基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置和方法与流程

本发明属于电场强度的测量领域，具体涉及一种结构简单、操作方便、测量准确的基于飞行时间质谱的真空气室均匀电场强度测量装置和方法。

背景技术：

真空气室是在真空泵维持的真空环境内充有原子或分子气体的腔体，是基础科学研究和国防工业应用的基本设备，在溅射镀膜、离子加速、电磁冶金、冷原子分子操控等领域都有广泛应用。这些应用广泛使用到原子分子气体的均匀静电场，例如溅射镀膜中正离子在电场加速下高速轰击阴极靶体，环形离子加速器中周期性电场逐次加速离子，电磁冶金中电场对材料进行改性处理，超冷原子分子中电场控制原子分子的偶极取向。

制备均匀电场的静电极板通常安装于真空腔体内部。这是由于如果把直流电场极板放置在真空腔体外，可能需要数千伏甚至数万伏的高压才能有效控制真空腔体内的原子分子。这样高压不仅难以实现，而且比较危险，同时高压也容易使腔体及周围介质发生极化。为了测量真空气室内电场强度这一重要参数，最常用的方法是理论计算或软件仿真，但其准确性需要实际测量来验证。若在大气环境中复建真空腔体内的电极装置，电场强度受到大气环境和电场传感器的影响，无法对真空气室环境的电场强度进行准确测量。

有一种根据运动学规律计算均匀加速极板间电场强度的测量方法，计算公式为，式中m为原子离子质量，e为离子电荷。其余物理量均为待测参数，其中d为原子离子在均匀静电场的加速飞行距离，l为电场极板与微通道板探测器的距离，t为原子电离时刻与原子离子飞行到微通道板探测器时的时间间隔。

通过测量这3个参数虽然可以得到电场强度，但这些实验参数均不易测量准确，原因如下：（1）实验中可准确测量原子电离时刻与电流信号到达显示器（如示波器）的时间间隔，该时间包括所述时间间隔t和离子信号在后续电路中的传输处理时间，要剔除后面这部分时间比较困难，这导致时间t的真实值与测量值可能有数微秒的偏差；（2）离子加速飞行距离d的测量精度取决于电离样品位置的测量精度，例如采用冷原子作为电离样品时，需要通过ccd对冷原子和平行极板同时成像，利用已知的平行极板距离d来确定原子位置。由于ccd有一定的观察角度，这种方法的测量精度在数毫米。如果腔体周围空间狭小，就无法同时拍摄原子和两块平行极板，这种方法就不确定参数d；（3）一般情况下均匀电场极板与微通道板探测器的距离l比离子加速飞行距离d更大，测量精度会更差。如果未留观察窗口，则无法在真空环境下测量该数据。

因此提供一种测量精度高的真空气室均匀电场强度的测量装置和方法，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单、操作简便、测量准确的基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，真空气室内设置有相互平行的第一栅网和第二栅网，包括脉冲激光源、加速电场控制器、第一微通道板探测器、第二微通道板探测器、第一信号收集板、第二信号收集板、信号处理电路、数字示波器，所述第一微通道板探测器、第二微通道板探测器、第一信号收集板和第二信号收集板设置在真空气室内；

所述脉冲激光源用于输出脉冲激光，所述脉冲激光在真空气室内的传播方向与所述第一栅网平行，并位于第一栅网和第二栅网之间，用于对真空气室内的原子进行电离，产生飞行离子，所述加速电场控制器用于向所述第一栅网或第二栅网输出方波形电压，使所述第一栅网与第二栅网之间产生方波形电场，所述飞行离子在方波形电场的作用下飞向第一微通道板探测器或第二微通道板探测器并产生电流信号，电流信号经所述第一信号收集板或第二信号收集板收集后，经所述信号处理电路发送至所述数字示波器显示。

