[发明专利]用于高能化学反应研究的原子束制备装置及方法

权利要求书

1.用于高能化学反应研究的原子束制备装置，其特征在于，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；

所述真空系统由真空腔（1）和真空泵（2）组成，真空腔（1）分为束源制备腔和束源检测腔，两者独立由真空泵（2）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；

所述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（4）与真空腔（1）外壁通过氟橡胶密封，脉冲阀（4）前端部分采用外循环水冷却，避免激光能量灼伤脉冲阀（4）喷嘴，脉冲阀（4）将从喷嘴喷入真空腔（1）的高压气体经超声射流而形成分子束，锥形反射器（7）将分子束束缚在狭小空间内，用于将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（3）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；

所述光学系统由激光器（5）和凹面镜（6）组成，光学系统提供用于分子束中气体裂解的能量，将所需激光通过凹面镜（6）聚焦引入分子束制备系统中的锥形反射器（7）；

所述束源检测系统由斩波器（8）和质谱探测器（9）组成，束源检测系统将进入束源检测腔的束源经斩波器（8）速度选择后，通过质谱探测器（9）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，所述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（4）、激光器（5）、斩波器（8）与质谱探测器（9）的工作频率及起始工作时间。

2.根据权利要求1所述的用于高能化学反应研究的原子束制备装置，其特征在于，所述真空泵（2）为磁悬浮分子泵，其与真空腔（1）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。

3.根据权利要求1所述的用于高能化学反应研究的原子束制备装置，其特征在于，脉冲阀（4）喷嘴、准直器（3）小孔、斩波器（8）上的长方形狭缝、质谱探测器（9）的离化器中心需要依次共线分布，实现原子束源强度及信号探测的最优化。

4.根据权利要求1所述的用于高能化学反应研究的原子束制备装置，其特征在于，脉冲阀（4）、控制斩波器（8）转速的马达、激光器（5）、斩波器（8）及质谱探测器（9）的工作时序及工作频率统一由一台脉冲时序发生器（10）控制。

5.根据权利要求1所述的用于高能化学反应研究的原子束制备装置，其特征在于，激光器（5）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。

6.根据权利要求1所述的用于高能化学反应研究的原子束制备装置，其特征在于，斩波器（8）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（10）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。

7.一种用于高能化学反应研究的原子束制备方法，其使用权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，经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。