一種時(shí)間分辨的帶電粒子成像裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微觀化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種用于探測(cè)分子激發(fā)態(tài)超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的時(shí)間分辨的帶電粒子成像裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中性分子體系電子激發(fā)態(tài)超快動(dòng)力學(xué)信息的實(shí)時(shí)探測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]微觀化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的主要目的旨在原子與分子水平上揭示化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是如何進(jìn)行的。而為了達(dá)到上述目的，許多特定的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)被發(fā)展出來(lái)用于探測(cè)反應(yīng)過(guò)程中特定碰撞能反應(yīng)物反應(yīng)后的總的反應(yīng)界面，產(chǎn)物的速度和角度分布，產(chǎn)物的量子態(tài)分布，產(chǎn)物角動(dòng)量的取向和定向以及反應(yīng)物的取向和定向?qū)Ψ磻?yīng)所造成的影響等等。具體而言，上述測(cè)量的目的在于得到愈發(fā)詳細(xì)和準(zhǔn)確的結(jié)果并與理論計(jì)算的結(jié)果相對(duì)比，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)在原子與分子水平上理解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是如何進(jìn)行的。
[0003]激光和分子束是微觀化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最為常用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。利用分子束技術(shù)可以制備出確定的速度分布以及運(yùn)動(dòng)方向的反應(yīng)物，從而使得研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的直接屬性成為可能。結(jié)合激光技術(shù)，我們還可以得到特定量子態(tài)的反應(yīng)物，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的態(tài)態(tài)反應(yīng)。另外，利用光解技術(shù)還可以制備出特定的量子態(tài)分布的自由基，大大的擴(kuò)展了研究基元反應(yīng)的體系的范圍。近年來(lái)，結(jié)合激光以及電子與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，人們可以更加精確的控制反應(yīng)物比如分子束的速度，初始的量子態(tài)分布等信息，上述技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)分子水平上化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行的理解更加深入。而對(duì)于微觀化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的探測(cè)技術(shù)同樣也隨著領(lǐng)域的發(fā)展并且得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在產(chǎn)物的速度分布探測(cè)方面，特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)譜探測(cè)器，速度成像技術(shù)等被用來(lái)探測(cè)產(chǎn)物的速度分布的信息。而對(duì)于產(chǎn)物的量子態(tài)的分布則主要是通過(guò)結(jié)合激光技術(shù)的激光誘導(dǎo)熒光，吸收光譜，共振增強(qiáng)多光子電離等手段得到。這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)于我們理解和實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)將會(huì)起到尤其重要的作用。
[0004]作為微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要研究方向，原子與分子激發(fā)態(tài)的光譜和動(dòng)力學(xué)信息對(duì)于了解體系的電子結(jié)構(gòu)與電子運(yùn)動(dòng)，核與電子間的相互作用，分子內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移等過(guò)程有著及其重要的作用。而用于此的研究手段也如前所述，可以通過(guò)結(jié)合激光技術(shù)的激光誘導(dǎo)熒光，吸收光譜，共振增強(qiáng)多光子電離等技術(shù)得到。另外，光電子能譜技術(shù)以及質(zhì)譜技術(shù)也是極為常見(jiàn)的探測(cè)手段，尤其是光電子能譜技術(shù)已經(jīng)可以得到很高分辨的激發(fā)態(tài)能級(jí)信息。
