一种低温分子束产生和速度的测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及低温真空技术领域，具体涉及一种4K低温环境样品分子通过碰撞来 产生低温分子束的方法和速度分布的测量方法。
【背景技术】
[0002] 上世纪八十年代初期，随着激光冷却技术的成熟，原子物理迎来了它的飞速发展 时期。激光冷却、囚禁和蒸发冷却将原子冷却到μK以下，从而实现了原子的玻色-爱因斯 坦凝聚。分子的激光冷却给超冷物理带来了一个新的发展契机。减速并冷却得到的超冷分 子在精密测量，超冷化学反应，多体量子系综以及量子信息处理的研究上有着巨大的潜在 应用。
[0003] 然而，分子的冷却是一个十分具有挑战性的研究课题，相对与原子，除了具有电子 态和核自旋态，分子还具有振动态和转动态。分子的复杂内态结构使得直接的激光冷却变 得十分困难。然而分子物理不需要将分子冷却到μΚ以下就能从中受益，许多物理现象在 几Κ时已经开始显现。近年来为了获得低温分子样品，人们发展了多种分子束产生技术来 产生预冷的分子束源。这些技术主要分为以下三种：一种是超声分子束的方法，比例很小 (一般小于10% )的样品分子和载气从一个高压（1-5标准大气压）容器经过一个喷嘴绝 热膨胀到高真空，在膨胀过程中，分子内部自由度经过多次碰撞得到有效冷却。由于能量大 多转化为动能，因此这种分子束的中心速度通常超过声速。在分子束坐标系中，它的速度分 布宽度非常窄，使用这种技术可以得到平动温度低于1Κ，转动温度低于5Κ的分子束。另一 种方法是射流束的方法，即样品分子直接从一个高压容器（l-l〇〇Pa)经过喷嘴绝热膨胀到 高真空，这种方法可以产生中心速度为200m/s以下的分子束，但这种方法产生的分子束内 态没有得到冷却，且分子束密度较低。结合以上两种产生冷分子束的优点，第三种产生冷分 子束的方法应运而生，即缓冲气体冷却。缓冲气体冷却是通过与低温He充分碰撞来实现样 品分子的冷却，这种方法可以产生平动温度和内态温度都很低的低温冷分子束，由于缓冲 气体He的碰撞截面与分子的能及结构无关，因此这种制备冷分子的方法适用于几乎所有 化学性质稳定的分子。
[0004] 分子束速度分布的测量方法主要分为以下两种，第一种是通过光谱的方法即利用 光学多普勒效应来获取速度分布信息。原理如下：分别打一束垂直于分子束传播方向和另 一束与分子束运动方向相反的激光，共振吸收后确定分子的共振吸收光频率fc以及f，通 过光学多普勒效应可以得到以下关系式：fc=f(l+v/c)，其f。为垂直分子束运动方向的共 振吸收频率，f为与分子束运动方向相反的共振吸收频率，v为分子的运动速度，c为光速。 通过这种方法就可以得到分子束的速度分布信息。第二种方法是通过共振多光子电离的方 法获取分子束的时间飞行质谱信号进而获得分子束的速度分布信息。由于缺乏光谱数据信 息，许多分子不能通过光学的方法来获取分子束的信息。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种低温分子束的产生和速度测 量装置及方法，通过缓冲气体冷却来获得低温分子束和直接利用四极质谱仪进行分子束速 度分布测量，对化学性质稳定的分子具有普适性。通过时间飞行质谱（T0F)信号来分析处 理得到分子束的速度分布信息，简单实用。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] -种低温分子束的产生和速度测量装置，特点是：该装置包括：4K低温分子束 源产生器、静电四极直导引、高压直流电源、高压开关、DI064数据采集卡时序控制装置、 LabVIEW控制模块及四极质谱仪信号测量器，所述静电四极直导引分别连接4Κ低温分子束 源产生器、高压直流电源及高压开关，DI064数据采集卡时序控制装置分别连接高压开关、 LabVIEW控制模块及四极质谱仪信号测量器，LabVIEW控制模块连接四极质谱仪信号测量 器；其中：
[0008] 所述低温分子束产生器包括低温制冷机、铜腔、恒温配气管道及活性炭吸附装置， 低温制冷机分别连接铜腔及活性炭吸附装置，铜腔分别连接恒温配气管道及静电四极直导 引；
[0009] 所述四极质谱仪信号测量器包括四极质谱仪主控制机箱、离子源电离区、射频离 子筛选场、信号偏转放大器、二次电子倍增器及MCS-32数据采集卡，四极质谱仪主控制机 箱、离子源电离区、射频离子筛选场、信号偏转放大器、二次电子倍增器及MCS-32数据采集 卡依次连接，MCS-32数据采集卡分别连接DI064数据采集卡时序控制装置及LabVIEW控制 丰旲块。
[0010] -种采用上述装置实施低温分子束的产生和速度测量的方法，该方法包括以下步 骤：
[0011] 步骤一：开启低温制冷机，使低温分子束源产生器稳定在4K的低温下，通入样品 分子气体和He原子使其在铜腔里得到充分碰撞；
[0012] 步骤二：开启四极质谱仪测量器进行预热半个小时并进行参数设置之后开启离子 源电离区（11)灯丝进行分子束信号测量；
