一种用于研究负离子体系的光电子成像装置

摘要

本发明涉及一种用于研究负离子体系的光电子成像装置。其中，纳秒激光溅射负离子源单元用于产生高强度稳定的负离子束源，在光电子速度聚焦透镜单元区域与飞秒激光相互作用，利用电子成像探测器单元可以清晰的测量负离子体系的激发态电子的能谱与角度分布信息。同时，结合时间分辨技术可以获知上述信息的动力学特性。本发明结合超快时间分辨的光电子成像技术，不仅可以清晰的获取所需要的单一成份的负离子体系，更可以得到该物质键能等微观信息，同时还可以实时的观测激发态的超快动力学信息。

说明书

技术领域

本发明涉及微观化学反应动力学领域，具体地说是一种用于研究负离子体系结构及其激发态的光电子成像装置，可以完成对负离子体系脱附能以及负离子激发态动力学信息直观的成像探测。

背景技术

微观化学反应动力学目的旨在原子与分子水平上探究化学反应是如何进行的，光化学反应作为微观化学反应动力学的一个重要分支方向可以帮助人们更加详细的理解基元的一些物理化学性质，从而为实现真正在原子与分子水平上理解化学反应的进行提供重要的帮助。负离子体系作为一种自然界普遍存在的物质形式，其广泛参与着自然界中诸多的物理化学和相关的生命过程。以最为常见的贵金属及其团簇负离子为例，研究它们的物理化学性质对于深入理解负离子催化反应过程，探究金属表面解吸附过程等均发挥着重要的作用。

随着对于负离子体系的研究的逐渐深入，越来越多的高精度的实验方法被发展而来研究此类体系的相关的物理化学性质。在众多的实验手段中，目前为止最为常见的研究手段主要包括如下几种，分别是质谱技术、红外光谱技术以及光电子能谱技术。其中，质谱技术具有很高的灵敏度，并且可以帮助我们获得体系的质量分布情况。但是，质谱技术很难区分具有相同荷质比的负离子，比如同分异构体，当然，也无法获悉体系的相应的结构信息。利用红外光谱技术可以比较好的获得体系的量子态信息，比如振动模式等相应于体系结构的信息，不过对于电子激发态所体现出来的一些动力学信息却是无能为力。光电子能谱技术具有非常之高的分辨率，可以非常方便的获得负离子体系的电子能级和电子脱附能方面的信息。并且近年来，随着研究的深入，作为光电子能谱技术的一种改良技术，光电子成像技术得到了较快的发展，尤其是随着速度聚焦技术的引入，大大提高了光电子成像技术的分辨率，从而使其在负离子研究领域得到了愈发广泛的应用。但是，尽管具有上述众多的优点，对于结构较为复杂的负离子体系，光电子能谱技术仍然具有很大的局限性，尤其在结构信息的获取方面。同时，光电子能谱技术对于负离子体系的动力学信息仍然是不能直接探测的。

目前，超快飞秒激光技术得到了迅速的发展，并且其相应的商品化产品已经出现。同时，离子源产生技术经过多年的发展，也已经可以得到非常稳定的束源。在电子控制方面，相应的高速开关技术目前业已是比较成熟的技术。综合上述种种的客观因素，我们认为在超快时间范围内研究负离子体系的激发态动力学信息已经成为可能。

发明内容

本发明是鉴于以上的事实而做出的，其目的在于提供一种用于研究负离子体系的光电子成像装置；

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下所示：

一种用于研究负离子体系的光电子成像装置，包括：

（a）飞秒激光系统可以产生用于对负离子进行研究所使用的超短激光脉冲基频光；

（b）光路变换单元对上述飞秒激光系统所产生的超短激光脉冲基频光进行光参量变换，得到不同波长的超短激光脉冲；

（c）纳秒激光溅射负离子源产生原子负离子以及团簇负离子；

（d）真空系统采用三级真空系统；

（e）离子束加速与准直单元对上述纳秒激光溅射负离子源所产生的负离子进行加速以及整形，形成负离子束源；

（f）离子质量选取单元根据上述负离子束源的成分，筛选出纳秒激光溅射负离子源产生的单一负离子成分；

（g）光电子速度聚焦电极单元将上述经过筛选出单一的负离子束源光脱附后所产生的电子进行速度聚焦；

（h）外磁场屏蔽单元屏蔽外界电磁场对电子在无场飞行过程中造成的干扰；

（i）电子成像探测器单元对经过速度聚焦后的电子进行信号放大并进行成像；

（j）图像采集单元对上述电子成像探测器单元所成的图像进行采集。

进一步地，飞秒激光系统可以产生超短激光脉冲。上述超短激光脉冲宽度可以是10飞秒至1000飞秒，频率在10赫兹至1000赫兹，光谱中心在810纳米，光谱宽度为5纳米至70纳米。

