用于高能化学反应研究的原子束制备装置及方法与流程

本发明涉及一种用于高能化学反应研究的原子束制备装置及方法，可以提供不同种类，速度更快且连续可调，数密度较强的适用于高能化学反应研究的高能原子束源。

背景技术：

交叉分子束技术是现代物理化学实验中实现量子态分辨的化学反应研究的重要手段。所谓交叉分子束技术，就是将两个原子/分子束源以特定角度在超高真空环境下进行单次碰撞，进而发生弹性/非弹性散射或化学反应过程。为了研究不同反应体系在高碰撞能下的原子-分子化学反应机理，需要在实验室制备出种类不一的高能原子束源，目前实验室制备原子束的常规手段主要有光解、热解、放电等手段。

无论是光解、热解，还是放电，均是将能量传递给母体分子，使得分子中最弱的化学键发生断键，从而产生原子等自由基碎片。其中，热解或放电这类方法是通过与分子束技术相结合来制备出速度分布与强度分布均较为集中的原子束源。具体实施方案是在脉冲阀喷嘴处增加放电模块或加热模块，让从喷嘴出来的高压气体在放电或加热的作用下发生化学键的断裂，之后原子碎片随着气流完成超声射流，即绝热膨胀的过程，最终形成速度分布及强度分布较为集中的原子束源。然而，由于超声射流产生的分子束的速度不能无限增长，其极限速度是固定的，这一极限速度在常温下只取决于气体自身重量，越重的气体其对应的束源极限速度就最小，因此对于同一分子，无法通过热解或放电的方法制备出速度更快的、且兼具可调谐的原子束源。

不同于热解及放电，通过光解制备原子束源的方法是利用线偏振激光将超声分子束中的分子光解离成原子碎片。根据光解过程遵循的能量守恒和动量守恒定律，可以得知所需要原子碎片的平动能，即原子束的速度。原则上可以通过改变激光的波长，即光子能量，就可以获取不同速度的原子束源。然而，光解产物呈球对称分布，若光解产物的角分布不是接近于垂直分布或水平分布的话（若把呈球对称分布的产物类比于地球，那么垂直分布或水平分布的产物就会集中于地球的南北两极或赤道上），产物就会比较弥散，导致制备出来的原子束源强度不够。另一方面，一般制备原子束所用的双原子分子断键所需的光子能量比较高，若要制备用于高能化学反应的原子束，往往需要真空紫外光源来诱导光解反应，才可能制备出高能区域的原子束。然而，这一波段的激光光源并不是一般实验室所具备的，往往需要同步辐射或自由电子激光器这类大型仪器。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种用于高能化学反应研究的原子束制备装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于高能化学反应研究的原子束制备装置，包括真空系统，分子束制备系统，光学系统，束源检测系统和时序控制系统。

真空系统由真空腔和真空泵组成，真空腔分为束源制备腔和束源检测腔，两者独立由真空泵抽真空，真空系统为高能原子束源的制备及检测提供超高真空环境。

分子束制备系统由脉冲阀和锥形反射器、准直器组成，脉冲阀与真空腔外壁通过氟橡胶密封，脉冲阀前端部分采用外循环水冷却，避免激光能量灼伤脉冲阀喷嘴，脉冲阀可将从喷嘴喷入真空腔的高压气体经超声射流而形成分子束，锥形反射器将分子束束缚在狭小空间内，有助于分子束因激光作用而发生裂解并最终形成高能原子，准直器将束源从束源制备腔准直进入束源检测腔，使束源中非共线飞行的分子或原子尽可能束缚在束源制备腔内。

光学系统由激光器和凹面镜组成，光学系统提供用于分子束裂解的能量，将所需激光通过凹面镜聚焦引入分子束制备系统中的锥形反射器。

束源检测系统由斩波器和质谱探测器组成，束源检测系统将进入束源检测腔的束源经斩波器速度选择后，通过质谱探测器电离探测，并记录束源中的原子飞行时间与强度的关系。

时序控制系统为脉冲时序发生器，时序控制系统用于控制脉冲阀、激光器、斩波器转速与质谱探测器的工作频率及起始工作时间。

优选的，所述真空泵为磁悬浮分子泵，其与真空腔通过刀口法兰密封连接，其中束源制备腔配备的是抽速3600升/秒的磁悬浮分子泵，束源探测腔配备的是抽速2200升/秒的磁悬浮分子泵。

所述脉冲阀喷嘴、准直器小孔、斩波器上的长方形狭缝、质谱探测器的离化器中心需要依次共线分布，实现原子束源强度、探测信号的最优化。

所述的脉冲阀、控制斩波器转速的马达、激光器、斩波器及质谱探测器的工作时序及工作频率统一由一台脉冲时序发生器控制。

优选的，激光器为二氧化碳脉冲激光器，其输出波长为10.6微米，每个脉冲能量在~7j。

所述的斩波器为金属材质的圆形薄片，薄片圆周边缘有一个长方形狭缝，薄片中心与马达转轴相衔接，通过时序发生器控制马达的转速及其与脉冲阀起始工作的时间差，使选定速度的原子束源才能通过长方形狭缝，实现速度选择；

