探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪的制作方法

本发明是涉及光电检测技术领域，具体的说是探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪。

背景技术：

用离子速度成像技术研究化学反应或光解产物空间分布的思想可以追朔到三十多年前哥伦比亚大学的j.solomon和r.bersohn描述的一种他们称之为“光解影像”（photolysismapping）的方法。在上世纪80年代后期发展起来的离子成像技术，是将三维的光解散射过程投影到二维平面进行成像，再通过数学变换方法，重构其三维空间强度分布，实现了用二维的影像提供三维空间上的速度的信息。这种技术就是在飞行时间质谱仪（tofms）的装置基础上，通过离子透镜精密设计改进，以位置敏感的微通道板（microchannelplate，mcp）作为探测器，并在其后连接荧光屏（phorsphorscreen）和ccd（chargecoupleddevice）相机来实现图像采集。1997年eppink和paker对离子加速电极板做了一个简单而又有意义的改进，即用wiley-mclaren的三级电极代替了传统影像装置的二级电极，用中间开圆孔的极板代替栅网，使电场形成类似于光学聚焦的电子学透镜，即离子透镜（ionlens），使光解作用区空间分布中处在不同位置而具有相同速度的离子聚焦在同一点上。但当光与物质作用，不仅产生带电粒子（离子和电子），同时产生大量的自由基碎片中性粒子，针对这些中性碎片的速度，现有技术无法实现探测。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的不足，提供探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪，能够同时测量光与物质作用后产生的离子、电子和中性自由基碎片粒子的速度分布，为研究其光动力学提供完整的数据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪，其特征在于：包括主腔体、中性自由基碎片速度成像飞行管、离子速度成像飞行管、电子速度成像飞行管、激光发生器和光路通道；

所述的主腔体一端镶嵌有环形电子枪进样装置，另一端设置有中性自由基碎片速度成像飞行管，所述的主腔体内设置有激光束作用区，所述的环形电子枪进样装置和激光束作用区之间设置有进样小孔，所述的环形电子枪进样装置和进样小孔之间设置有电子透镜，环形电子枪进样装置、电子透镜和进样小孔同轴，所述的环形电子枪进样装置包括电子枪和进样装置；

所述的中性自由基碎片速度成像飞行管靠近激光束作用区一端内部设置有中性自由基碎片透镜组，所述的中性自由基碎片速度成像飞行管远离激光束作用区一端内依次设置有中性自由基碎片速度的微通道板探测器和中性自由基碎片速度成像ccd探测器；

所述的激光束作用区的两侧分别设置有离子速度成像飞行管和电子速度成像飞行管，所述的离子速度成像飞行管靠近激光束作用区一端内部设置有离子透镜组，所述的离子速度成像飞行管远离激光束作用区一端内依次设置有离子速度探测器和离子速度成像ccd探测器；所述的电子速度成像飞行管靠近激光束作用区一端内部设置有电子透镜组，所述的电子速度成像飞行管远离激光束作用区一端内依次设置有电子速度探测器和电子速度成像ccd探测器；所述的离子速度成像飞行管和电子速度成像飞行管的侧壁均与真空分子泵连接；

所述的激光束作用区外侧设置有激光发生器，所述的激光发生器发生的激光的光路穿过激光束作用区。

所述的环形电子枪进样装置中的电子枪为环形电子枪，进样装置为超声分子束注入装置，所述的超声分子束注入装置，超声分子束注入装置的喷射口设置在环形电子枪的中央位置。

所述的激光发生器发生的激光穿过光路通道，所述的激光束作用区设置在光路通道内，所述的光路通道的两端分别设置有前石英窗片和后石英窗片。

所述的离子透镜组由电极板e1、e2、e3、e4组成，电极板e1、e2、e3相邻之间距离相等，所述的激光束作用区设置在电极板e3、e4之间，电极板e1、e2、e3、e4均为中间开有圆孔的电极板，所述的电极板e1、e2、e3与激光束作用区之间的距离依次递减，所述的电极板e1、e2、e3上均施加负电压，所述的电极板e4上均施加正电压，且电极板e1、e2、e3上的电压依次增大，所述的离子速度成像飞行管的内部设置有离子飞行管壁e7，离子飞行管壁e7上施加的电压与e1相同。

