一种基于静电储存环的深能级光电子能谱研究装置

1.本发明属于光电子能谱的技术领域，具体涉及一种基于静电储存环的深能级光电子能谱研究装置。


背景技术：

2.团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合组成的相对稳定的聚集体,其物理和化学性质随所含原子数目的变化而变化.团簇的空间尺度是1nm至几十nm的范围,用无机分子来描述显得太大,用小块固体描述又显得太小。它的许多性质既不同于单个原子分子,又不同于固体和液体,也不能用两者性质作简单线性外延和内插来得到。因此,人们把团簇看成介于原子分子与宏观块体之间的物质结构的新层次,是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态。
3.近十年来，团簇物理学的研究进展主要集中在确定尺寸依赖的金属和半导体团簇的几何结构上，其采用的主要研究方法有光电子能谱、红外谱、电子散射以及新近发展起来的x射线散射谱等。多数情况下，人们是将这些研究方法与密度泛函方法(density functional theory,dft)计算相结合，这样不仅能够有效地解析这些团簇体系的几何结构，还能够获得其相应的电子结构的细节。尤其是当dft与光电子能谱结合时，理论上讲能够同时从dft的计算结果中提取所研究体系的几何和电子结构。然而，实际工作中由于计算量巨大以及dft在复杂电子轨道处理方面的困难，上述方法仅对碱金属和贵金属团簇有效，而对于重元素或含半满d壳元素的团簇的研究仍然相当困难，尤其是由f开壳元素组成的团簇。另一方面对于团簇性质(如磁性和反应性)的研究，过去人们通常采用传统的stern-gerlach方法，近几年开始采用x射线谱(x-ray circular dichroism spectroscopy)对自由团簇的磁性进行了大量的研究，但是计算结果的可靠性很难保证，尤其是对于原子数目大于20的团簇。因此，我们需要更多高精度谱的实验数据的支撑，以便进一步发展和检验高阶的理论方法，从而有效地推动团簇物理学的发展。
4.团簇气相和团簇沉积的化学反应研究，大多数是关于反应速率的测量，也有一些是关于采用光电子能谱和红外谱研究反应的中间体(这里的中间体是指团簇和生成物分开的状态)。大多数这样的研究很大程度上是利用dft计算来进行的，而绝大多数的催化活性物质是过渡金属元素及其化合物(例如过渡金属氧化物)，如果能够从实验上实时观测(测量)团簇化学反应的微观动力学过程，将对真正理解团簇的化学反应性质起到关键的作用，使用飞秒激光对团簇进行的泵浦-探测超快动力学测量则是近二十年来发展起的解决上述问题的最重要的手段，但是到目前为止仅有几例关于非常小尺寸的团簇系统的研究报道，造成这一局面的根本原因主要是实验装置的架构上存在诸多技术上的困难。所以说即便是对于分子的超快动力学研究已经发展了几十年，但是对团簇超快动力学的研究也仅是处于刚起步的阶段，目前只有少数的几个激发和退激的通道在实验中得到明确，这主要是因为大多数团簇有别于普通的泵浦-探测实验所广泛研究的小分子，当使用标准ti:sapphire飞秒激光的低阶倍频(400nm和266nm)时，由于低光子能量激发能谱时，团簇光电子发射中所
伴随密集的退激过程会使得金属团簇的光电子发射通道被阻塞。