利用上述装置进行原子束的制备方法为：

通过脉冲阀喷嘴将高压气体喷入锥形反射器内，处于前端的气体分子在喷嘴附近与激光器输出的激光相互作用，瞬间裂解成原子碎片，由于锥形反射器前端空间狭小，气体发生裂解后形成高压等离子体冲击波，并在后端高压气体的助推下，朝着锥形反射器后端出射口方向迅速出射，期间伴随着正离子与电子的结合及温度与强度的下降过程，最终在出射后的气体中形成高能原子束源，经准直器准直和斩波器选速后进入质谱探测器，检测并确定所制备原子束的速度分布及强度分布。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明可制备速度更快（束源速度不受限于传统分子束技术的极限速度，其速度可提高1个量级及以上）、且速度分布广泛的高能原子束；通过控制斩波器的转速及其与脉冲阀起始工作之间的时间差，可提取不同速度区间的高能原子束，使所制备的束源兼具速度连续可调谐性；且这一发明适用于多种气体分子，通过改变气体种类，使其适用于不同种类、不同能量下的高能化学反应研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1、真空腔，2、真空泵，3、准直器，4、脉冲阀，5、激光器，6、凹面镜，7、锥形反射器，8、斩波器，9、质谱探测器，10、脉冲时序发生器。

具体实施方式

下面结合附图1及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例包括真空系统，分子束制备系统，光学系统，束源检测系统和时序控制系统。

真空系统由真空腔1和真空泵2组成，真空腔分为束源制备腔和束源检测腔，两者独立由真空泵抽真空，真空系统为高能原子束源的制备及检测提供超高真空环境。

分子束制备系统由脉冲阀4和锥形反射器7、准直器3组成，脉冲阀与真空腔外壁通过氟橡胶密封，脉冲阀前端部分采用外循环水冷却，避免激光能量灼伤脉冲阀喷嘴，脉冲阀可将从喷嘴喷入真空腔的高压气体经超声射流后形成分子束，锥形反射器将分子束束缚在狭小空间内，有助于分子束因激光作用而发生裂解并最终形成高能原子，准直器将束源从束源制备腔准直进入束源检测腔，使束源中非共线飞行的分子或原子尽可能束缚在束源制备腔内。

光学系统由激光器5和凹面镜6组成，光学系统提供用于分子束裂解的能量，将所需激光通过凹面镜聚焦引入分子束制备系统中的锥形反射器。

束源检测系统由斩波器8和质谱探测器9组成，束源检测系统将生成的束源经斩波器速度选择后，通过质谱探测器电离探测，并记录束源中的原子飞行时间与强度的关系。

时序控制系统为脉冲时序发生器10，时序控制系统用于控制脉冲阀、激光器、斩波器转速与质谱探测器的工作频率及每个脉冲下的起始工作时间。

利用上述装置进行原子束制备的方法：

通过脉冲阀喷嘴将高压气体喷入锥形反射器内，处于前端的分子在喷嘴附近与激光器输出的激光相互作用，瞬间裂解成原子碎片，由于锥形反射器前端空间狭小，气体发生裂解后形成高压等离子体冲击波，并在后端高压气体的助推下，朝着锥形反射器后端出口方向迅速出射，期间伴随着正离子与电子的结合及温度与强度的下降过程，最终在出射后的气体中形成高能原子束源，经准直器准直和斩波器选速后进入质谱探测器，检测并确定所制备原子束的速度分布及强度分布。

本发明的具体实施操作过程如下：

1、加工真空腔。

2、安装真空泵，准直器，脉冲阀，凹面镜，锥形反射器，斩波器，质谱探测器。

3、利用准直工具（氦氖激光器、望远镜等辅助设备），将脉冲阀喷嘴、锥形反射器进出口、准直器上的小孔、斩波器的长方形狭缝以及质谱探测器的检测口进行准直，将之依次准直到同一条直线上。

4、将激光器输出的脉冲激光引入真空腔，通过调节凹面镜及激光入射方向，将激光最终引入脉冲阀喷嘴前端的锥形反射器内。

4、抽真空，保证真空腔各个腔室的真空度达到10^-8torr量级。

5、将激光器、脉冲阀、斩波器的马达、质谱探测器用时序控制系统统一控制工作频率及时间零点。

6、开启脉冲阀，将高压气体通过喷嘴喷入锥形反射器，形成超声分子束。

7、开启激光器、斩波器及质谱探测器，通过质谱检测原子束的信号。

8、通过微调脉冲阀与激光器之间的工作时间差，脉冲阀的进气量等条件，将原子束信号调至最大值。

9、调节斩波器与脉冲阀之间的工作时间差，获取不同速度区间的高能原子束，并通过质谱探测器测得所提取束源的速度及强度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。