电子透镜组由电极板e3、e4、e5、e6组成，电极板e4、e5、e6相邻之间距离相等，所述的激光束作用区设置在电极板e3、e4之间，电极板e3、e4、e5、e6均为中间开有圆孔的电极板，所述的电极板e4、e5、e6与激光束作用区之间的距离依次递增，所述的电极板e4、e5、e6上均施加正电压，所述的电极板e4上均施加负电压，且电极板e4、e5、e6上的电压依次增大，所述的电子速度成像飞行管的内部设置有电子飞行管壁e8，离子飞行管壁e8上施加的电压与e6相同。

中性自由基碎片透镜组由电极板e9、e10、e11、e12组成，电极板e10、e11、e12相邻之间距离相等，所述的激光束作用区设置在电极板e9、e10之间，电极板e9、e10、e11、e12均为中间开有圆孔的电极板，所述的电极板e10、e11、e12与激光束作用区之间的距离依次递增，所述的电极板e9、e10、e11上均施加负电压，所述的电极板e12接地，且电极板e9、e10、e11上的电压依次增大，所述的中性自由基碎片速度成像飞行管的内部设置有电子飞行管壁e13，离子飞行管壁e13接地。

所述的离子速度成像飞行管、电子速度成像飞行管和中性自由基碎片速度成像飞行管外壁均接地。

所述的离子速度成像飞行管侧壁外接第一真空分子泵和第四真空分子泵，所述的电子速度成像飞行管侧壁外接第二真空分子泵和第三真空分子泵，所述的离子速度成像飞行管、电子速度成像飞行管和中性自由基碎片速度成像飞行管相互连通。

本发明探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪的有益效果是：实现了同时测量光与物质作用后产生的离子、电子和中性自由基碎片粒子的速度分布，其中，当光与物质作用后通过施加设计电压的电子透镜组和离子透镜组，将带电的离子和电子分离，通过多个施加不同电压电极板形成的离子透镜作用，将不同动能、不同质量的电子和离子在装置两端成像，进而得到光电子以及光离子的动能分布和角度分布信息，这些信息在深入研究光与物质作用机理非常重要。当电子和离子分离完毕后通过电子枪发射电子束，将电子束打在剩余的中性碎片上，使其带负电，由于电子枪发射的是电子束，质量相较于中性粒子来说非常小，不会影响中性粒子原来的速度，带负电的中性自由基碎片通过中性自由基碎片透镜组，最终在装置端部成像，可以得到中性碎片产生时的动能分布和角度分布。

附图说明

图1为本发明探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪的左视图。

图2为本发明探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪的主视图。

图3为本发明探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪的电极板结构位置示意图。

图4为本发明探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪电子、离子真空飞行管模拟图。

图5为本发明探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪中性碎片真空飞行管模拟图。

图6为本发明探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪电子、离子飞行管电势能分布效果图。

图7为本发明探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪中性碎片飞行管电势能分布效果图。

附图标记：1、环形电子枪进样装置；2、聚焦透镜；3、进样小孔；4、激光束作用区；5、离子透镜组；6、电子透镜组；7、中性自由基碎片透镜组；8、离子速度探测器；9、电子速度探测器；10、中性自由基碎片速度探测器；11、离子速度成像飞行管；12、电子速度成像飞行管；13、中性自由基碎片速度成像飞行管；14、离子速度成像ccd探测器；15、电子速度成像ccd探测器；16、中性自由基碎片速度成像ccd探测器；17、第一真空分子泵；18、第二真空分子泵；19、第三真空分子泵；20、第四真空分子泵；21、主腔体；22、激光发生器；23、前石英窗片；24、光路通道；25、后石英窗片。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，探测电子、离子和中性自由基的三极速度成像仪，其特征在于：包括主腔体21、中性自由基碎片速度成像飞行管13、离子速度成像飞行管11、电子速度成像飞行管12、激光发生器22和光路通道24；

