[发明专利]低电压弱场加速离子成像式小型光解碎片平动速度谱仪

说明书

本发明涉及一种低电压弱场加速离子成像式小型光解碎片平动速度谱仪，包括源室、反应室、真空泵、脉冲阀、准直器、光解激光和电离激光、低电压弱场离子加速和聚焦系统、微通道板、荧光屏、数据采集系统、时序控制系统和计算机；本申请创新地用弱电场(10～30V/cm)加速离子同时使离子聚焦。离子飞行总距离仅约为12cm。本发明采用低电压弱场使得定态的离子牛顿球的短轴能达到较大的时差，这十分利于随后的时间切片操作。本申请分辨率等性能优于目前通用的大多数强电场(100～350V/cm)加速，长距离(38～105cm)飞行的离子成像式光解碎片平动能谱仪。本发明可以为光解动力学的研究提供更精确、更简便高效的实验手段。

技术领域

本发明涉及一种低电压弱场加速离子成像式小型光解碎片平动速度谱仪，涉及分子反应动力学技术领域。

背景技术

分子反应动力学在原子、分子层次上，研究化学反应中的分子动态结构、反应过程、反应速率和反应机理。精确测量产物分子的速度在三维空间中的分布(速率分布和角分布)是分子反应动力学的重要研究内容，能够揭示分子化学反应的反应通道、能量分配、产物量子态分布和反应过渡态等信息，以深入理解反应机理和调控化学反应。李远哲教授因使用交叉分子束实验方法研究分子碰撞反应动力学获得诺贝尔化学奖。

分子光解反应又称半碰撞反应，是重要的单分子反应，又是光化学反应的基础。在气体分子光解反应动力学的研究中，测量光解碎片的速度分布(速率分布和角分布)非常重要，能够得到分子光解的反应通道、能量分配、光解碎片的量子态分布、反应过渡态和反应机理。1970年，Wilson等人建成了第一台分子束-激光光解碎片平动能谱仪(PTS)，检测一固定方向的光解碎片的速率分布。1981～1985年前后，李远哲教授实验室、曼彻斯特大学及中国科学院化学研究所，先后建成分子束方向可改变的光解碎片平动能谱仪。上述光解碎片平动能谱仪可先后测量在不同角度的光解碎片速率分布，如图1所示，但是其结构复杂、又需要超高真空。1987年，Chandler和Houston利用离子成像技术同时测量分子光解碎片的速率分布和角分布。其工作原理是先将一种光解碎片用激光电离成离子，并用强电场加速离子，再使其自由飞行，最后飞向位置敏感的微通道板(MCP)，其后设置荧光屏和CCD相机进行摄像记录。此二维环形平面图像，可用阿贝尔反变换转换成三维牛顿球，故可同时得到光解碎片的速率分布和角分布，该仪器结构如图2所示。1997年，Eppink和Parker提出速度成像的概念，其采用两级电场加速时，电极板中空，不加栅网，使电极加速离子时还具有聚焦作用，这显著提高了离子速度图像的空间分辨，其结构如图3所示，此技术得到了推广。为了进一步提高图像的分辨，本世纪初又有采用时间切片技术(Slicing)，直接测量产物离子形成的牛顿球中间部分的方法，此举可获得分辨更高的图像。

在国内，中国科学院大连化学物理研究所、武汉物理与数学研究所、清华大学、中国科学技术大学、中国台湾原子分子科学研究所等单位，均建有离子成像式光解碎片平动能谱仪实验装置。目前国内外离子成像式PTS都采用高电压(650V～1800V)加速产物离子，需要经过较长的飞行距离(38～105cm)。已建成的离子成像式PTS，很多宣称速度分辨能力能达到Δv/v≈1％，但是从文献报道的实验结果来看，只有少数实验谱图达到这一指标。对于测量速度的仪器，较强的外加电场会对测量的精确度造成不利影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种使用低电压弱场加速离子，且能够提高测量精度和仪器分辨能力的离子成像式小型光解碎片平动速度谱仪。