CN108376637B - 实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，导管水平设置在壳体一端端部，脉冲阀固定在导管位于壳体内的一端，第一带电极板、第二带电极板、第三带电极板、第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板均为中心开孔的带电极板，第一带电极板、第二带电极板、第三带电极板依次竖直设置构成成像透镜，第四带电极板、第五带电极板、第六带电极板依次竖直设置构成阻尼场透镜，第一飞行管和第二飞行管沿水平方向设置并固定在壳体内，成像透镜设置在第一飞行管一端，阻尼场透镜设置在第一飞行管和第二飞行管之间，探测器固定在壳体另一端端部并位于第二飞行管一端。本发明是可以对自由飞行区解离碎片分辨探测的离子速度成像仪，实现了对自由飞行区发生二次解离产生碎片离子进行分辨探测。

Description

实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪

技术领域

本发明涉及一种离子速度成像仪，特别是一种实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪。

背景技术

目前通行的离子速度成像仪是由荷兰科学家Eppink和Parker于1997年设计[1，2]，他们通过设计三块带圆孔的极板，在一定的优化电压配置下，形成离子透镜，实现对具有相同速度但是不同位置的带电粒子进行聚焦，然后被飞行管后端MCP&PS（Micro-channelPlate & Phorsphor Screen, 微通道板&磷光屏）探测器收集，如图4(a)所示，其中P1是排斥级极板，P2是加速级极板，P3是接地级极板。在离子透镜作用下，不同位置的带电粒子聚焦在探测器的一个点上，这大大提高了离子速度成像的分辨率。将带空圆盘的加上合适电压后，形成离子透镜，如图4(b)所示。

然而，目前通行的基于三极板设计的离子速度成像仪以及后来发展的多极板离子速度成像仪，都无法实现对自由飞行区（P3到探测器之间）解离碎片进行分辨。这里以大气污染物二甲苯为例，二甲苯化学式为C6H5(CH3)2，在二甲苯吸收光子后发生电离和解离，断裂一个甲基CH3生成C6H5CH3⁺离子，通过现有技术采集C6H5CH3⁺离子的离子速度影像，即可得到C6H5CH3⁺离子的动能分布和角度分布，通过分析可认识其光化学机理，然后有足够的证据表明[3]，C6H5CH3⁺离子在自由飞行区飞行过程中部分会再次发生化学键断裂，断裂第二个甲基CH3，生成C6H5⁺离子，而此时的C6H5⁺离子和未发生二次断裂的C6H5CH3⁺离子具有相同的速度，由于自由飞行区是无场区，不能被区分，因此它们两种离子将以相同的时间到达探测器被成像，被误以为是纯C6H5CH3⁺离子进行成像和分析，造成错误的实验测量。这种现象在离子速度成像领域非常普遍，至今未被解决。

通俗来讲即表述如下：化合物ABC吸收光子后发生化学键断裂，生成AB⁺离子，AB⁺离子在离子速度成像仪飞经自由飞行区到达探测器被成像，然而AB⁺离子在自由飞行区有可能发生化学键的断裂，生成A⁺离子或B⁺离子，而此时的情况是自由飞行区不具有电场分布，尽管AB⁺离子、A⁺离子、B⁺离子三种离子的质量不同，但是不能被区分，三种离子将以相同的时间（AB⁺离子的到达时间）到达探测器被探测，造成对实验的干扰，基于现有技术的离子速度成像仪对此问题无从解决。

参考文献：[1] A. T. J. B. Eppink, D. H. Parker, Rev. Sci. Instrum. 68,3477 (1997)

[2] A. T. J. B. Eppink, D. H. Parker, J. Chem. Phy. 110, 832 (1999)

[3] Y. Liu, T. Gerber, C. Qin, F. Jin, G. Knopp, J. Chem. Phy. 144,084201 (2016)