所述的主腔体21一端镶嵌有环形电子枪进样装置1，另一端设置有中性自由基碎片速度成像飞行管13，所述的主腔体21内设置有激光束作用区4，所述的环形电子枪进样装置1和激光束作用区4之间设置有进样小孔3，所述的环形电子枪进样装置1和进样小孔3之间设置有电子透镜2，环形电子枪进样装置1、电子透镜2和进样小孔3同轴，所述的环形电子枪进样装置1包括电子枪和进样装置；

所述的中性自由基碎片速度成像飞行管13靠近激光束作用区4一端内部设置有中性自由基碎片透镜组7，所述的中性自由基碎片速度成像飞行管13远离激光束作用区4一端内依次设置有中性自由基碎片速度的微通道板探测器10和中性自由基碎片速度成像ccd探测器16；

所述的激光束作用区4的两侧分别设置有离子速度成像飞行管11和电子速度成像飞行管12，所述的离子速度成像飞行管11靠近激光束作用区4一端内部设置有离子透镜组5，所述的离子速度成像飞行管11远离激光束作用区4一端内依次设置有离子速度探测器8和离子速度成像ccd探测器14；所述的电子速度成像飞行管12靠近激光束作用区4一端内部设置有电子透镜组6，所述的电子速度成像飞行管12远离激光束作用区4一端内依次设置有电子速度探测器9和电子速度成像ccd探测器15；所述的离子速度成像飞行管11和电子速度成像飞行管12的侧壁均与真空分子泵连接；

所述的激光束作用区4外侧设置有激光发生器22，所述的激光发生器22发生的激光的光路穿过激光束作用区4。

本实施例中，离子速度探测器8、电子速度探测器9、中性自由基碎片速度探测器10均为mcp探测器，离子、电子以及中性自由基碎片在mcp探测器产生荧光被对应的ccd探测器捕获并成像，成像可以得到离子产生时的动能分布和角度分布。

本实施例中，环形电子枪进样装置1中的电子枪为环形电子枪，进样装置为超声分子束注入装置，所述的超声分子束注入装置，超声分子束注入装置的喷射口设置在环形电子枪的中央位置。

超声分子束注入装置将原子束或分子束源射入激光束作用区4，激光束与原子、分子束在激光束作用区4内相互交叉发生作用，能够把束中的原子或分子激发到特定的受激态。

如图2所示，激光发生器22发生的激光穿过光路通道24，所述的激光束作用区4设置在光路通道24内，所述的光路通道24的两端分别设置有前石英窗片23和后石英窗片25。

光路通道24的设置保证了设备的一体性，为实现作用区域的真空环境提供了基础。激光发生器22为可调谐激光器。

如图3所示，电子、离子加速电极区共有10块开环带电极板，和2块飞行管，其中e1、e2、e3、e4作用于带正电离子；e3、e4、e5、e6作用于电子，e7、e8为飞行管壁。

其中，离子透镜组5由电极板e1、e2、e3、e4组成，电极板e1、e2、e3相邻之间距离相等，所述的激光束作用区4设置在电极板e3、e4之间，电极板e1、e2、e3、e4均为中间开有圆孔的电极板，所述的电极板e1、e2、e3与激光束作用区4之间的距离依次递减，所述的电极板e1、e2、e3上均施加负电压，所述的电极板e4上均施加正电压，且电极板e1、e2、e3上的电压依次增大，所述的离子速度成像飞行管11的内部设置有离子飞行管壁e7，离子飞行管壁e7上施加的电压与e1相同。

电子透镜组6由电极板e3、e4、e5、e6组成，电极板e4、e5、e6相邻之间距离相等，所述的激光束作用区4设置在电极板e3、e4之间，电极板e3、e4、e5、e6均为中间开有圆孔的电极板，所述的电极板e4、e5、e6与激光束作用区4之间的距离依次递增，所述的电极板e4、e5、e6上均施加正电压，所述的电极板e4上均施加负电压，且电极板e4、e5、e6上的电压依次增大，所述的电子速度成像飞行管12的内部设置有电子飞行管壁e8，离子飞行管壁e8上施加的电压与e6相同。