所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，还包括数字脉冲发生器，所述数字脉冲发生器的输出端与加速电场控制器连接，用于调节所述加速电场控制器输出的方波形电压信号的上升沿时刻以及下降沿时刻。

所述脉冲激光源包括激光器，所述激光器用于在数字脉冲发生器的控制下产生ns时间宽度的激光脉冲。

所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，其特征在于，还包括第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关，所述第一单刀双掷开关的一端与加速电场控制器连接，另一端分别与第一栅网和第二栅网连接；所述第二单刀双掷开关的一端分别与第一信号收集板和第二信号收集板连接，另一端与信号处理电路连接。

所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，其特征在于，还包括加速电场电源、第一微通道板电源和第二微通道板电源，所述加速电场电源用于给所述加速电场控制器提供正电压电源，所述第一微通道板电源和第二微通道板电源分别用于给所述第一微通道板探测器和第二微通道板探测器提供电源。

此外，本发明还提供了一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量方法，基于权利所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置实现，包括以下步骤：

s1、开启脉冲激光源，使其对真空气室内的位于第一栅网和第二栅网之间原子进行电离，产生飞行离子；

s2、打开加速电场控制器向第一栅网输出方波形电压，使第一栅网与第二栅网之间产生电场；通过第一信号收集板收集飞行离子飞向第一微通道板电源的电流，并通过数字示波器显示离子的飞行时间质谱；

s3、逐渐推迟加速电场控制器向第一栅网输出的方波形电压的上升沿时刻，直至数字示波器显示离子的飞行时间质谱由稳定状态向右移动时，记录飞行时间质谱开始移动时对应的上升沿临界延迟时间；然后逐渐提前加速电场控制器向第一栅网输出的方波形电压的下升沿时刻对应的时间点，直至数字示波器显示离子的飞行时间质谱再次由稳定状态向右移动时，记录飞行时间质谱开始移动时的对应下降沿临界提前时间；计算得到第一加速飞行时间ta；

s4、使加速电场控制器向第二栅网输出方波形电压，重复上述步骤s2~s3，计算得到第二加速飞行时间tb；

s5、计算得到电场强度，计算公式为：；其中，e表示电场强度，d表示第一栅网与第二栅网之间的距离，m表示飞行离子的质量，e表示飞行离子的带电量。

所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量方法，还包括以下步骤：

s6、改变加速电场控制器的输出电压大小，重复步骤s1~s5，计算得到多个不同电压下的电场强度，通过线性拟合，得到电场强度与输出电压之间的关系。

第一加速飞行时间ta等于下降沿临界提前时间减去上升沿临界延迟时间。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置和方法，通过给两个电极板（即栅网）分别施加方波形电压，形成方波形电场，通过分别调节方波形电压的上升沿和下降沿，观测飞行时间谱离子信号的移动时间，来得到离子向两个电极板的加速飞行时间，由于加速飞行时间的精度可达到纳秒量级，因此本发明通过测量加速飞行时间来测量电场强度具有测量精度高的优点，与常用方法中测量时间间隔t的测量精度相比，具有显著优势；而且，本发明中，栅网距离d是两极板的间距，因极板具有稳定的机械结构，相比常用方法需测量的参数d和l相比，具有更高的精度，一般可达到亚毫米到微米。因此本发明设计的方法与常用方法相比，在保持了结构简单、操作简便优势的基础上，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种测量真空气室均匀电场强度的装置示意图。

1数字脉冲发生器；2激光器；3加速电场电源；4加速电场控制器；5第一反射镜；6第二反射镜；7汇聚透镜；8飞行离子；9光束吸收池；10第一栅网；11第二栅网；12第一信号收集板；13第一微通道板探测器；14第二微通道板探测器；15第二信号收集板；16真空气室；17第一微通道板电源；18第二微通道板电源；19第一单刀双掷开关；20第二单刀双掷开关；21离子信号处理电路；22数字示波器。