5.角分辨的光电子能谱是近些年才兴起，但已经被广泛应用于测量微观体系电子结构。含有被研究目标系统电子角动量信息的角分辨的光电子能谱可以给出团簇中电子波函数的部分特征。如果利用飞秒激光来做泵浦-探测的实验测量，光电子能谱可以直接反映出团簇中的超快过程，比如团簇中电子的激发和退激过程，甚至相关的化学反应过程。作为角分辨光电子能谱的一个典型类别，动量谱仪型(velocity map imaging,vmi)光电子能谱仪其具有结构简单、精度高以及光电子产生区域大等特点，且相比于传统的飞行时间型的光电子能谱仪(比如磁瓶式光电子能谱仪)，vmi本身的光电子能谱是通过测量其光电子探测器上光电子信号落点同中心的空间距离来实现的，可以实现信号连续测量累加，因此特别适合于自由团簇和分子的研究并被广泛的使用。使用该类谱仪不仅能够测量电子波函数的基本特征，还能够用来研究电子发射过程中的自相干性。但是由于受限于激光光子的能量，迄今为止使用该方法仅实现了少数几个金属和半导体团簇体系的研究。
6.所以使用更高的光子能量开展团簇微观动力学的研究将具有极大的优势，但是要产生这样大的激光光子能量，一般要求使用自由电子激光(fres electron lasers，fels)或者由飞秒激光作为泵浦光同非线性光学介质作用所产生的高阶倍频(high harmonic generation，hhg)激光)激发光作为光源。虽然fels能够产生大通量高能量的激光，是很多实验理想的光源，但是其价格极其昂贵，且单个实验的光源使用时间非常有限，很难满足团簇研究中对尺寸和温度依赖性的的研究的大周期实验的要求。另一方面，hhg原则上是桌面型仪器，相较fels具有占用空间小，造价较低的优点，但是其输出的光通量极其微弱，如果直接用作传统的脉冲运行的光电子能谱仪(20-100hz)，其信号发生率太低，几乎无法实现对光电子能谱的有效测量。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种基于静电储存环的深能级光电子能谱研究装置，能够在hhg飞秒激光平台下完成尺寸选择，精密温控的团簇光电子能谱全谱测量。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种基于静电储存环的深能级光电子能谱研究装置，包括磁控溅射源，用于提供高流强、温度可控的金属/半导体团簇离子束流；四极杆质量选择器，用于对磁控溅射源出射的团簇离子束流进行质量筛选；低温离子阱，用于对经四极杆质量选择器筛选质量的团簇离子束流进行温度控制；束流光学整形段，用于对低温离子阱中出射的一定质量和温度的团簇离子束流进行加速和整形，并注入至静电储存环中；静电储存环，用于约束束流做环形运动的同时成数量级地提高其束流强度；电场补偿式速度影像光电子能谱仪，通过补偿电极使得光电子能谱的测量不影响束流的环形运动。
10.优选的，所述磁控溅射源的真空环境为10-6
pa，所述四极杆质量选择器的真空环境为10-6
pa，所述低温离子阱所在的方腔为10-6
pa，所述束流光学整形段的真空环境为10-7
pa，所述静电储存环的真空腔室为10-9
pa。
11.优选的，所述磁控溅射源为源出口光阑与轴线具有15
°
偏角，用于分离带电离子与中性粒子。
12.优选的，所述述四极杆质量选择器设置有离子导引和质量筛选，所述离子导引设置有不锈钢电极片用于提取束流，所述质量筛选设置有前后导杆和质量分析杆。
13.优选的，所述低温离子阱设置有注入段、温控段及引出段，所述注入段包括依次设置的一组静电聚焦透镜、一组静电偏转透镜、一组静电聚焦透镜及一组静电四级偏转透镜，用于对所述四极杆质量选择器中出射的团簇离子束流进行加速和整形后并注入至温控段；所述温控段包括四极杆和端盖电极，所述四极杆用于对团簇离子束流进行径向运动限制，所述端盖电极用于对团簇离子束流存在轴向运动限制；所述引出段包括加速透镜组和端盖电极，用于存储团簇离子束流的快速引出来，控制团簇离子束团的引出动能分布及空间分布。
14.优选的，所述静电储存环的真空腔室为不锈钢方形腔。
15.优选的，所述静电储存环包括四级真空串抽技术。
16.优选的，所述静电储存环的内部元件分布为正方形结构，用于约束团簇离子束流进行周期性运动。