进一步地，光路变换单元可以将上述飞秒激光系统产生的超短激光脉冲进行频率转换；光路1采用二倍频晶体和三倍频晶体，通过光路1可以得到由飞秒激光系统产生的超短激光脉冲的原始光波长，即基频光；中心波长在810(±30)纳米，二倍频光中心波长在405(±20)纳米，三倍频光中心波长在270(±10)纳米；光路2中利用光参量放大器对基频光进行光参量变换，可以得到连续可调的超短激光脉冲，波长范围在490纳米至2300纳米。

进一步地，光路变换单元中光路1通过步进电极控制的精密延迟平台，结合光路2可以形成时间分辨的光路系统。延迟平台的单步移动距离可以在0.3微米至300微米，则光路变换单元的时间分辨本领在2飞秒至2000飞秒之间。

进一步地，纳秒激光溅射负离子源包括溅射激光系统，载气系统，溅射腔室；

上述溅射激光系统可以为连续激光和脉冲激光，波长可以是260纳米至1064纳米；

上述载气系统可以为0.01兆帕至3.00兆帕压强范围的惰性气体，混合惰性气体，也可以是载有甲醇、乙醇、乙腈等有机溶剂的惰性气体，还可以是氮气、氧气等小分子气体中的一种或多种；

上述溅射腔室中装有溅射靶材，并装配有脉冲阀装置；

上述纳秒激光溅射负离子源产生负离子的过程为，激光溅射系统溅射放置于溅射腔室中的溅射靶材，产生等离子体，该等离子体被从脉冲阀喷射出的载气束源冷却，并形成低温的负离子混合物。

进一步地，真空系统由三级真空腔体组成，每级真空腔体均由一组真空泵组对其进行真空抽取。上述真空泵组采用机械泵加分子泵组合，利用机械泵对真空腔体进行粗抽，而后由分子泵对真空腔体进行精抽，从而达到较高的真空环境，所述真空环境<10^-4帕。

上述真空系统在纳秒激光溅射负离子源未工作时，真空度低于10^-4帕。当纳秒激光溅射负离子源工作时真空度低于10^-3帕。

上述真空系统中包括第一级腔室、第二级腔室和第三级腔室；所述第一级腔室包括纳秒激光溅射离子源和离子束加速与准直单元称之为束源室；第二级腔室包括离子质量选取单元称之为选质量室；第三级腔室包括光电子速度聚焦电极单元、外磁场屏蔽单元和电子成像探测器单元称之为脱附室。

上述真空系统中第二级腔室和第三级腔室之间通过隔离锥连通，隔离锥为一有中心开口的锥形体，中心孔径0.5毫米至5毫米，隔离锥的立体角度为10度为150度，锥尖方向指向第二级腔室。

进一步地，离子束加速与准直单元包括用于离子束加速的电极片组、用于准直的偏转电极组以及用于对离子束收束的收束电极组。

上述离子束加速与准直单元的用于离子束加速的电极片组，电极片数量为3至50片，第一片电极为圆形或者矩形片状电极，第二片至最后一片为圆形或者矩形环状电极，第一片电极与第二片电极之间的距离为3毫米至30毫米，第二片电极之后至最后一片电极之间的距离为2-20毫米。

上述离子束加速与准直单元的用于准直的偏转电极组由两组处于水平和垂直方向的平行电极片组成。

上述离子束加速与准直单元的用于对离子束收束的收束电极组有3个圆筒状的电极组成，圆筒电极内径5毫米至30毫米，外径8毫米至40毫米。

进一步地，离子质量选取单元包括离子质量选取电极组和离子聚焦电极组。离子质量选取电极组由三片栅网电极组成，栅网电极中心为金属栅网，周围是环形电极片，中间栅网的离子透过率在30%至96%，环形电极片可以是圆形或者矩形。离子聚焦电极组由3个圆筒状的电极组成，圆筒电极内径5毫米至30毫米，外径8毫米至40毫米。

进一步地，光电子速度聚焦电极单元采用三片圆环电极组成：这三片圆环电极的外径为60毫米至200毫米，第一片电极中心开空直径在0.5毫米至5毫米，第二片电极中心开孔在5毫米至50毫米，第三片电极中心开孔在5毫米至50毫米。上述三片电极之间的间距在5至50毫米。

