[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

说明书

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，该装置包括真空系统，分子束制备系统，光学系统，束源检测系统，时序控制系统。本发明可以采用不同种类的气体，将高能量的脉冲激光聚焦作用于脉冲阀喷射出的高压气体，使束缚在锤形反射器前端狭小空间内的这部分高压气体瞬间裂解形成高压等离子体冲击波，并在后端高压气体的助推下，等离子体等混合气体朝着锥形反射器后端出口方向出射，期间伴随着正离子与电子的相互结合及温度与强度的下降，最终在出射口处的气体中形成速度分布较广的高能原子束，通过斩波器提取所需速度的原子束，从而制备出不同种类，速度更快且连续可调的适用于高能化学反应实验研究的高能原子束。

技术领域

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。

发明内容

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。