17.优选的，所述静电储存环设置有四个微通道探测器，分别用于探测各方向注入的束流强度。
18.优选的，所述垂直方向电场补偿式速度影像光电子能谱仪，用于进行角分辨激光光电子能谱的测量。电离激光与团簇离子作用后产生光电子的通过补偿电极施加的推斥力将光电子引导至光电子能谱区，垂直方向安装的补偿电极也使得光电子能谱的测量不影响束流的环形运动。本发明的有益效果在于，本发明通过静电型离子储存环的使用来成数量级地提高靶团的强度的同时，实现低温离子阱和vmi的电离激光系统运行频率解耦合，从而实现在保证对被研究离子有效控温的前提下，充分发挥激光高重频甚至于连续运行，进而使得该装置能够使用飞秒激光泵浦的hhg这样相对较弱的vuv光源代替ffls光源，来实现团簇深能级全谱的测量。实现对于过渡金属团簇全电子组态结构的研究，角分辨光电子能谱作为一种研究团簇结构有力的工具在vuv区完成测量，将会首次揭示类金属团簇完整的价带结构及随着尺寸的演化。实现过渡金属化学反应过程的时间分辨的测量，利用高能光子使得同时探测团簇阳离子和阴离子，因此可以直接研究团簇的荷电状态对化学反应的影响。利用飞秒-泵浦探测光谱，通过高能量的光子的使用可以同时探测价电子和浅层原子实电子激发态的动力学的过程，进而可以研究浅层原子实对化学反应的贡献。本发明将静电储存环与vmi结合了起来，并利用飞秒激光、hhg技术和实验室中桌面型的设备来实现对团簇及分子中深能级电子结构的系统测量。
附图说明
19.下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
20.图1为本发明的整体设计布局图。
21.图2为本发明的真空系统设计布局示意图。
22.图3为本发明的电子光学系统中的平行注入模式。
23.图4为本发明的电子光学系统中的垂直注入模式。
24.图5为本发明一实例中束流传输及质量筛选单元的电子光学元件布局示意图。
25.图6为本发明一实例中平行模式下束流控温单元的电子光学元件布局示意图。
26.图7为本发明一实例中垂直模式下束流控温单元的电子光学元件布局示意图。
27.图8为本发明一实例中平行模式下直线束流传输与导引单元的电子光学元件布局示意图。
28.图9为本发明一实例中垂直模式下直线束流传输与导引单元的电子光学元件布局示意图。
29.图10为本发明一实例中垂束流储存及光电子能谱单元的电子光学元件布局示意图。
30.其中，附图标记说明如下：
31.1-磁控溅射源；
32.2-四极杆质量选择器；
33.3-低温离子阱；
34.4.1-束流整形；4.2-束流整形；
35.5-差分泵浦腔；
36.6.1-90
°
偏转器；6.2-90
°
偏转器；6.3-90
°
偏转器；6.4-90
°
偏转器；
37.7.1-微通道板探测器；7.2-微通道板探测器；7.3-微通道板探测器；7.4-微通道板探测器；
38.8-vmi；
39.9.1-飞秒激光系统；9.2-hhg单元。
40.a-预抽前级真空单元；b-超高真空单元；c-分子泵串抽单元；d-极高真空单元；p1-600m3/s大抽速罗茨泵；p2-2200l/s半磁旋浮分子泵；
41.p3-1200l/s磁旋浮分子泵；p4-1200l/s磁旋浮分子泵；
42.p5-1200l/s半磁旋浮分子泵；p6-700l/s半磁旋浮分子泵；
43.p7-300l/s磁旋浮分子泵；p8-300l/s磁旋浮分子泵；p9-300l/s磁旋浮分子泵；p10-300l/s磁旋浮分子泵；p11-2200l/s半磁旋浮分子泵；p12-2200l/s半磁旋浮分子泵；p13-2000l/s复合型吸附离子泵；v1-cf100插板阀；v2-cf63插板阀。
44.e-束流传输及质量筛选单元；f-束流控温单元；g-直线束流整形及导引单元；
