一种用于研究等离子体-小分子体系反应的质谱装置

摘要

本发明涉及一种用于研究等离子体-小分子体系反应的质谱装置。所述用于研究等离子体-小分子体系反应的质谱装置包括等离子体-小分子反应单元(1)，飞秒激光电离系统(2)，离子提取系统(3)，质量分析器(4)，真空腔体(5)。其中，纳秒激光溅射固体靶材用于产生等离子体，气相小分子经过毛细管进入等离子体产生区域，并且与等离子体在靶材表面附近发生反应。采用飞秒激光电离技术对反应产物进行电离，最后，结合飞行时间质谱技术对反应产物进行分析并加以确认。该装置可以准确、高效、实时地表征等离子体与气相分子反应的产物构成，为生产加工过程中所存在的实际的等离子体与气体反应的准确认知提供模型支持。

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等离子体 与气相小分子体系反应的质谱装置，可以完成对等离子体与气相小分子反应过 程产物的准确分析。

背景技术

微观化学反应动力学旨在原子与分子水平上探究化学反应过程，并且希望 能够实现对反应的调控进而使反应的进行向着更加有利的方向发生。等离子体 是激光加工过程中无法回避的伴生物，比较简单的一个例子，比如在大功率激 光切割金属的过程中，当激光功率达到一定的阈值便会产生等离子体。上述等 离子体的产生会使激光发生散焦，并且会吸收激光的能量从而导致激光切割能 力被大大的削弱。但需要注意的是，在切割过程中如果使用不同的辅助切割气 体，该等离子体的产生会随之而改变。比如在用氮气做激光切割辅助气体时， 等离子体会随着激光功率的增加很容易产生，相差甚大的便是如果利用氧气作 为辅助气体，上述等离子体便会得到一定的抑制。结合之前的一些研究手段， 比如光谱等分析手段认识到在上述切割过程中氧气的参与除了作为辅助气体用 来提供物理上的一些功能之外，比如将金属熔渣从切割区域驱除之外，还与金 属发生反应致使等离子体的产生受到抑制，而氮气的功能仅仅是作为辅助气体 将熔渣驱除，并未有别的反应，如此与等离子体之间发生反应等。对于上述过 程的清晰认识，目前仍然缺乏清晰的图像，在很大程度上由于上述模型的建立 和分析手段的限制使得对上述等离子与氧气参与的反应的认识受到限制。

近年来，伴随着分析手段的高速发展，质谱技术、光谱技术以及能谱技术 等均可以在分子水平上去研究反应过程的进行。其中，质谱技术在作为一种普 适的分析技术近年来得到了越来越多的关注和应用。同时，飞行时间质谱也因 其具有高分辨率、高灵敏度、结构简单、性价比高等特点而逐渐成为现今质谱 分析领域最具有发展前景的分析手段之一。另外，随着超短脉冲激光器技术的 成熟，使得高功率密度激光的应用变得越发普及。飞秒激光技术因其超短的激 光脉冲(脉冲宽度在10^-15秒量级)而逐渐成为飞行时间质谱电离手段的新的发 展方向。利用飞秒激光聚焦之后可以非常容易获取太瓦级的功率密度，可以大 大提高分析产物的电离效率。高效的电离手段和高分辨的分析技术的结合使得 认识等离子反应过程的进行成为可能。

