够通过所述透光窗口进入速度成像电极组(12)；团簇源(1)主要包括储液池(1-1)、流量控制器(1-2)、进样管(1-3)、气管(1-4)、储气罐(1-5)、保护腔(1-6)、冷凝腔(1-7)、加热器(1-8)、样品腔(1-9)、喷口(1-10)和激光器II(1-11)，所述保护腔(1-6)连接于真空腔(2)起始端的真空段I(2-1)，所述冷凝腔(1-7)位于保护腔(1-6)内部，冷凝腔是长度为20厘米、内径为12厘米的圆筒形，所述冷凝腔(1-7)具有双层腔壁，双层腔壁之间的空间能够通入液氮用于降温，冷凝腔(1-7)连接有喷口(1-10)，所述样品腔(1-9)位于冷凝腔(1-7)内部，样品腔(1-9)是长度为6厘米、内径为3.5厘米的圆筒形，样品腔(1-9)具有外腔壁和内腔壁，所述内腔壁具有若干网孔，所述网孔直径为50微米，相邻网孔之间间隔为150微米，能够使得载气流更均匀地进入样品腔(1-9)，样品腔(1-9)内放置有掺杂样品，样品腔(1-9)具有出口，所述进样管(1-3)一端通过流量控制器(1-2)连接储液池(1-1)、另一端依次穿过保护腔(1-6)腔壁、冷凝腔(1-7)腔壁和样品腔(1-9)的外腔壁并连通于样品腔(1-9)的外腔壁和内腔壁之间，储气罐(1-5)通过气管(1-4)连接于流量控制器(1-2)和保护腔(1-6)之间的进样管(1-3)上，进样管(1-3)与保护腔(1-6)腔壁、冷凝腔(1-7)腔壁和样品腔(1-9)外腔壁的各连接处均具有气密性，位于冷凝腔(1-7)中的部分进样管(1-3)的外周具有加热器(1-8)；所述储液池(1-1)中储存有待成簇样品，储液池(1-1)温度能够在-50至250摄氏度范围调节，所述储气罐(1-5)中储存有载气，载气为氩气和氦气的混合气体，氩气和氦气的质量比为8∶92，使得能够在团簇形成的反应中具有较好的冷却效果，储气罐(1-5)能够控制载气的流速，所述载气与进样管(1-3)中的待成簇样品的蒸汽混合后，一并进入样品腔(1-9)的外腔壁和内腔壁之间，能够通过样品腔(1-9)内腔壁上的网孔进入样品腔(1-9)；所述保护腔(1-6)、冷凝腔(1-7)和样品腔(1-9)均具有真空窗口，激光器II(1-11)发射的激光能够通过各所述真空窗口进入样品腔(1-9)以对掺杂样品进行融蒸，掺杂样品的蒸汽与待成簇样品的蒸汽在样品腔(1-9)内充分混合后，在载气的作用下依次通过样品腔(1-9)出口和喷口(1-10)进入真空腔(2)的真空段I(2-1)；当掺杂的大分子团簇进入基准电压管(11)的时刻，基准电压管(11)的电势为零，当掺杂的大分子团簇全部位于基准电压管(11)内时，基准电压管(11)的电势切换为与速度成像电极组(12)的反射电极的电势一致；基准电压管(11)是长度为20毫米、内径为12毫米的圆筒形，由铜制成，基准电压管(11)具有入口和出口，基准电压管(11)的入口直径为1.5毫米、出口直径为1.0毫米，基准电压管(11)上的电势能够根据离子相对于基准电压管(11)的位置而切换。

本实用新型采用特殊的方法来产生掺杂的大分子团簇，团簇中掺杂的计量精确可控，并能够对生成的团簇进行快速冷却，另外，采用电极上电压切换的方法对团簇进行有效聚集，提高团簇的光反应效率。