45.h-束流储存及光电子能谱单元；f1-低温离子阱的支撑法兰；
46.f2-低温离子阱所在方腔与后端腔体连接处法兰。
具体实施方式
47.如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
48.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术
语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.以下结合附图1～10对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
51.基于静电储存环的深能级光电子能谱研究装置，包括磁控溅射源1，用于提供高流强、温度可控的金属/半导体团簇离子束流；四极杆质量选择器2，用于对磁控溅射源1出射的团簇离子束流进行质量筛选；低温离子阱3，用于对经四极杆质量选择器2筛选质量的团簇离子束流进行温度控制；束流光学整形段4，用于对低温离子阱3中出射的一定质量和温度的团簇离子束流进行加速和整形，并注入至静电储存环中；静电储存环6，用于约束束流做环形运动的同时成数量级地提高其束流强度；垂直分布电场补偿式速度影像光电子能谱仪8，进行角分辨激光光电子能谱的测量并通过垂直方向安装的补偿电极使得光电子能谱的测量不影响束流的环形运动。具体的，本发明包括磁控溅射源1、四极杆质量选择器2、低温离子阱3、束流光学整形4、静电型离子储存环6、垂直分布电场补偿式速度影像光电子能谱仪8，其中磁控溅射源1，作为主要的团簇源，具有流强大，可控温度区间77k至198k及产生团簇种类繁多的优点。团簇从源中产生后会有相当大的尺寸分布，通过一个高透过率、大质量范围的四极杆质量选择器2进行质量选择后进入低温射频离子阱，在阱内团簇被冷却到大约5k，从而保证了后端高精度谱的测量对温度的要求。同时，还可以有效控制团簇温度在5k到300k之间任意变化，进而实现变温谱测量和相变研究的目的。团簇从离子阱中引出之后会被注入并储存在一个小型桌面化的静电型离子储存环中，通过反复注入，在环中可以把经过质量选择后具有单一质量和温度可控的团簇积累到很高的束流强度，再将极紫外电离激光运行在极高频率下，从而提高光电子能谱强度。
52.在一些实施例，该装置按照系统功能来分，可以分为真空系统、电子光学系统。真空系统由真空获取及真空差分组成，其中真空获取按真空度分为预抽前级真空单元a、超高真空单元b、分子泵串抽单元c和极高真空单元d四部分，其中预抽前级真空单元a为10-1
pa的粗真空度，超高真空单元b为磁控溅射源1、四极杆质量选择器2、低温离子阱3及直线束流传输与导引束流光学单元提供超高真空使用环境。真空度分别为10-6
pa，10-6
pa，10-7
pa，10-7
pa。分子泵串抽单元c为极高真空单元d提高高真空预抽环境10-5
pa，极高真空单元d为静电储存环提供极高真空使用环境，通过差级真空获取系统及分子泵串抽技术在储存环腔体，实现2
×
10-9
pa的极高真空度。电子光学系统分为束流传输及质量筛选单元e，束流控温单元f，直线束流整形及导引单元g，束流储存及光电子能谱单元h。
53.束流传输及质量筛选单元e为将磁控溅射源1中产生的团簇束流导引至四极杆质量选择器2中并进行质量筛选。出口光阑作为第一级引出镜，离子导杆及端镜为第二级引出透镜，四极杆质量选择器2前透镜与后透镜为第三级引出透镜，通过调节磁控溅射源1的溅射功率p和he/ar流量及靶出口距离l，以及光阑开口d，离子导杆的rf频率及幅值，引出场梯度，四极杆质量选择器2rf及dc幅值等束流调节参数，可以调整产生团簇粒子的质量分间及强度和进行精密质量筛选。
