一种团簇的质量选择装置及团簇粒子的选择方法与流程

本发明涉及仪器组装领域，具体而言，涉及一种团簇的质量选择装置及团簇粒子的选择方法。

背景技术：

金属、氧化物纳米团簇由于量子尺寸效应，造成电子、能带结构的变化。通过控制纳米团簇尺寸的制备，可以实现不同用途的功能材料，如生物医学、气体传感、光催化等。对于纳米团簇的制备，通常有水热合成方法及气相团簇沉积方法。相比于水热合成，气相团簇沉积方法制备的纳米团簇尺寸可控、无其它杂相，方法简单，受到人们的青睐。

团簇束流实验装置中的质量选择器是对团簇的粒径进行筛选的实验设备。但是传统的团簇质量选择器的选择精度并不高，不能够将不同质量的团簇束流进行精确的分离。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种团簇的质量选择装置，其设置有加速区、飞行区和减速区对团簇粒子进行分离，经过多次筛选精确地分离出特定质量的团簇粒子，方便后续处理操作的运行。

本发明的另一目的在于提供一种团簇粒子的选择方法，其能够利用电信号控制粒子飞行，通过多次的分离操作，精确地分离出特定质量的团簇粒子。

本发明的实施例是这样实现的：

一种团簇的质量选择装置，包括质量选择器和电场施加装置，电场施加装置通过电源线与质量选择器相连接，质量选择器设置有粒子选择腔，粒子选择腔内从上到下依次设置有第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板，第一电极板和第二电极板之间形成质量选择器的加速区，第二电极板和第三电极板之间形成质量选择器的飞行区，第三电极板和第四电极板之间形成质量选择器的减速区，电场施加装置对粒子选择腔内的加速区和减速区施加高频电场；

第二电极板设置有供团簇粒子由加速区进入飞行区的第一连通口，第三电极板上设置有供团簇粒子由飞行区进入减速区的第二连通口，质量选择器对应减速区的侧壁上设置有供筛选出的团簇粒子射出的通道出口；

当电场施加装置对质量选择器施加高频电场时，加速区内形成使团簇粒子加速的加速电场，减速区内形成使团簇粒子减速的减速电场。

在本发明较佳的实施例中，上述团簇的质量选择装置还包括对团簇束流进行聚焦的离子光学透镜，离子光学透镜的出口与质量选择器的入口相连通，离子光学透镜包括两个同轴且相对设置的单透镜。

在本发明较佳的实施例中，上述离子光学透镜的入口与单透镜之间设置有两个偏转板组，每个偏转板组均包括两个相互平行的偏转板，两个偏转板对称设置于两个单透镜轴线的两侧。

在本发明较佳的实施例中，上述第一电极板和第二电极板的宽度值均大于1.5倍的第一电极板和第二电极板之间的距离值。

在本发明较佳的实施例中，上述团簇的质量选择装置还包括超真空传样系统，上述质量选择器的通道出口与超真空传样系统的入口相连通。

一种团簇粒子的选择方法，团簇粒子由质量选择器的进口射入，进入被施加加速高频电场的加速区，加速高频电场使团簇粒子沿电场方向加速运动；

由加速区筛选出的团簇粒子进入质量选择器的飞行区；

由飞行区筛选出的团簇粒子进入被施加减速高频电场的减速区，减速高频电场使团簇粒子沿电场方向的反方向减速运动；

由减速区筛选出的团簇粒子从质量选择器的通道出口射出。

在本发明较佳的实施例中，团簇粒子经离子光学透镜聚焦后再进入质量选择器的加速区，离子光学透镜采用两个同轴且相对设置的单透镜。

在本发明较佳的实施例中，在通过两个上述单透镜进行聚焦之前，通过偏转板组对团簇粒子的飞行方向进行修正。

在本发明较佳的实施例中，对加速区和减速区施加的高频电场的频率可调节。

在本发明较佳的实施例中，进入上述质量选择器的团簇粒子控制在小于或等于1000000amu。

本发明实施例的有益效果是：团簇粒子的质量选择采用了多层筛选的方式，从质量选择器入口进入的团簇粒子经过加速区加速后，再经过飞行区的筛选进入减速区，经过减速区筛选出的团簇粒子从质量选择器的通道出口射出。经过多层筛选，精确分离出特定质量的团簇粒子，提高了质量选择的精确性，有利于后续处理操作的运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的团簇的质量选择装置的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的质量选择器的结构示意图；

图3为本发明第一实施例中不同粒径的Cu纳米团簇对应的电流强度；

图4为本发明第二实施例提供的团簇的质量选择装置的结构示意图；

图5为本发明第二实施例提供的离子光学透镜的结构示意图；

图6为本发明第二实施例提供的偏振板组的离子束电位线的示意图。

图标：100a-团簇的质量选择装置；100b-团簇的质量选择装置；110-电场施加装置；120-离子光学透镜；130-质量选择器；140-超高真空传样系统；131-粒子选择腔；132-第一电极板；133a-加速区；133b-飞行区；133c-减速区；134-第二电极板；136-第三电极板；138-第四电极板；135-第一连通口；137-第二连通口；139-通道出口；122-第一单透镜；124-第二单透镜；126-偏转板组；1262-第一偏转板；1264-第二偏转板。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种团簇的质量选择装置100a，其包括质量选择器130和超高真空传样系统140，由团簇粒子发生装置经过处理后的团簇粒子从质量选择器130的入口进入，经过质量选择器130筛选出的团簇粒子经超高真空传样系统140传输进入后续处理设备。