图2为本发明实施例中加速电场控制器发送到栅网上的方波形电压的时序示意图。

图3为本发明实施案例中铯原子离子的飞行时间质谱，触发信号由数字脉冲发生器提供。

图4为本发明实施例的测量原理示意图；

图5为本发明实施例测量得到的不同极板电压下铯原子离子的加速飞行时间的数据图，图中实心圆点是采用飞行时间质谱a记录的加速时间ta；图中空心方形是采用飞行时间质谱b记录的加速时间tb。

图6为本发明实施例测量得到的不同极板电压下的极板间的电场强度的数据图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，包括激光器2、数字脉冲发生器1、第一栅网10、第二栅网11、脉冲激光源、加速电场控制器4、第一微通道板探测器13、第二微通道板探测器14、第一信号收集板12、第二信号收集板15、信号处理电路21、数字示波器22，所述第一栅网10、第二栅网11、第一微通道板探测器13、第二微通道板探测器14、第一信号收集板12和第二信号收集板15设置在真空气室16内。

数字脉冲发生器1的输出端与激光器2、加速电场控制器4和数字示波器22连接。数字脉冲发生器1用于驱动激光器2产生脉冲光，还用于驱动加速电场控制器4输出方形的脉冲电压信号，以及用于发送信号触发所述数字示波器22。此外，数字脉冲发生器1还可以改变所述加速电场控制器4输出的方波形电压信号的上升沿时刻以及下降沿时刻。

所述激光器2用于在数字脉冲发生器1的控制下产生7ns宽度的激光脉冲。所述脉冲激光在第一反射镜5和第二反射镜6的反射下入射到真空气室16中，脉冲激光在真空气室16内的传播方向与所述第一栅网10和第二栅网11平行，并位于两者之间，用于对真空气室内的原子进行电离，产生飞行离子8。所述加速电场控制器4用于通过第一单刀双掷开关19向所述第一栅网10或第二栅网11输出方波形电压，使所述第一栅网10与第二栅网11之间产生方波形电场，所述飞行离子8在方波形电场的作用下飞向第一微通道板探测器13或第二微通道板探测器14并产生电流信号，电流信号经所述第一信号收集板12或第二信号收集板15收集后，经所述第二单刀双掷开关20和信号处理电路21后以电压信号（也称为飞行时间质谱）的形式在所述数字示波器22上显示。

本实施例中，所述第一单刀双掷开关19的一端与加速电场控制器4连接，另一端分别与第一栅网10和第二栅网11连接；所述第二单刀双掷开关20的一端分别与第一信号收集板12和第二信号收集板15连接，另一端与信号处理电路21连接。第一单刀双掷开关19用于切换输出的方波形电压至不同的栅网上，第二单刀双掷开关用于切换不同信号收集板的收集信号至信号处理电路和数字示波器。

进一步地，本实施例提供的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，还包括加速电场电源3、第一微通道板电源17和第二微通道板电源18，所述加速电场电源3用于给所述加速电场控制器4提供正电压电源，所述第一微通道板电源17和第二微通道板电源18分别用于给所述第一微通道板探测器13和第二微通道板探测器14提供电源。

具体地，本实施例中，激光器2的型号为cbr-g-18eg,spectraphysics，数字脉冲发生器1的型号为dg535,stanfordresearchsystem。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量方法，基于图1所示的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置实现，其主要包括以下几个步骤：

s1、开启激光器（2），激光器（2）在数字脉冲发生器1的控制下产生7纳秒宽度的激光脉冲，对真空气室内的位于第一栅网10和第二栅网11之间原子进行电离，产生铯原子离子，铯原子离子即飞行离子。

s2、使第一单刀双掷开关19与第一栅网10连接，第二单刀双掷开关20与第一信号收集板12连接，打开加速电场控制器4向第一栅网10输出方波形电压，使第一栅网10与第二栅网11之间产生电场；通过第一信号收集板12收集飞行离子飞向第一微通道板电源17的电流，并通过数字示波器22显示离子的飞行时间质谱。