54.在根据本发明的基于静电储存环的深能级光电子能谱研究装置中，磁控溅射源1的真空环境为10-6
pa，四极杆质量选择器2的真空环境为10-6
pa，低温离子阱3所在的方腔为
map imaging,vmi)光电子能谱仪其具有结构简单、精度高以及光电子产生区域大等特点，且相比于传统的飞行时间型的光电子能谱仪(比如磁瓶式光电子能谱仪)，vmi本身的光电子能谱是通过测量其光电子探测器上光电子信号落点同中心的空间距离来实现的，可以实现信号连续测量累加，通过静电储存环与vmi的有机结合来实现使用低通量hhg激光达到自由电子激光的能够测量团簇深能级高精度光电子能谱的目的。其中静电储存环内部元件分布为正方形结构，包括四组90
°
偏转器用于束流储存和四组微通道探测器用于束流强度探测，每组偏转器由90
°
静电四极偏转透镜和静电聚焦透镜组成，调整90
°
静电四极偏转透镜和静电聚焦透镜间的电位关系，可以实现束流在储存环中的稳定存储(秒量级)。四组探测器分别用于探测注入储存环的束流强度及环绕运动过程中运动方向的束流强度，当测量环绕束流强度达到8na以上时，vmi的电离激光开始以极高频率工作，再通过vmi上方的mcp对信号进行基于时间的累加，最终得到高强度深能级光电子能谱。
61.在根据本发明的基于静电储存环的深能级光电子能谱研究装置中，静电储存环的真空腔室为不锈钢方形腔。真空腔室为长1米，宽1米，高0.35米的316ln不锈钢方形腔，包括四级真空串抽技术实现2
×
10-9
pa的极高真空度，第一级为前级真空管道，达到真空度为2
×
10-1
pa；第二级为前级分子泵，达到真空度为2
×
10-5
pa；第三级为主分子泵组，达到真空度为2
×
10-8
pa；第四级为复合型吸附离子泵，达到真空度为2
×
10-9
pa。
62.基于四极杆质量选择器2，低温离子阱3及束流光学整形后形成的单一质量，精确温度且束流长度小于450mm，束斑小于8mm，束流动能为5kev左右的团簇束流注入至储存环中，调节储存环中4
×
90
°
偏转器的电位使得束流稳定储存，通过反复注入使其内部储存的团簇离子束流达到准连续的运动状态，使得光电子能谱电离激光可以在很高的频率下运行，从而大大提高光电子能谱的测量效率，解耦了传统自由离子低温光电子能谱中电离激光运行频率和团簇产生、控温、传输之间的频率依赖关系。
63.垂直分布电场补偿式速度影像光电子能谱仪(vmi)通过设置补偿电场减小vmi的存在对存储束流运动的影响，而且vmi本身的光电子能谱是通过测量其光电子探测器上光电子信号落点同中心的空间距离来实现的，可以实现信号连续测量累加，设计成垂直式是将束流储存和光电子能谱的测量进行有机结合。
64.参见图1所示，磁控溅射源1中产生的团簇离子通过离子导轨导引至四极杆质量选择器2进行质量筛选后通过束流整形及偏转透镜注入低温离子阱3中进行束流控温，经过精密质量筛选及温控的团簇束流经一系列加速及整形4后注入静电储存环6中，其中注入束流的动能在5kev，提高束流刚度，减小束流环绕时空间电荷效应对束流储存时间的影响，注入束流长度小于720mm(90
°
静电偏转器单臂长)，束斑大小压缩至8mm以下，防止边缘电场的影响。静电储存环6中包括90
°
静电偏转器和团簇离子束流形状/强度测量的微通道探测器7分别用于束流偏转储存和束流检测，由于vmi 8测量其光电子探测器上光电子信号落点同中心的空间距离来实现的，可以实现信号连续测量累加，当环绕束流积累到一定强度并接近准连续束流时，将电离激光9运行在极高频率实现通过弱光单脉冲在时间上的积累来满足一些目前只能在高通量光脉冲上完成的测量。
65.参见图2所示，真空系统按使用分为预抽前级真空单元a，超高真空单元b，分子泵串抽单元c和极高真空单元d四部分：如图2连线所示，其中预抽前级真空单元a为后级超高真空及极高真空系统提供初级(粗)真空环境，以减小后级分子泵使用压力，提高其使用寿