请参照图2，团簇的质量选择装置100a包括质量选择器130和电场施加装置110，电场施加装置110通过电源线与质量选择器130相连接，团簇粒子由质量选择器130的侧壁的下方射入，从对应的另一侧壁的上方射出。质量选择器130设置有粒子选择腔131，粒子选择腔131内从下到上依次设置有第一电极板132、第二电极板134、第三电极板136和第四电极板138。第一电极板132与第二电极板134之间的空腔形成质量选择器130的加速区133a；第二电极板134和第三电极板136之间的空腔形成质量选择器130的飞行区133b；第三电极板136和第四电极板138之间的空腔形成质量选择器130的减速区133c。

进一步地，在第二电极板134上设置有第一连通口135，团簇粒子通过第一连通口135从加速区133a进入飞行区133b。在第三电极板136上设置有第二连通口137，团簇粒子通过第二连通口137从飞行区133b进入减速区133c。在减速区133c设置有通道出口139，经质量选择器130对应减速区133c上设置有通道出口139，筛选出的团簇粒子由通道出口139射出，进入后续处理设备。

在团簇粒子进入质量选择器130之前，将两个相反的并带有一定相位差的高频电场分别加于加速区133a和减速区133c。优选地，第一电极板132、第二电极板134、第三电极板136和第四电极板138均平行底面且间隔设置，这样设置使团簇粒子在加速区133a电场力的方向由第一电极板132指向第二电板134，使团簇粒子做运动方向与电场方向相同的加速运动；团簇粒子在减速区133c电场力的方向由第四电极板138指向第三电极板136，使团簇粒子做运动方向与电场力方向相反的减速运动。

具体地，团簇粒子进入加速区133a具有水平初速度，并在电场力的作用下沿与第一电极板132和第二电极板134垂直的方向加速运动，因此团簇粒子在加速区133a沿抛物线运动，通过第一连通口135进入飞行区133b。在飞行区133b团簇粒子沿抛物线运动，通过第二连通口137进入减速区133c。在减速区133c团簇粒子的速度逐渐减少，并沿抛物线运动，由通道出口139射出。

优选地，由通道出口139射出的团簇粒子经超高真空传样系统140传输进入后续处理设备。在其他实施方式中，质量选择器130筛选出的团簇粒子也可以不经过超高真空传样系统140传输进入后续处理设备。但是非真空或真空度不够的传样系统存在明显的阻力，影响团簇粒子的飞行，而影响团簇粒子的传输效果。

需要指出的是，在进入质量选择器130后，部分团簇粒子不能由第一连通口135进入飞行区133b，或不能由第二连通口137进入减速区133c，或不能沿通道出口139射出，这些团簇粒子不能通过质量选择器130的筛选，只有特定质量的团簇粒子才能通过质量选择器130，而进入后续处理设备，而产生了团簇损失。

优选地，第一电极板132和第二电极板134的宽度值均大于1.5倍的第一电极板132和第二电极板134之间的距离值，以更大程度上降低质量选择器130的团簇损失。在其他实施方式中，第一电极板132与第二电极板134之间的距离、第二电极板134与第三电极板136之间的距离、第三电极板136与第四电极板138之间的距离相等，且第一电极板132、第二电极板134、第三电极板136和第四电极板138的宽度值均大于1.5倍的相邻两个电极板的距离值，使团簇粒子经过每一层通道均得到更好的分离，提高筛选的精确率。

优选地，第一连通口135的宽度值L₁大于第一电极板132和第二电极板134之间的距离值，且第二连通口137的宽度值L₂大于第二电极板134和第三电极板136之间的距离值，以降低团簇粒子的质量损失。

优选地，对加速区133a和减速区133c所施加的高频电场可以根据所要筛选出的特定质量的团簇粒子进行调节，以更好筛选出多种特定质量的团簇粒子。如图3所示，不同粒径的Cu纳米团簇对应的电流强度不同，可根据要筛选出的粒径来调节适当的电流强度。

本施例提供的团簇的质量选择装置100a，团簇粒子进入质量选择器130后的经过加速区133a、飞行区133b和减速区133c后，筛选出的团簇粒子由通道出口139射出，加速区133a加以加速电场且减速区133c加以减速电场，显著提高了团簇粒子筛选的精确度，使筛选出的特定质量的团簇粒子满足生产的要求。对加速区133a和减速区133c所施加的高频电场可以根据所要筛选出的特定质量的团簇粒子进行调节，可以筛选多种特定质量的团簇粒子，拓宽了团簇的质量选择装置100a的应用范围。