上述光电子速度聚焦电极单元在施加不同的电压后会形成非均匀的电场，从而可以对电子由于不同的动能而实现聚焦在不同位置的作用。

进一步地，外磁场屏蔽单元为一材料为μ合金的金属圆筒，筒壁后0.3毫米至3毫米，长度为6厘米至60厘米。

进一步地，电子成像探测器单元包括两片微通道板、一片荧光屏和用于固定上述两片微通道板和荧光屏的视窗法兰。

进一步地，图像采集单元是一款高速CCD相机，该相机可以用来捕获荧光屏上所成的经过两片微通道板放大后的电子的图像。

本发明结合超快时间分辨的光电子成像技术，不仅可以清晰的获取所需要的单一成份的负离子体系，更可以得到该物质键能等微观信息，同时还可以实时的观测激发态的超快动力学信息。

附图说明

图1本发明实施例的原理侧视图；

图2本发明实施例测得的铜负离子复合团簇质谱图；

图3（a）本发明实施例测得的铜负离子单光子脱附光后由CCD相机所拍摄的图像；

图3（b）本发明实施例测得的铜负离子单光子脱附光电子的动能谱；

图3（c）本发明实施例测得的铜负离子单光子脱附光电子相应的谱峰的角度分布图；

图4本发明实施例测得的铜负离子双光子脱附光电子图像；

图5本发明实施例测得的铜负离子双色光脱附图像。

其中，1-飞秒激光系统；2-光路变换单元；3-纳秒激光溅射负离子源；4-真空系统；5-离子束加速与准直单元；6-离子质量选取单元；7-光电子速度聚焦电极单元；8-外磁场屏蔽单元；9-电子成像探测器单元；10-图像采集单元。

附图中的侧视图为示意性的且未按照比例绘制。不过不同的附图中相同或相似的部件均在附图中给出相同的标记。

具体实施方式

下面将通过具体的实施例来说明本发明所具有的一些特性和优点。本发明是按如下方式设计的一种用于研究负离子体系的光电子成像装置。

如图1所示，该研究负离子体系的光电子成像装置包括飞秒激光系统1，光路变换单元2，纳秒激光溅射负离子源3，真空系统4，离子束加速与准直单元5，离子质量选取单元6，光电子速度聚焦电极单元7，地磁场屏蔽单元8，电子成像探测器单元9和图像采集单元10。其中，纳秒激光溅射负离子源3单元用于产生高强度稳定的负离子束源，该负离子束源经过加速、整形以及质量选择，可以得到特定物种的负离子体系。该负离子体系在光电子速度聚焦电极单元7区域与飞秒激光脉冲相互作用，使得电子被激光脱附，该脱附电子被光电子速度聚焦透镜单元速度聚焦至电子成像探测器单元9，利用电子成像探测器单元9可以清晰的测量负离子脱附电子的光电子图像并通过图像采集单元10将该图像采集，经过后续的分析就可以得到有关负离子电子激发态的能谱与角度分布信息。同时，结合时间分辨技术可以获知上述信息的动力学特性。

实施例1

纳秒激光溅射生成铜负离子复合团簇质谱

本实施例旨在说明该发明中用于生成特定负离子体系的离子源的性能。本实施例中采用脉冲宽度约为10纳秒，激光频率为20赫兹，能量在0.9W至1.9W，波长为532纳米。经过一片焦距为35厘米的透镜聚焦在铜靶材上，并在铜靶材表明形成等离子体。该生成的等离子体被载有甲醇溶剂分子的He载气经过脉冲阀喷出后冷却。冷却过程中会生成铜负离子和铜与甲醇溶剂分子的络合团簇负离子，这些负离子经由离子束加速与准直单元5被加速和准直，具体的，此处在第一片电极片上施加-1400伏特的脉冲高压，脉冲宽度为5微秒，后续的电极片所施加的电压均依次递减，使离子进入无场飞行区域，并在时间上分离开来。最终被电子成像探测器单元9接收，并且提取出相应的质谱信号。如图2所示，是该纳秒激光溅射负离子源3所产生的铜负离子及其相关的团簇络合物负离子体系。从图中可以非常清楚的分辨出铜的两个同位素所对应的离子峰，并且质谱中的峰与峰之间完全分离开来，为后续的单个负离子物种的选取提供了非常好的条件。接着，利用离子质量选取单元6对负离子体系进行了特定物种的筛选。具体而言在离子质量选取单元6的离子质量选取电极组的中间电极上施加-1400伏特的脉冲高压，另外两片电极则是接地。当感兴趣的离子进入离子质量选取电极组时，该负的高压脉冲去除，使该感兴趣的负离子体系顺利通过离子质量选取电极组。其余时间均施加-1400伏特的高压以保证不会有其余的负离子物种进入后续的无场飞行区域造成干扰。