s3、逐渐推迟加速电场控制器4向第一栅网10输出的方波形电压的上升沿时刻，直至数字示波器22显示离子的飞行时间质谱由稳定状态向右移动时，记录飞行时间质谱开始移动的上升沿临界延迟时间；然后逐渐提前加速电场控制器4向第一栅网10输出的方波形电压的下升沿时刻对应的时间点，直至数字示波器22显示离子的飞行时间质谱再次由稳定状态向右移动时，记录飞行时间质谱开始移动的下降沿临界提前时间；计算上升沿临界延迟时间和下降沿临界提前时间的差值，就可得到第一加速飞行时间ta。

如图2所示，为本实施例中加速电场控制器4输出的方波形电压的时序示意图，如图3所示，为加速电场电源3输入电压为450v时测量得到的铯原子离子的飞行时间质谱a。在一般情况下，方波形电压的上升时刻与时间宽度为ns级别的脉冲激光同步输出，如图2所示。本实施例中，通过数字脉冲发生器1，可以调节方波形电压的上升沿时刻，使其在ps精度上与脉冲激光相对延迟。当上升时刻由左向右逐渐延迟时，通过数字示波器22可以观察到飞行离子的飞行时间质谱会由稳定状态向右移动，记录质谱信号开始移动的临界延迟时间，最终在450v电压下，得到的上升沿临界延迟时间为t1=207.80μs，时间测量精度受限于7ns的激光脉冲时间。然后，保持方波形电压的上升沿保持在临界状态不变，再通过数字脉冲发生器1调节方波形电压的下降沿时刻，使其与脉冲激光相对提前，通过数字示波器22观察飞行离子的飞行时间质谱，直至其由稳定状态再次向右移动，记录质谱信号开始移动对应的下降沿临界提前时间，最终在450v电压下，得到的下降沿临界提前时间为t2=211.10μs。本实施例中，t1和t2均是相对于触发信号的零时刻的相对时间。

因此，从图2可以看出，上述得到的下降沿临界提前时间和上升沿临界推迟时间的差值，即为最终的方波形电压的宽度，也对应于飞行时间质谱a对应的铯原子离子在均匀静电场中飞向第一栅网10的加速时间，即第一加速飞行时间为ta=211.10-207.80=3.30μs。

s4、更换单刀双掷开关19的连接方向，使加速电场控制器4的输出端连接第二栅网11；更换单刀双掷开关20的连接方向，使数字示波器22呈现第二信号收集板12得到的铯原子离子信号；通过加速电场控制器4向第二栅网11输出方波形电压，重复上述步骤s2~s3，计算得到飞行时间质谱b对应的铯原子离子在均匀静电场中飞向第二栅网11的加速时间，即第二加速飞行时间tb=3.80μs。

s5、计算得到电场强度。

如图4所示，为电场强度的计算原理图，其中，使用第一微通道板探测器13探测离子信号时，质量为m的原子离子在电场强度e下飞行距离la可表示为：

；（1）

同样，使用第二微通道板探测器14探测离子信号时，质量为m的原子离子在电场强度e下飞行距离lb可表示为：

；（2）

la和lb具有如下关系：

；（3）

联立式（1）-（3），可得到：

；（4）

其中，e表示电场强度，d表示第一栅网10与第二栅网11之间的距离，m表示飞行离子的质量，e表示飞行离子的带电量。

因此，本实施例中通过式（4），计算得到的电场强度为52.24v/cm。

s6、改变加速电场控制器4的输出电压大小，重复步骤s1~s5，计算得到多个不同电压下的电场强度，通过线性拟合，得到电场强度与输出电压之间的关系。

如图5~6所示，本实施例测量了不同极板电压下的实际电场强度，图6中的实线是线性拟合的结果，拟合的斜率为0.1036，误差为0.0017。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。