[發(fā)明專利]低電壓弱場加速離子成像式小型光解碎片平動速度譜儀

有效

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• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN107144360B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發(fā)明（設計）人: 朱起鶴;祁文科;程敏;蔣攀;林丹;杜宜奎
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所;中國科學院大學
• 主分類號: G01J7/00
• 分類號: G01J7/00;G01J3/28
• 代理公司: 北京紀凱知識產(chǎn)權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;劉美麗

本發(fā)明涉及一種低電壓弱場加速離子成像式小型光解碎片平動速度譜儀，包括源室、反應室、真空泵、脈沖閥、準直器、光解激光和電離激光、低電壓弱場離子加速和聚焦系統(tǒng)、微通道板、熒光屏、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、時序控制系統(tǒng)和計算機；本申請創(chuàng)新地用弱電場(10～30V/cm)加速離子同時使離子聚焦。離子飛行總距離僅約為12cm。本發(fā)明采用低電壓弱場使得定態(tài)的離子牛頓球的短軸能達到較大的時差，這十分利于隨后的時間切片操作。本申請分辨率等性能優(yōu)于目前通用的大多數(shù)強電場(100～350V/cm)加速，長距離(38～105cm)飛行的離子成像式光解碎片平動能譜儀。本發(fā)明可以為光解動力學的研究提供更精確、更簡便高效的實驗手段。

技術領域

本發(fā)明涉及一種低電壓弱場加速離子成像式小型光解碎片平動速度譜儀，涉及分子反應動力學技術領域。

背景技術

分子反應動力學在原子、分子層次上，研究化學反應中的分子動態(tài)結構、反應過程、反應速率和反應機理。精確測量產(chǎn)物分子的速度在三維空間中的分布(速率分布和角分布)是分子反應動力學的重要研究內(nèi)容，能夠揭示分子化學反應的反應通道、能量分配、產(chǎn)物量子態(tài)分布和反應過渡態(tài)等信息，以深入理解反應機理和調(diào)控化學反應。李遠哲教授因使用交叉分子束實驗方法研究分子碰撞反應動力學獲得諾貝爾化學獎。

分子光解反應又稱半碰撞反應，是重要的單分子反應，又是光化學反應的基礎。在氣體分子光解反應動力學的研究中，測量光解碎片的速度分布(速率分布和角分布)非常重要，能夠得到分子光解的反應通道、能量分配、光解碎片的量子態(tài)分布、反應過渡態(tài)和反應機理。1970年，Wilson等人建成了第一臺分子束-激光光解碎片平動能譜儀(PTS)，檢測一固定方向的光解碎片的速率分布。1981～1985年前后，李遠哲教授實驗室、曼徹斯特大學及中國科學院化學研究所，先后建成分子束方向可改變的光解碎片平動能譜儀。上述光解碎片平動能譜儀可先后測量在不同角度的光解碎片速率分布，如圖1所示，但是其結構復雜、又需要超高真空。1987年，Chandler和Houston利用離子成像技術同時測量分子光解碎片的速率分布和角分布。其工作原理是先將一種光解碎片用激光電離成離子，并用強電場加速離子，再使其自由飛行，最后飛向位置敏感的微通道板(MCP)，其后設置熒光屏和CCD相機進行攝像記錄。此二維環(huán)形平面圖像，可用阿貝爾反變換轉換成三維牛頓球，故可同時得到光解碎片的速率分布和角分布，該儀器結構如圖2所示。1997年，Eppink和Parker提出速度成像的概念，其采用兩級電場加速時，電極板中空，不加柵網(wǎng)，使電極加速離子時還具有聚焦作用，這顯著提高了離子速度圖像的空間分辨，其結構如圖3所示，此技術得到了推廣。為了進一步提高圖像的分辨，本世紀初又有采用時間切片技術(Slicing)，直接測量產(chǎn)物離子形成的牛頓球中間部分的方法，此舉可獲得分辨更高的圖像。

在國內(nèi)，中國科學院大連化學物理研究所、武漢物理與數(shù)學研究所、清華大學、中國科學技術大學、中國臺灣原子分子科學研究所等單位，均建有離子成像式光解碎片平動能譜儀實驗裝置。目前國內(nèi)外離子成像式PTS都采用高電壓(650V～1800V)加速產(chǎn)物離子，需要經(jīng)過較長的飛行距離(38～105cm)。已建成的離子成像式PTS，很多宣稱速度分辨能力能達到Δv/v≈1％，但是從文獻報道的實驗結果來看，只有少數(shù)實驗譜圖達到這一指標。對于測量速度的儀器，較強的外加電場會對測量的精確度造成不利影響。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種使用低電壓弱場加速離子，且能夠提高測量精度和儀器分辨能力的離子成像式小型光解碎片平動速度譜儀。