命，机械结构包括预抽管道(三段共16m，直径150mm)和1.2m3机械加强高真空缓冲罐，通过600m3/s大抽速罗茨泵p1实现10-1
pa的粗真空度。超高真空单元b为磁控溅射源1，四极杆质量选择器2，低温离子阱3及束流光学整形4提供超高真空使用环境。所有的材料将选择加工性能好且适用于超高真空环境的材料，这里腔体的制作材料主要是选用表面经过断解固溶处理过的316ln不锈钢，法兰和内部支撑材料主要选用表面经过断解固溶处理过的304l不锈钢，腔体加工完成后进行除氢，电解抛光及高温烘烤除气处理。经过72h真空烘烤及检漏后，搭载抽速2200l/s半磁旋浮分子泵p2的磁控溅射源1腔达到10-6
pa的超高真空度，搭载抽速1200l/s磁旋浮分子泵p3的四极杆质量选择器2腔达到10-6
pa的超高真空度，搭载抽速1200l/s磁旋浮分子泵p4的低温离子阱3腔达到10-7
pa的超高真空度，搭载抽速1200l/s半磁旋浮分子泵p5和抽速700l/s半磁旋浮分子泵p6的直线束流传输与导引束流光学段腔达到10-7
pa的超高真空度。分子泵串抽单元c搭载抽速300l/s半磁旋浮分子泵p7为极高真空单元d提供高真空前级10-5
pa，根据差分泵浦及分子泵串抽技术，连续烘烤数周后最终在储存环腔体中实现2
×
10-9
pa的极高真空度以增大气体分子的自由程，进而减少分子间碰撞频率，使得束流在环中更加稳定的储存。真空腔体为1
×1×
0.55m3的大方形腔，由于极高真空使用需求，腔体加工除采用以上超高真空加工技术要求外，还需特别注意焊缝的数目及处理和真空密封方式，除此之外还有一个差分泵浦腔5和两个小型的探测器腔，共搭载两台抽速2200l/s半磁旋浮分子泵p11,p12作为主分子泵，三台300l/s半磁旋浮分子泵p8,p9,p10作为附分子泵实现2
×
10-8
pa的超高真空，搭载一台抽速2000l/s的复合型离子泵p13实现2
×
10-9
pa的极高真空。
66.除了以上真空获取单元外，真空系统还由差分系统构成，其中1与2间有直径5mm，长3mm的差分孔，2与3间有直径10mm，长5mm差分孔，3与4间有cf100插板阀v1及直径10mm，长5mm差分孔，4与5间有cf63插板阀v2及直径10mm，长5mm差分孔，5与6间有直径10mm，长5mm差分孔。
67.参见图3和图4所示，基于wiley-mclaren透镜的束流注入设计两种工作模式，图3为平行模式，由静电四极偏转透镜将经质量选择后的团簇束流经90度偏转至低温离子阱3，阱中出射束流再延轴线方向注入至双级脉冲场；图4为垂直模式，经质量选择后的团簇束流直接注入到低温离子阱3中，阱中出射束流再延垂直轴线方向注入至脉冲场中心。对比两种模式：平行模式方便质量选择后的束流探测，以及由于wiley-mclaren透镜轴向接收度大，所以流强大；垂直模式应用于高分辨模式，由于阱中出射束流在轴线方向能散很小，且空间分布小，但流强偏低。
68.在不更换腔体的情况下切换两种模式的方式如下：
69.结合图3和图4，两种模式的切换是通过调整两个偏心法兰即低温离子阱3的支撑法兰f1和低温离子阱3所在方腔与后端腔体连接处法兰f2的朝向，如下：f1外法兰尺寸为直径16英寸，内法兰尺寸为直径10英寸，上下偏心59mm，左右偏心33.75mm；f2外法兰尺寸为直径16英寸，内法兰尺寸为直径10英寸，上下同心，左右偏心30mm。当为平行模式时调整f1偏心靠右33.75mm上59mm，f2偏心靠右30mm，切换为垂直模式时只需将f1和f2各顺时针转180
°
。
70.结合图3和图4，本发明涉及的电子光学系统分为束流传输及质量筛选单元e，束流控温单元f，直线束流整形及导引单元g，束流储存及光电子能谱单元h。