本实施例中，电子、离子飞行管e7和e8的整体长度均为2000mm，6块极板e1、e2、e3、e4、e5、e6均为开圆孔的圆形极板，厚度为3mm，这六块极板相邻之间的距离为60mm；设计电压为e1为-3000v，e2为-1500v，e3为-315v，e4为175v，e5为1500v，e6为3000v，e7、e8分别带-3000v和3000v，在施加设计电压后，电子、离子在电场作用下各自进入二者的飞行管，在mcp探测器上产生荧光被ccd捕获并成像。

如图3所示，中性自由基碎片加速电极区共有4块开环带电极板，和1块飞行管，其中e9、e10、e11、e12作用于中性自由基碎片，e13为飞行管壁。

中性自由基碎片透镜组7由电极板e9、e10、e11、e12组成，电极板e10、e11、e12相邻之间距离相等，所述的激光束作用区4设置在电极板e9、e10之间，电极板e9、e10、e11、e12均为中间开有圆孔的电极板，所述的电极板e10、e11、e12与激光束作用区4之间的距离依次递增，所述的电极板e9、e10、e11上均施加负电压，所述的电极板e12接地，且电极板e9、e10、e11上的电压依次增大，所述的中性自由基碎片速度成像飞行管13的内部设置有电子飞行管壁e13，离子飞行管壁e13接地。

本实施例中，中性碎片飞行管e13整体长度为800mm，4块电极板e9、e10、e11、e12均为开圆孔的圆形极板，厚度为3mm，前三块极板相邻之间的距离为60mm，第三块极板和第四块极板间距离为80mm。设计电压为e9为-2000v，e10为-1500v，e11为-590v，e12、e13均接地，中性自由基碎片在中性自由基碎片透镜组7的作用下飞入e13，在mcp探测器上产生荧光被ccd捕获并成像。

本实施例中，当电子、离子在电场作用下各自进入二者的飞行管并实现成像后，将e1-e6电极板和飞行管e7、e8的电压降为0，并给作用于中性自由基碎片的电极板e9、e10、e11、e12加电压，环形电子枪发射电子束，通过电子透镜2打在剩余的中性碎片上，使其带负电，由于电子枪发射的是电子束，质量相较于中性粒子来说非常小，不会影响中性粒子原来的速度。

本实施例中，离子速度成像飞行管11、电子速度成像飞行管12和中性自由基碎片速度成像飞行管13外壁均接地。

本实施例中，离子速度成像飞行管11侧壁外接第一真空分子泵17和第四真空分子泵20，所述的电子速度成像飞行管12侧壁外接第二真空分子泵18和第三真空分子泵19，所述的离子速度成像飞行管11、电子速度成像飞行管12和中性自由基碎片速度成像飞行管13相互连通。

如图6所示，离子透镜组5、电子透镜组6共同形成的电势能分布图，能够直观看出电势能对不同速度和质量的电子或离子形成能够实现聚焦效应。

如图7所示，中性自由基碎片透镜组7形成的电势能分布图，同样能够对带负电的中性自由基碎片造成影响，将不同速度的中性自由基碎片实现分离，将相同速度的中性自由基碎片实现聚焦。

如图4所示，通过模拟仿真，待测物质经过进样口，在激光作用区激光的作用下产生3组电子，3组带电正离子，它们分别处于y轴方向0点和正负20mm处的位置，离子速度分别为0ev和3ev，飞行方向为两组y轴正方向，x轴方向和y轴负方向，在离子透镜组5、电子透镜组6的共同作用下，对所有处在不同位置而具有相同速度的电子、离子实现聚焦。

如图5所示，通过模拟仿真，3组中性粒子在环形电子枪作用后使得其带负电，它们分别处于y轴方向0点和正负20mm处的位置，带负电的中性自由基碎片的速度分别为0ev和3ev，飞行方向为两组y轴正方向，x轴方向和y轴负方向，在中性自由基碎片透镜组7作用下，对所有处在不同位置而具有相同速度的中性自由基碎片实现聚焦。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。