[发明专利]分子光解离电离速度成像装置

说明书

技术领域

本发明属于分子反应动力学领域，涉及用离子速度成像技术对正负离子以及电子的三维信息进行切片成像，具体地说是一种分子光解离电离速度成像装置。

背景技术

分子光解动力学是分子反应动力学的一个重要领域。光解动力学不仅研究单体分子与激光的相互作用，而且是控制双分子，甚至多分子体系化学反应的重要手段。由于近年来，对于选定的内能态的制备，获得特定的反应产物或者选择特定的反应通道成为分子反应动力学的热点和焦点，因此，测量相关光解产物或者光解碎片的量子态，特别是其角度分布和速度分布就成为必需。

从上个世纪70年代开始，人们就开始利用光谱的方法测量不同产物的量子态布局，或者利用平动能-质谱方法测量产物的速度分布。将二者结合起来就发展出能同时测量产物的内能态和相关速度的技术，如共振增强多光子电离-飞行时间技术和多普勒光谱技术。但这两种技术的缺陷在于都只能测量速度分布在一个方向上的投影，不能完整的反演反应动力学初始时刻的角度分布。

80年代后期，特别是90年代中期速度成像技术的成熟，使得离子速度成像的方法成为最理想的光解动力学实验的技术。离子速度成像技术是在类似于飞行时间质谱仪装置的基础上，引进离子透镜，对空间位置不同，但速度相同的离子进行汇聚，使得它们分布在位敏检测器的相同位置，并在其后连接荧光板，最后用CCD相机成像。其优点在于，当平行于探测器表面的线偏振光与样品反应后，所产生的离子因其速度不同而在检测器表面形成二维分布的图像。对该图像进行逆阿贝尔变换或者汉克尔变换，即可得到不同产物在不同态上的全部三维速度分布。但缺点在于，限制了激光的偏振方向，而且在图像处理的过程中了引入了大量的人工噪声。

进入21世纪以来，随着人们对分子反应动力学的深入研究，人们发现反应产物或者离子碎片三维分布中的“赤道截面”实际上包含了所有的角度和速度信息，因此如果能直接获得“赤道截面”的切片图像，那么就不需要对图像进行二维到三维的变换，同时人工噪声将不会被引入，激光的偏振方向也不再受到限制，于是切片成像技术成为了解反应动力学过程的重要手段。2003年，Kitsopoulos小组利用脉冲场控制的方法成功实现了对离子云的切片。他们在原有离子速度成像的系统中，加入了两个高压脉冲场，其中一个用来控制离子透镜高压的延迟，从而获得更长的离子云；另外一个用来控制MCP进行门控，选取合适的切片图像。这个方法的缺点在于，快上升沿的高压脉冲很难获得，因此切片的精度不能很高，而且会使得图像变模糊。

发明内容

本发明的目的是提供一种分子光解离电离速度成像装置，该装置在传统的离子速度成像技术基础上，采用了多级离子透镜的方式，并且加长了离子飞行腔的长度，使得离子云扩散的时间尺度达到了几百个纳秒，同时利用快速响应微通道板，信号快速衰减的荧光板，以及超高时间分辨率的增强型CCD相机进行成像，保证了切片的时间精度达到纳秒量级，使得切片成像的精度和准确度都大大提高，而且避免了由高压脉冲场引起的图像模糊化问题。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种分子光解离电离速度成像装置，该装置包括：惰性气体载气源、减压阀、第一载气管、样品池、第二载气管、真空腔体、前级干泵、分子泵、脉冲阀、漏勺、离子透镜、微通道板、荧光板、脉冲电源、第一高压直流电源、第二高压直流电源、第三高压直流电源、CCD相机、计算机、激光及二维调节盘；

真空腔体由一横向设置及一纵向设置的两矩圆柱形腔体连接而成，其漏勺设于两腔体内贯通处，两腔体分别设有前级干泵及分子泵；纵向设置的腔体内设有脉冲阀，横向设置的腔体内设有离子透镜、微通道板及荧光板；

减压阀两端分别连接惰性气体载气源和第一载气管，第一载气管伸入样品池、端口位于样品液液面以下，样品池密闭；第二载气管一端伸入样品池、位于样品液液面以上，另一端穿过真空腔体体壁与其内的脉冲阀连接；脉冲阀连接到真空腔体外的脉冲电源；漏勺置于脉冲阀的中心线上，与脉冲阀同轴；

二维调节盘置于纵向设置的腔体顶部，呈圆盘状，中心位置有小孔，与脉冲阀同轴；第二载气管通过此小孔与脉冲阀相连；二维调节盘包含两组相互垂直的微调节螺旋杆，两组杆分别在两个方向上移动0～28mm，以此调节脉冲阀的位置，保证脉冲分子束与同步激光在离子透镜的位置相互作用；