71.参见图5所示，束流传输及质量筛选单元e为将磁控溅射源1中产生的团簇束流导引至四极杆质量选择器2中并进行质量筛选。磁控溅射源1出口光阑为第一级引出电极，并与四极杆离子导轨的端镜配合将团簇束流导引至离子导轨。其中光阑直径可在1.5-23mm范围调节，为倾斜15
°
，为了过滤磁控溅射源1中产生的中性粒子，以防止中性粒子对带电团簇离子传输的影响；离子导轨由直径r0＝10mm，长l＝132mm不锈钢杆，根据r0/r＝1.1487构成的自制离子导轨，端镜为外径35mm，内径5mm，厚1.5mm的电极片位于杆前端85mm处。
72.参见图6和图7所示，图6和图7分别为平行模式及垂直模式下的束流控温单元f，其分为注入段，温控段和引出段。
73.图6中注入段，依次由静电聚焦透镜1，差分电极，静电偏转透镜1，静电聚焦透镜2及静电四极偏转透镜组成，用于对四极杆质量选择器2中出射的团簇离子束流进行加速和整形后并注入至温控段。其中静电聚焦透镜1由三个电极组成，两端电极形状相同，两边为外檐外径58mm，厚3mm，中间为内管外径44mm，整体内径40mm长度26mm；中间透镜形状为两边为外檐外径58mm，厚3mm，中间为内管外径44mm，整体内径40mm长度45mm，设计外檐用于边缘电场屏蔽，每个电极间距离为3mm。差分电极外径58mm，厚3mm，中间孔径10mm，用于四极杆腔与低温离子阱3方腔间真空差分泵浦及束流导引。静电偏转透镜1由四个半月型电极构成，每两个电极组成一对单方向(x或y)的偏转电极，间隙20mm，每对电极间隙2mm。静电聚焦透镜2为屏蔽式飞行管结构，整体外径58mm，中间聚焦电极厚度为26mm，两端长度为90mm，电极屏蔽采用“l”型扣檐，作用是对静电聚焦透镜1的聚焦效果进行补偿，以满足束流进入bender的条件。静电四极偏转透镜由一组90
°
偏转电极及四组聚焦电极片组成，偏转电极为外径28mm，长40mm的圆棒以相互垂直的两条中心线切割四瓣后拼接成边长38mm的正方形结构，聚焦电极片由三个长38mm，宽50mm，厚1.5mm，中心孔径6mm的电极片组成，电极片间距1mm。法拉第筒用于对源线上导引至静电四极偏转透镜的束流进行检测，四极杆束流探测器用于探测质量选择后的团簇离子强度，将90
°
偏转电极的电位置反，束流便可导引至温控段。
74.温控段由四极杆，端盖电极组成，杆直径8mm，长154mm，四极杆对团簇离子束流进行径向运动限制，端盖电极均为外径36mm，内孔6mm，厚1.5mm，对团簇离子束流存在轴向运动限制，被储存的团簇离子与冷头降温后的氦原子碰撞来实现4至300
±
1k的温度控制。
75.引出段由加速透镜组和端盖电极组成，用于存储团簇离子束流的快速引出来控制团簇离子束团的引出动能分布及空间分布，其中加速透镜组由两组19片外径36mm，内径6-24mm非均匀梯度增加的2mm厚电极片组成，每组间接相同电位，两组接相反电位，实现可控0
‑±
200v分布的均匀梯度电场。
76.图7中注入段，依次由静电聚焦透镜1，差分电极，静电偏转透镜1组成，温控段及引出段与平行模式相同。
77.参见图8和图9所示，图8和图9分别为平行模式及垂直模式下的直线束流传输与导引单元g，其分为团簇离子束团长度控制段和团簇离子束流动能控制段。
78.图8的团簇离子束团长度和动能控制由wiley-mclaren透镜wm，直流加速透镜组1，静电聚焦透镜3，静电偏转透镜2，长聚焦透镜及静电聚焦透镜5，直流加速透镜组2，参考飞行管，静电聚焦透镜6，静电偏转透镜3，静电聚焦透镜7及静电偏转透镜4构成，低温离子阱3中引出的束流越靠前的粒子动能越小，经过一段较长距离传输后，位置靠后的粒子会超越