[0005]盡管上述的實(shí)驗(yàn)方法和手段已經(jīng)被證明可以得到非常良好的激發(fā)態(tài)信息，但是對(duì)于激發(fā)態(tài)所表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，比如激發(fā)態(tài)上所發(fā)生的內(nèi)轉(zhuǎn)換，系間穿越等過(guò)程則是無(wú)法直接的探測(cè)。另外，上述的這些激發(fā)態(tài)過(guò)程多是發(fā)生在超快的時(shí)間尺度(約10_15妙)上，常規(guī)的探測(cè)手段已經(jīng)不能滿足對(duì)上述過(guò)程的探測(cè)。因此為了得到詳細(xì)的原子與分子激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)信息，發(fā)展具有超快時(shí)間分辨功能的實(shí)驗(yàn)方法變得尤其重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是鑒于以上的事實(shí)而做出的，其目的在于提供一種時(shí)間分辨的帶電粒子成像裝置。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種時(shí)間分辨的帶電粒子成像裝置，包括:
[0009](a)飛秒激光系統(tǒng)用于產(chǎn)生超短激光脈沖，脈沖寬度10飛秒至1000飛秒，上述激光脈沖寬度范圍足以實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀領(lǐng)域超快過(guò)程的實(shí)時(shí)探測(cè)；
[0010](b)延遲光路系統(tǒng)是利用上述飛秒激光系統(tǒng)所產(chǎn)生的超短激光脈沖實(shí)現(xiàn)超快時(shí)間分辨技術(shù)的光路系統(tǒng)；
[0011](C)真空系統(tǒng)包括兩級(jí)真空系統(tǒng)，分別是束源室，即真空泵組1、和離化室，即真空泵組2 ；
[0012](d)束源系統(tǒng)在束源室中產(chǎn)生用于研究的超聲原子、分子或者中性團(tuán)簇束；
[0013](e)帶電粒子速度聚焦電極組將具有相同動(dòng)能的帶電粒子投射在空間平面的同一點(diǎn)上；
[0014](f)外磁場(chǎng)屏蔽系統(tǒng)用于屏蔽地磁場(chǎng)，避免離子或者電子在無(wú)場(chǎng)飛行區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)受到外界電磁場(chǎng)的干擾；
[0015]( g)帶電粒子成像探測(cè)器對(duì)聚焦后的電子信號(hào)進(jìn)行放大同時(shí)對(duì)其聚焦的位置進(jìn)行成像；
[0016](h)圖像采集系統(tǒng)采集帶電粒子成像探測(cè)器所成的帶電粒子信號(hào)的圖像，進(jìn)行定量的數(shù)據(jù)分析。
[0017]進(jìn)一步地，所述飛秒激光系統(tǒng)所產(chǎn)生的超短激光脈沖的基頻光的脈沖寬度范圍在10飛秒至1000飛秒，頻率在10赫茲至10千赫茲，光譜中心在810納米，光譜寬度5納米至70納米。
[0018]進(jìn)一步地，所述延遲光路系統(tǒng)可將上述的飛秒激光系統(tǒng)(I)所產(chǎn)生的超短激光脈沖的基頻光分解成3條光路，光路I可以將基頻光進(jìn)行倍頻或者三倍頻生成405 (±20)納米或者270 (±10)納米的激光脈沖，光路2將基頻光通過(guò)步進(jìn)電極精密控制的光學(xué)延遲平臺(tái)，光路3將基頻光通過(guò)光參量放大器，可以500納米至2100納米光譜范圍內(nèi)的超短激光脈沖。光路I和光路3都可以與光路2組合形成具有相對(duì)光程延遲的時(shí)間分辨的光路系統(tǒng)。
[0019]進(jìn)一步地，所述延遲光路系統(tǒng)中的光路2所使用的步進(jìn)電極精密控制的光學(xué)延遲平臺(tái)的單步移動(dòng)距離為0.3微米至300微米，從而使光路2的時(shí)間分辨本領(lǐng)在2飛秒至2000飛秒之間。
[0020]進(jìn)一步地，所述真空系統(tǒng)采用兩級(jí)真空，每級(jí)真空系統(tǒng)均采用機(jī)械泵做前級(jí)泵粗抽真空，之后再用分子泵對(duì)真空室進(jìn)行精抽，從而達(dá)到更高的真空環(huán)境。
[0021]上述真空系統(tǒng)在束源系統(tǒng)未工作時(shí)，真空度均高于10_4帕；當(dāng)束源系統(tǒng)工作時(shí)，真空系統(tǒng)的真空度均高于10_3帕。
[0022]上述真空系統(tǒng)包含有束源系統(tǒng)的真空室稱為束源室，另外一級(jí)真空室稱為離化室，束源室與離化室之間有一個(gè)隔離錐相連，隔離錐的開(kāi)孔大小為0.5毫米至5毫米，立體角度為10度至150度，錐尖方向指向束源室。
[0023]進(jìn)一步地，束源系統(tǒng)可用于產(chǎn)生氣相，液相以及部分固相研究體系的超聲束源；對(duì)于氣相體系，將該氣相體系與載氣混合后通過(guò)脈沖閥注入束源室形成超聲束源；液相和固相體系借助于載氣利用蒸汽壓將體系原子或分子等注入束源室形成超聲束源。