实施例2

铜负离子单光子脱附成像

本实施例旨在说明经由纳秒激光溅射负离子源3生成的被选择质量的铜负离子被后续飞秒激光系统脱附的电子的成像性能。本实施例采用实施例1中所采用的实施条件产生铜负离子。该铜负离子经过隔离锥进入光电子速度聚焦电极单元7，在该光电子速度聚焦电极单元7的第一片和第二片电极之间负离子束与飞秒激光相互作用。具体本实施例而言，飞秒激光系统1产生的飞秒激光基频光中心波长在810纳米，频率20赫兹，脉冲宽度为70飞秒，功率160毫瓦。该飞秒激光基频光经过光路变换单元2光路2产生的405纳米的飞秒脉冲激光作用与铜负离子束，将吸附在铜负离子上的电子脱附，并且使脱附电子具有一定的动能。上述被脱附的具有一定动能的电子被光电子速度聚焦电极单元7投射至电子成像探测器单元9上。如图3（a）所示，代表了电子速度聚焦电极单元7上施加-1800伏特高压后对铜负离子脱附电子进行速度聚焦在光电子成像探测器单元后，由CCD相机所拍摄的图像。对上述图像进行解析，可以得到在405纳米的激光波长下，如图3（b）所示的铜负离子脱附的光电子的动能谱和如图3（c）所示的相应的谱峰的角度分布，图3（c）所示的为本实施例中以最外环谱峰为例的信息，可以使我们更加全面的理解负离子体系激发态的相关信息。

实施例3

铜负离子双光子脱附成像

该实施例旨在说明该装置可以实现对具有相对较低的脱附能的负离子体系进行红外脱附，以及实现多光子脱附。本实例所采用的测试对象是经过实施例1所产生的铜负离子。该铜负离子经过隔离锥进入光电子速度聚焦电极单元7，在该光电子速度聚焦电极单元7的第一片和第二片电极之间负离子束与飞秒激光相互作用。具体本实施例而言，飞秒激光系统1产生的飞秒激光基频光中心波长在810纳米，频率20赫兹，脉冲宽度为70飞秒，功率160毫瓦。该飞秒激光基频光经过光路变换单元2光路1产生的1447纳米的飞秒脉冲激光作用于铜负离子束。此处为了实现多光子脱附，在飞秒激光脉冲进入作用区域前利用焦距为30厘米的石英透镜将激光进行聚焦，并调节透镜的位置使激光的焦点位于铜负离子束上，从而实现对铜负离子束的多光子脱附。该脱附的电子被光电子速度聚焦电极单元7投射至电子成像探测器单元9上。如图4所示，代表了电子速度聚焦电极单元7上施加-1800伏特高压后对铜负离子脱附电子进行速度聚焦在光电子成像探测器单元后，由CCD相机所拍摄的图像。对上述图像进行解析，可以得到在1464纳米的激光波长下，铜负离子被双光子脱附的光电子的动能谱和相应的谱峰的角度分布信息。上述实例对与理解负离子体系的多光子脱附过程以及电子在强激光场中的作用有着重要的意义。

实施例4

负离子双色激光场脱附成像

本实施例旨在说明该装置可以实现对负离子体系激发态的动力学过程进行实时的探测。本实施例所采用的测试对象依旧是经过实施例1的实验条件所产生的铜负离子。该铜负离子经过隔离锥进入光电子速度聚焦电极单元7，在该光电子速度聚焦电极单元7的第一片和第二片电极之间负离子束与飞秒激光相互作用。具体本实施例而言，飞秒激光系统1产生的飞秒激光基频光中心波长在810纳米，频率20赫兹，脉冲宽度为70飞秒，功率160毫瓦。该飞秒激光基频光经过光路变换单元2产生两束飞秒激光脉冲，其中光路变换单元2光路1产生810纳米的基频光路，并且该光路的光程可以变化。另外，光路变换单元2光路2用于产生另外一束飞秒脉冲激光，具体到本实施例，该飞秒脉冲激光波长在586纳米。将上述两束飞秒脉冲激光共轴引入电子速度聚焦电极单元7与负离子束相互作用，将该离子束激发并且将其吸附电子脱附。通过调节光路1的延迟平台可以实现两路光束在光程上的时间延迟，进而得到负离子体系激发态的时间分辨的超快动力学信息。脱附的电子被光电子速度聚焦电极单元7投射至电子成像探测器单元9上。如图5所示，代表了电子速度聚焦电极单元7上施加-1800伏特高压后对铜负离子脱附电子进行速度聚焦在光电子成像探测器单元后，由CCD相机所拍摄的图像。对上述图像进行解析，可以得到双色激光场脱附铜负离子后的脱附电子的光电子图像。上述实施例证实该装置可以用来研究负离子体系激发态的超快动力学，并对其所表现出来的一些动力学信息进行直接的探测。

本领域技术人员将理解上面的实施例纯粹是以示例的方式给出的，并且一些改变是可能的。