前面的粒子，导致束流拉长。设计三级脉冲加减速场和两组直流加速透镜组，在束流加速的同时控制束流长度，其中低温离子阱3中的加速电场作为第一级脉冲加速场，wm作为第二级脉冲加减速场，参考飞行管作为第三级脉冲加速场，其为外径38mm，内径35mm，长450mm飞行管，束流经直流加速后无梯度完全进入参考飞行管后，迅速(～100ns)将其转换为另一电位，由于出口参考为地，束流在参考飞行管出口处加速，直流加速透镜组1由4个外径60mm，内径20mm，厚3.5mm的电极片两两相距5mm通过1mω电阻分压构成的直流加速器，束流经直流加速透镜组1动能提高至200ev左右，直流加速透镜组2由10个外径60mm，内径20mm，厚3.5mm的电极片两两相距5mm通过1mω电阻分压构成的直流加速器，束流经直流加速透镜组1动能提高至2kev左右。静电聚焦透镜3，5，6，7和静电偏转透镜2，3，4用于控制束流的空间形状，便于束流传输，其中静电聚焦透镜3由三个电极组成，前两个电极形状相同，两边为外檐外径58mm，厚3mm，中间为内管外径44mm，整体内径40mm长度16mm；第三个电极形状为两边为外檐外径58mm，厚3mm，中间为内管外径44mm，整体内径40mm长度200mm，每个电极间距离为5mm。静电聚焦透镜5电极形状同静电聚焦透镜2。静电聚焦透镜6由三个电极组成，每个电极形状相同为两边为外檐外径58mm，厚3mm，中间为内管外径44mm，整体内径40mm长度36mm，每个电极间距离为5mm。静电聚焦透镜7整体外径38mm，中间聚焦电极厚度为26mm，两端长度为90mm。静电偏转透镜2，3，4电极形状同静电偏转透镜1，长聚焦透镜为五个外径60mm，内径40mm，长16mm的电极两两相距5mm构成直流加减速场，参考光学反远距物镜设计，加速场聚焦，减速场散焦从而增大其焦距。在距v1和v2的密封挡板两边2mm左右位置分别加了外径80mm内径40mm间隙40mm和外径50mm内径30mm间隙40mm的屏蔽外檐用于屏蔽地对束流电场的影响。最终实现束流经过单元后，动能提高至5kev，束团长度控制在200mm以下，束斑大小控制在8mm以下。
79.图9的团簇离子束团长度控制段依次由wiley-mclaren透镜wm，直流加速透镜组1，静电聚焦透镜3，静电聚焦透镜4，静电偏转透镜2，长聚焦透镜及静电聚焦透镜5构成。静电聚焦透镜4作用为补偿静电聚焦透镜3的聚焦效果，整体外径58mm，中间聚焦电极厚度为26mm，两端长度为160mm。团簇离子束流动能控制段同平行模式。
80.参见图10所示，储存环单元由四组90
°
偏转器1，2，3，4和四组微通道板倍增器1，2，3，4构成，每组偏转器由90
°
静电四极偏转器和静电聚焦透镜组成，其中外径90mm，长150mm圆柱以相互垂直中心线切割四瓣构成边长为120mm的正方形中心，每瓣外包围边长51mm，厚6mm，高160mm，相距7mm的“l”型屏蔽电极，距离屏蔽电极6mm处为边长65mm，厚8mm，高190mm“l”型接地板，以上搭配边长180mm，厚18mm的上下板构成一组静电四极偏转器。静电聚焦透镜由两外径74mm，内径72mm，长20mm的边电极和外径74mm，内径72mm，长120mm的中心电极构成，整体位于内径100mm，100目的屏蔽筛网内，90
°
偏转器用于约束团簇离子束流的周期性运动轨迹，保证其可长时间(秒量级)存储。四组探测器分别由外径60mm，内径27mm，厚2mm的前/后极板(mcp固定)和外径60mm，厚10mm，角度45
°
距离后极板1mm的锥形阳极构成，分别用于探测注入储存环的束流强度及环绕运动过程中运动方向的束流强度。
81.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明
构成任何限制。