[0013] 步骤三：运行LabVIEW控制模块，产生的方波TTL信号通过DI064数据采集卡时序 控制装置输出到高压开关和MCS-32数据采集卡同步控制导引电压的开关和信号数据的收 集从而得到一个时间飞行质谱信号；
[0014] 步骤四：通过得到的时间飞行质谱信号能够得到信号强度的信息，对T0F信号的 上升沿进行微分处理得到分子束的速度分布；
[0015] 得到速度分布的具体过程如下：
[0016] 高压开关用来区分信号与背景，当开启高压开关后，加在静电四极直导引的电压 会不停的重复开关，重复的周期为500ms，开关时间分别为200ms和300ms;当高压开关打开 后，纵向速度最快的分子需要经过一段时间后才能到达四极质谱仪的离子源电离区，从而 测量到的信号会上升，而这一段延时时间对应着最快分子在静电四极直导引飞行的时间； 分子束的速度和飞行时间的关系为：
[0017] t=L/v
[0018] 其中t是开启高压开关后到信号上升的时间延时，L为静电四极直导引的长度，v 是分子的纵向速度；上面的公式对时间取微分可以得到：
[0020] 速度处在v到ν+δv之间的分子数目为δt这段时间内导引信号的增量，表示为：
[0022] 其中δv为已知量，S(t)为t时刻的信号强度。通过四极质谱仪测量到的时间飞 行质谱信号推导出分子束的速度分布信息。
[0023] 所述通入样品分子气体和He原子是：样品分子气体管道由一个恒温加热装置加 热使温度始终保持在样品分子的沸点以上，He原子管道与低温制冷机的二级冷头有良好的 热接触，通入铜腔的He温度为4K，而通入的样品分子气体温度为300K;通入气体的量由两 个独立的质量流量计控制。
[0024] 本发明的有益效果在于：通过缓冲气体冷却来获得低温分子束和直接利用四极质 谱仪进行分子束速度分布测量的方法，对化学性质稳定的分子具有普适性。通过时间飞行 质谱（T0F)信号来分析处理获得分子束的速度分布信息，简单实用。LabVIEW控制模块功能 强大，既可以通过硬件交互发出控制时序的TTL信号控制实验信号同步采集，又可以实现 信号读取以及处理，并且参数调节也特别方便，使用灵活。通过这种方法可以产生中心速度 为100m/s，速度分布宽度为65m/s，信号强度为10n/s量级的低温分子束。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明装置结构示意图；
[0026] 图2为本发明装置中4K低温分子束源产生器通入0. 20SCCM氦（He)，2. 00SCCM氟 甲烷（CH3F)样品分子条件下四极质谱仪信号测量器⑶的质谱信号图；
[0027] 图3为本发明四极质谱仪信号测量器测量得到的CH3F样品分子的时间飞行质谱 (T0F)信号数据；
[0028] 图4为通过LabVIEW控制模块处理得到CH3F样品分子的速度分布数据，曲线是通 过对数据进行高斯拟合得到，误差棒统计学处理得到。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明进行详细描述：
[0030] 参阅图1，本发明装置包括：4K低温分子束源产生器A、静电四极直导引5、高压直 流电源6、高压开关7、DI064数据采集卡时序控制装置8、LabVIEW控制模块9及四极质谱 仪信号测量器B，所述静电四极直导引5分别连接4K低温分子束源产生器A、高压直流电源 6及高压开关7，DI064数据采集卡时序控制装置8分别连接高压开关7、LabVIEW控制模块 9及四极质谱仪信号测量器B，LabVIEW控制模块9连接四极质谱仪信号测量器B;其中：
[0031] 所述低温分子束产生器A包括低温制冷机1、铜腔2、恒温配气管道3及活性炭吸 附装置4,低温制冷机1分别连接铜腔2及活性炭吸附装置4,铜腔2分别连接恒温配气管 道3及静电四极直导引5。
[0032] 所述四极质谱仪信号测量器B包括四极质谱仪主控制机箱10、离子源电离区11、 射频离子筛选场12、信号偏转放大器13、二次电子倍增器14及MCS-32数据采集卡15,四极 质谱仪主控制机箱10、离子源电离区11、射频离子筛选场12、信号偏转放大器13、二次电子 倍增器14及MCS-32数据采集卡15依次连接，MCS-32数据采集卡15分别连接DI064数据 采集卡时序控制装置8及LabVIEW控制模块9。
[0033] 本发明装置的工作过程：室温的样品分子和4KHe原子通过两条不同的恒温配气 管道3通入低温铜腔2并在铜腔2里面进行充分的冷碰撞后喷射出来，经过静电四极直导 弓丨5进行分子束横向速度分布的滤波，静电四极直导引5由直流高压电源6提供直流高压， 并由高压开关7精确的进行开关控制，DI064数据采集卡时序控制装置8和MCS-32数据采 集卡15受LabVIEW控制模块9控制，DI064数据采集卡时序控制装置8的输出端分别与高 压开关7和MCS-32数据采集卡15的输入端连接，DI064数据采集卡时序控制