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等离子 体-小分子体系反应的质谱装置；

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如图1所示：

一种用于研究等离子体-小分子体系反应的质谱装置，包括等离子体-小分子反应 单元(1)、离子提取系统(3)和质量分析器(4)置于一密闭容器内；等离子 体-小分子反应单元(1)包括中空密闭的反应腔，反应腔上设有与真空泵相连的 抽真空口；反应腔内设置有金属靶材，纳秒激光器发出的纳秒激光照射于金属 靶材的右侧表面，一气体管路的一端与气源相连，另一侧处于气体管路金属靶 材的右侧，由气体管路注入的气体吹扫到纳秒激光照射的、金属靶材的右侧表 面，于金属靶材的右侧形成一反应区，飞秒激光器发出的飞秒激光照射到反应 区中；反应腔右侧开口，密闭容器左侧开口，反应腔右侧开口，密闭容器通过 开口处密闭连接；离子提取系统(3)从左至右依次包括两片提取电极、离子束 聚焦透镜组和两对偏转电极；提取电极为平行设置的二块平板，于平板的左侧 分别设有圆锥台形突起，于圆锥台形突起上沿轴线方向设有贯穿平板的通孔， 二块平板上的通孔同轴；离子束聚焦透镜组包括三片从左至右同轴间隔设置的、 中空的筒状金属电极，偏转电极由两组金属平行板组成，第一组电极的极板与 第二组的极板相垂直放置；两片提取电极与离子束聚焦透镜组同轴，且它们的 轴线位于第一组电极的二个极板及第二组的二个极板之间；提取电极的通孔面 向纳秒激光照射的、金属靶材的右侧表面；质量分析器位于提取电极的右侧， 于靠近质量分析器一侧的密闭容器上设有与真空泵相连的抽真空口；等离子体- 小分子反应单元产生的离子经离子提取系统后进入质量分析器中进行质量分 析。

进一步地，提取电极的二块平板之间由中部带孔的绝缘垫片隔离；真空泵 为气体抽真空用的机械泵和分子泵。

进一步地，于左侧提取电极和金属靶材上施加电势，右侧提取电极接地； 于离子束聚焦透镜组和两对偏转电极施加直流电压。

进一步地，各部分功能如下：

(a)等离子体-小分子反应单元(1)可以产生等离子体并且与小分子体系 发生反应；

(b)飞秒激光电离系统(2)将上述反应产物进行电离；

(c)离子提取系统(3)将反应产物中被电离的离子进行提取加速整形，并且 使该离子束进入飞行时间质谱；

(d)质量分析器(4)使进入该区域的离子根据动能的差异在时间上分开，并 且由质谱探测器转换成可以分析的电压信号；

(f)真空腔室(5)为等离子-小分子反应以及质量分析器提供高真空环境。

进一步地，等离子体-小分子反应单元(1)中采用激光溅射的方法产生等离 子体。该溅射激光为脉冲激光，脉冲宽度为纳秒量级(1-1000纳秒)，波长可以 为300纳米-1200纳米。该纳秒激光经过聚焦透镜聚焦在固体靶材上，在聚焦位 置处的功率大于等于10⁵W/cm²。

进一步地，等离子体-小分子反应单元(1)中的固体靶材被固定在一个四维 调节架上，该四维调节架可以实现三维平动调节和一维转动调节。上述反应气 体通过一个毛细管以射流的方式进入等离子体发生区域并与等离子发生反应。 上述毛细管内径0.01毫米至1毫米。通过调节气体进入毛细管前的压强调节气 体分子的反应浓度。

进一步地，飞秒激光电离系统(2)被用于电离等离子体-小分子反应过程中 的中性产物。该飞秒激光可以是产生的激光脉冲宽度在10-1000飞秒，频率 1-1000赫兹，聚焦后的功率密度在10¹²W/cm²以上。飞秒激光电离区域位于纳 秒激光溅射靶材表面位置距离5-15厘米。

进一步地，离子提取系统(3)可以对上述被电离的产物进行加速和整形。 该离子提取系统(3)包括两片提取锥、离子束聚焦透镜组和两对偏转电极。提 取锥锥形立体角为20至50度，锥体开孔0.5至5毫米，锥形底部直径7至50 毫米，锥体长度5至50毫米。离子提取锥之间由绝缘垫片隔离，间距3至20 毫米。离子束聚焦透镜组包括三片柱状金属电极，该组电极外径7至50毫米， 内径5至45毫米，长度3至50毫米，电极间距2至25毫米。偏转电极由两组 金属平行板组成，该两组电极垂直放置。每组电极片间距5至35毫米。电极片 为矩形，边长尺寸为10至50毫米。上述提取锥和离子束聚焦透镜组同轴堆砌 放置，且提第一片提取锥的锥顶距离纳秒激光溅射固体靶材的区域长度6至25 毫米。