第二实施例

请参照图4，本实施例提供一种团簇的质量选择装置100b，其与第一实施例的团簇的质量选择装置100a大致相同，二者的区别在于本实施例的团簇的质量选择装置100b还包括离子光学透镜120。离子光学透镜120用于对团簇粒子进行聚焦，使长时间飞行的团簇粒子进行汇聚后进入质量选择器130，且离子光学透镜120可以在不改变离子束焦点位置的情况下，实现团簇束流的直径连续可调。

请参照图5，离子光学透镜120包括两个同轴且相对位置固定的单透镜，即第一单透镜122和第二单透镜124。具体地，第一单透镜122和第二单透镜124可以设置为内壁为圆筒的结构，对于近轴飞行的离子只有圆筒的内壁及端面起作用，而产生聚焦所需的电场。因此在聚焦过程中应尽量保证内壁和端面的加工精度及表面粗糙度，而对于圆筒的外壁形状只要在不影响近轴区域电场分布的情况下并无特殊要求。

当团簇粒子沿离子光学透镜120的轴线进入第一单透镜122和第二单透镜124，可以通过调节第一单透镜122和第二单透镜124的电位，在不改变焦点的情况下改变团簇粒子的放大倍数。团簇粒子经过第一单透镜122初步聚焦后，第二单透镜124将团簇粒子再次聚焦。相比于现有技术采用一个单透镜进行聚焦的方法，本实施例中采用两个单透镜对团簇粒子进行聚焦，实现了方法倍数的可调，且使单透镜与前后级的结构更好的配合。

需要说明的是，在其他实施例中单透镜可以设置为三个，同样也可以设置为其他形状。单透镜可以设置为三个同轴的圆盘结构，圆盘中心设有圆孔，且圆孔位于同一轴线上。三个圆盘将空间分隔为两个区域，并在这两个区域内产生的是均匀电场。这种结构的单透镜只有圆盘上的圆孔内壁及盘面用于产生聚焦所需的电场，所以在加工过程中应尽量保证圆孔内壁和盘面的加工精度及表面粗糙度。

在工程应用中，很难保证单透镜与其前一级结构同轴。例如，由于机械加工的精度，很难保证单透镜两端的法兰与单透镜轴线完全垂直；单透镜内部构件的装配固定，也很难保证该结构与单透镜的轴线完全平行；单透镜两端的法兰是采用铜圈垫片和螺丝固定，难以保证单透镜与前一级结构完全同轴。优选地，在团簇粒子进入单透镜进行聚焦之前，采用两个偏转板组126对团簇粒子的飞行方向进行修正，使团簇粒子通过两个偏转板组126后沿单透镜的轴线飞行，再进入单透镜进行聚焦。

请参照图6，每个偏转板组126包括两个相互平行设置的偏转板，分别为第一偏转板1262和第二偏转板1264，第一偏转板1262和第二偏转板1264对称设置于第一单透镜122和第二单透镜124轴线的两侧。第一偏转板1262和第二偏转板1264分别为矩形结构，且第一偏转板1262和第二偏转板1264采用对称供电的方式，即第一偏转板1262的电位设置为V₀+1/2V_D时，第二偏转板1264的电位设置为V₀-1/2V_D，这样就保证了偏转板组126间的电压差始终为V_D，这样就保证了等电位线是对称的，使偏转板组126产生的电场力相对均匀，可以减少团簇粒子束发生畸变的可能。

需要说明的是，本实施例中质量选择器130的团簇损失小于50％，进入质量选择器130的团簇粒子控制在小于或等于1000000amu，质量范围在几个原子至几十个纳米。控制进入质量选择器130的团簇粒子的质量在保证分离出团簇粒子的精确度的同时，降低团簇粒子的损失率，一定程度上节约操作生产的成本。

本发明还提供了一种团簇粒子的选择方法，应用上述团簇的质量选择装置，使团簇粒子经过加速区133a加速后进入飞行区133b，由飞行区133b筛选出的团簇粒子进入减速区133c，由减速区133c筛选出的团簇粒子由通道出口139射出，经过多层分离筛选，精确分离出特定质量的团簇粒子，提高了质量选择的精确性，有利于后续处理操作的运行。其中关于离子光学透镜120的工作原理请参照第二实施例，在此不做过多说明。

综上所述，本发明提供了一种团簇的质量选择装置及团簇粒子的选择方法，团簇粒子进入质量选择器130的加速区133a，经过加速飞行筛选后进入飞行区133b，由飞行区133b筛选出的团簇粒子进入减速区133c，由减速区133c筛选出的团簇粒子由通道出口139射出，经过多层分离筛选，精确分离出特定质量的团簇粒子，提高了质量选择的精确性；对所施加的高频电场可以根据所要筛选出的特定质量的团簇粒子进行调节，筛选出多种特定质量的团簇粒子；离子光学透镜120用于对团簇粒子进行聚焦，使团簇粒子进行汇聚后进入质量选择器130；在团簇粒子进入单透镜进行聚焦之前，采用两个偏转板组126对团簇粒子的飞行方向进行修正，使团簇粒子通过两个偏转板组126后沿单透镜的轴线飞行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。