[发明专利]自由团簇时间分辨发光谱的测量方法

说明书

本发明公开了自由团簇时间分辨发光谱的测量方法，所述方法通过团簇源产生团簇束流，通过团簇离子光学聚焦系统形成沿系统轴线飞行的平行束流，经团簇质量选择器形成单一尺寸团簇束流，然后经离子加速系统使团簇进入以选定的速度自由飞行的空间，在飞行过程中通过激光照射窗口对团簇给予连续激光照射，并通过单光子探测器测量团簇发光强度。与现有技术相比，本发明的优点在于：实现了对单个团簇粒子发光的动态追踪测量，可以对大量的单团簇粒子发光信号进行长时间累积测量，克服了以往采用离子阱技术通过电磁场进行精细的三维定点约束所带来的操控复杂、实验困难，以及离子阱内样本数过少造成的发光信号微弱等问题，使测量条件和成本大为简化。

技术领域

本发明属于原子分子物理、团簇物理的基础研究以及纳米材料光学性质分析等技术领域，涉及基于动态约束与飞行时间分析单一尺寸团簇时间分辨发光谱测量技术，具体为自由团簇时间分辨发光谱的测量方法。

背景技术

光发射谱是研究原子、分子和团簇性质的重要手段。由于吸附或沉积于固体表面的原子、分子和团簇的光发射谱与它们处于自由状态的光发射谱往往有很大的差异，为研究原子、分子和团簇的本征性质，需要对自由飞行中的粒子进行光发射谱的测量。对于原子、分子，能够通过稳定的气体样品完成这一测量。而对于团簇，由于难以得到单一尺寸团簇构成的稠密气相样本，并且自由状态的团簇粒子往往在高速飞行中，难以追踪，且迅速沉积到固体表面，在气相中存在时间很短，不能定位。这导致自由团簇的光谱测量非常困难。目前现有技术中唯一的方法是采用“离子阱”，即：将团簇离子约束于有限空间中一定的时间，以完成定点的光激发与光谱的测量[Akira Terasaki,Takuya Majima,Chiharu Kasai,Tamotsu Kondow,et al.Photoabsorption and Magneto-Optical Spectroscopy ofMass-Selected Atomic and Cluster Ions Stored in an Ion Trap，AIP ConferenceProceedings 1197,134(2009)]。一般情况下，通过离子阱实现团簇离子的约束，需要将团簇的动能降到热能以下，并通过电磁场进行精细的三维约束，操控复杂，实验困难。此外，离子阱中只能同时囚禁小量的几个团簇，其光发射信号很微弱，需要借助于同步辐射等超强光源才能够实现光谱的测量。因而使得对于自由团簇光发射谱的测量至今没有有效的手段，尤其是用于分析团簇激发态能级寿命的时间分辨发光谱，现有技术中尚未见相关测量方法报道。

发明内容

解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，实现对单团簇追踪测量，从而获得自由团簇的时间分辨发光谱，本发明提出了一种基于动态约束与飞行时间分析的自由团簇动态追踪测量方案。该方案经过尺寸选择和加速，得到单一尺寸和动能的、强度稳定的团簇束流，团簇粒子在无场空间具有恒定的飞行速度，其飞行时间与所经过的飞行长度是精确对应的。因此，将团簇约束在确定的路径上飞行，在飞行路径的特定位置配置光照射窗口，使经过的团簇粒子被光激发，并在团簇随后飞行路径的不同位置上配置一系列光学测量窗口，借助于高速单光子测量技术，对各光学测量窗口进行光强累积记录，不同窗口测得的光信号对应于团簇在不同衰变时间下的发射光，而所述的衰变时间即为团簇从光激发(照射)窗口到被光学测量窗口的飞行时间。在确定的光信号累积记录时间下，各光学窗口的累积光强随团簇由激发窗口到该窗口飞行时间的变化，即给出其时间分辨发光谱。

技术方案：自由团簇时间分辨发光谱的测量方法，所述方法通过团簇源产生包含各种尺寸的团簇束流，通过团簇离子光学聚焦系统形成沿系统轴线飞行的平行束流，经团簇质量选择器形成单一尺寸团簇束流，然后经离子加速系统使团簇进入以选定的速度自由飞行的空间，在飞行过程中通过激光照射窗口对团簇给予连续激光照射，使团簇被光激发进入团簇自由飞行区间，区间内设置至少一个沿团簇飞行路径移动的单光子探测器测量团簇发光强度，由对应于团簇由激发点到达各测量点的飞行时间的发光强度得到团簇的时间分辨发光谱。

优选的，单一尺寸团簇束流经经离子加速系统形成确定动能的团簇。