进一步地，质量分析器(4)可以采用直线式或者反射式的飞行时间质谱， 并且该质谱的探测器为基于微通道板放大方式的离子探测器。

进一步地，系统控制和数据采集单元(6)可以控制纳秒激光、飞秒激光以 及离子提取锥施加的高压脉冲的开启时间。系统控制和数据采集单元(5)控制 飞秒激光电离系统(2)在纳秒激光开启之后0.5-20微秒的时间内开启，离子提 取系统(3)的高压开启时间与飞秒激光电离系统(2)同步或者在其后5微秒 之内开启。

进一步地，真空腔室(5)有两级真空腔体组成，且每级真空腔体具有一组 机械泵加分子泵的真空泵组合构成。在装置运行的前期首先由机械泵对真空腔 室进行粗抽，之后再有分子泵对真空腔室进行精抽，从而达到高真空或者超高 真空状态。在等离子-小分子反应发生过程中反应腔(5a)的真空度优于10^-3Pa， 无场飞行腔的真空度优于10^-5Pa。

本发明利用纳秒激光溅射固体靶材产生的等离子体可以在功率密度上建模 实际过程中的等离子体发生过程，利用飞秒激光作为电离手段，可以实现对产 物的高效离子化。结合飞行时间质谱分析手段可以实时准确的分析等离子体-小 分子体系反应过程中的产物，进而达到对上述反应过程的清晰认知，为实际生 产加工过程中出现的相应问题进行理论分析提供模型依据。

附图说明

图1本发明实施例的原理示意图；

图2本发明实施例得到的铁等离子体与氧气反应的产物质谱。

其中1-等离子体-分子反应单元；1a-靶材架；1b-纳秒激光；1c-气体；2-飞 秒激光电离系统；3-离子提取系统；4-质量分析器；5-真空腔体；5a-反应腔；5b- 无场飞行腔。

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等离子体-小分子体系反应的质谱装置，如图 1所示，该装置包括等离子体-小分子反应单元(1)，飞秒激光电离系统(2)， 离子提取系统(3)，质量分析器(4)，真空腔体(5)。其中，纳秒激光溅射固 体靶材用于产生等离子体，气相小分子经过毛细管进入等离子体产生区域，并 且与等离子体在靶材表面附近发生反应。采用飞秒激光电离技术对反应产物进 行电离，最后，结合飞行时间质谱技术对反应产物进行分析并加以确认。该装 置可以准确、高效、实时地表征等离子体与气相分子反应的产物构成。

实施例1

铁等离子体与氧气反应的产物分析

本实施例旨在说明该装置用来研究铁等离子体与氧气反应之后，对产物进 行分析表征的性能。本实施例中铁等离子的产生是采用纳秒激光溅射的方法产 生。纳秒激光的参数如下，激光波长532纳米，重复频率20赫兹，能量30毫 瓦，脉冲宽度20纳秒，经过一个焦距为30厘米的透镜聚焦在铁的表面，在纳 秒激光与铁作用的区域激光的功率密度大概为2.75×10⁷W/cm²。高纯氧气 (99.99％)经过一个内径为0.5毫米的金属毛细管以射流的方式进入等离子体发 生区域。提取电极施加的电压为1600伏特。飞秒激光采用脉冲宽度30-40飞秒， 能量3.3毫焦耳，波长800纳米附近，经过一个焦距为40厘米的透镜聚焦在距 离铁与溅射激光反应区域的8毫米处对反应产物进行电离。如图2所示，最上 面图2a的图代表着只有纳秒激光溅射的时候，此时只能观察到Fe⁺的信号，虽 然铁等离子体与氧气已经反应，但是呈现中性，无法进行分析探测。图2b所示 的是只有飞秒激光的时候，此时纳秒激光没有进入，在电离分析区域只有氧气 存在，因此只有飞秒激光存在的时候只观察到了氧气的离子信号。在图2c中所 示的是当纳秒激光诱导产生等离子体并且与氧气发生反应之后，再经过飞秒激 光电离分析得到的质谱信号，从质谱图中可以清晰的看到氧化铁离子，经过纳 秒激光溅射产生的铁离子，还有等离子体诱导氧气解离而生成的氧原子离子等 产物以及相应的二价离子产物。上述结果充分的向我们展示了该发明在实时表 征等离子体-小分子反应过程及其产物时所具有的优良性能。

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。