[0024]進(jìn)一步地，帶電粒子速度聚焦電極組由三片圓環(huán)電極組成:這三片圓環(huán)電極的外徑為60毫米至200毫米，第一片電極中心開(kāi)孔直徑在0.5毫米至5毫米，第二片電極中心開(kāi)孔直徑在5毫米至50毫米，第三片電極中心開(kāi)孔在5毫米至50毫米。上述三片電極之間的間距在5至50毫米。
[0025]上述帶電粒子速度聚焦電極組的各電極由金屬材料加工而成，包括不銹鋼、銅或者招。
[0026]進(jìn)一步地,外磁場(chǎng)屏蔽系統(tǒng)為一金屬圓筒，材料為μ合金的金屬圓筒，筒壁后0.2毫米至2毫米，長(zhǎng)度為5厘米至50厘米，所述金屬圓筒的材料為μ合金。
[0027]進(jìn)一步地，束源系統(tǒng)產(chǎn)生的超聲束源經(jīng)過(guò)隔離錐準(zhǔn)直后進(jìn)入離化室，并在帶電粒子速度聚焦電極組內(nèi)與經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的延遲光路系統(tǒng)相互作用，束源系統(tǒng)產(chǎn)生的分子束被具有時(shí)間分辨功能的激光脈沖電離，電子經(jīng)過(guò)被帶點(diǎn)粒子速度聚焦電極組投射在帶電粒子成像探測(cè)器上。
[0028]進(jìn)一步地，帶電粒子成像探測(cè)器由微通道板和熒光屏組成，可以對(duì)探測(cè)到的電子信號(hào)進(jìn)行放大并且由熒光屏對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行成像。
[0029]進(jìn)一步地，圖像采集系統(tǒng)為一高速CXD相機(jī)，該高速CXD相機(jī)可以捕獲熒光屏上所成的電子信號(hào)經(jīng)過(guò)放大的圖像。
[0030]盡管上述的實(shí)驗(yàn)方法和手段已經(jīng)被證明可以得到非常良好的激發(fā)態(tài)信息，但是對(duì)于激發(fā)態(tài)所表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，比如激發(fā)態(tài)上所發(fā)生的內(nèi)轉(zhuǎn)換，系間穿越等過(guò)程則是無(wú)法直接的探測(cè)。另外，上述的這些激發(fā)態(tài)過(guò)程多是發(fā)生在超快的時(shí)間尺度(約10_15妙)上，常規(guī)的探測(cè)手段已經(jīng)不能滿足對(duì)上述過(guò)程的探測(cè)。因此為了得到詳細(xì)的原子與分子激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)信息，發(fā)展具有超快時(shí)間分辨功能的實(shí)驗(yàn)方法變得尤其重要。
【附圖說(shuō)明】
[0031 ] 圖1本發(fā)明實(shí)施例的原理側(cè)視圖；
[0032]圖2本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量苯甲醛不同電子態(tài)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程衰減曲線；
[0033]圖3本發(fā)明實(shí)施例吡咯的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程衰減曲線；
[0034]圖4本發(fā)明實(shí)施例吡咯激發(fā)態(tài)時(shí)間分辨的光電子圖像；
[0035]圖4a本發(fā)明實(shí)施例吡咯激發(fā)態(tài)時(shí)間分辨的光電子在相對(duì)延遲時(shí)間為O飛秒時(shí)采集得到的光電子圖像；
[0036]圖4b本發(fā)明實(shí)施例吡咯激發(fā)態(tài)時(shí)間分辨的光電子時(shí)間相對(duì)延遲經(jīng)過(guò)600飛秒后采集得到的光電子圖像。
[0037]其中，1-飛秒激光系統(tǒng)；2_延遲光路系統(tǒng)；3_真空系統(tǒng)；4_束源系統(tǒng)；5_帶電粒子速度聚焦電極組；6_外磁場(chǎng)屏蔽系統(tǒng)；7_帶電粒子成像探測(cè)器；8_圖像采集系統(tǒng)。
[0038]附圖中的側(cè)視圖為示意性的且未按照比例繪制。不過(guò)不同的附圖中相同或相似的部件均在附圖中給出相同的標(biāo)記。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下述示例旨在通過(guò)具體的測(cè)試闡述本發(fā)明所具有的一些屬性和優(yōu)點(diǎn)。
[0040]本發(fā)明是按照如下方式設(shè)計(jì)的時(shí)間分辨的帶電粒子成像裝置。如圖1所示，具體到本實(shí)施例，該時(shí)間分辨的帶電離子成像裝置由飛秒激光系統(tǒng)1、光路系統(tǒng)2、真空系統(tǒng)3、束源系統(tǒng)4、帶電粒子速度聚焦電極組5、外磁場(chǎng)屏蔽系統(tǒng)6、帶電粒子成像探測(cè)器7和圖像采集系統(tǒng)8。所述裝置結(jié)合了飛秒超快時(shí)間分辨技術(shù)、帶電粒子速度聚焦成像技術(shù)，可以測(cè)量帶電粒子的高分辨的動(dòng)能譜和角度分布的實(shí)時(shí)變化信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中性原子或分子體系激發(fā)態(tài)超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的探測(cè)。
[0041]實(shí)施例1
[0042