[4] D. A. Dahl, J. E. Delmore, and A. D. Appelhans, Rev. Sci.Instrum. 61, 607 (1990)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，其特征在于：包含壳体、导管、脉冲阀、激光束、第一带电极板、第二带电极板、第三带电极板、第四带电极板、第五带电极板、第六带电极板、探测器、第一飞行管和第二飞行管，导管水平设置在壳体一端端部并且导管一端穿过壳体端部设置在壳体内部，脉冲阀固定在导管位于壳体内的一端，第一带电极板、第二带电极板、第三带电极板、第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板均为中心开孔的带电极板，第一带电极板、第二带电极板、第三带电极板依次竖直设置构成成像透镜，第四带电极板、第五带电极板、第六带电极板依次竖直设置构成阻尼场透镜，第一飞行管和第二飞行管沿水平方向设置并固定在壳体内，成像透镜设置在第一飞行管一端，阻尼场透镜设置在第一飞行管和第二飞行管之间，探测器固定在壳体另一端端部并位于第二飞行管一端。

进一步地，所述第一带电极板、第二带电极板和第三带电极板的厚度为2mm，外径均为140mm，第一带电极板、第二带电极板和第三带电极板的内径分别为20mm、30mm、30mm，第一带电极板、第二带电极板和第三带电极板之间的距离为38mm。

进一步地，所述第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板厚度为2mm，外径均为140mm，第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板内径均为70mm，第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板之间的距离为20mm。

进一步地，所述第一飞行管和第二飞行管为μ金属圆形管，长度分别为620 mm和120mm，内径为140mm，外径为144mm，厚度为2mm。

进一步地，所述第一带电极板、第二带电极板和第三带电极板的电压分别为3000V、1990V、接地。

进一步地，所述第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板的电压分别为接地、300V、600V。

进一步地，所述第二飞行管电压为600V。

进一步地，所述探测器包含第一微通道板、第二微通道板和磷光屏，后侧设置CCD相机进行成像。

进一步地，所述第一微通道板、第二微通道板和磷光屏的电压分别为600V、2100V、5600V。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪实现了自由飞行区发生二次解离产生碎片离子进行分辨探测，排除实验干扰因素，提高成像实验测量的准确性。

附图说明

图1是本发明的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪的示意图。

图2是本发明的探测器示意图。

图3是本发明的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪的电场分布示意图。

图4是现有技术的基于三块极板设计的离子速度成像仪示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，包含壳体、导管G1、脉冲阀V1、激光束L1、第一带电极板P1、第二带电极板P2、第三带电极板P3、第四带电极板R1、第五带电极板R2、第六带电极板R3、探测器D1、第一飞行管T1和第二飞行管T2，导管G1水平设置在壳体一端端部并且导管G1一端穿过壳体端部设置在壳体内部，脉冲阀V1固定在导管G1位于壳体内的一端，第一带电极板P1、第二带电极板P2、第三带电极板P3、第四带电极板R1、第五带电极板R2和第六带电极板R3均为中心开孔的带电极板，第一带电极板P1、第二带电极板P2、第三带电极板P3依次竖直设置构成成像透镜，第四带电极板R1、第五带电极板R2、第六带电极板R3依次竖直设置构成阻尼场透镜，第一飞行管T1和第二飞行管T2沿水平方向设置并固定在壳体内，成像透镜设置在第一飞行管T1一端，阻尼场透镜设置在第一飞行管T1和第二飞行管T2之间，探测器D1固定在壳体另一端端部并位于第二飞行管T2一端。气象样品在导管G1导入，由脉冲阀V1喷入成像仪真空腔体，与激光束L1发生光化学作用，产生母体离子和碎片离子，在成像透镜（P1、P2、P3）形成的聚焦电场作用下，飞经自由飞行区T1可以聚焦在探测器D1上，探测器D1由两块微通道板MCP和磷光屏组成，后面设置CCD相机进行成像。然而如果碎片离子在自由飞行区T1中发生再次解离，这里的阻尼场透镜（R1、R2、R3）将起到分辨作用，通过阻尼场透镜的设置，在保持原有聚焦成像效果不变情况下，实现对自由飞行区T1中发生二次解离产生的碎片进行分辨，因为二次解离产生的碎片离子与原有离子碎片的质量数不同，阻尼场透镜的设置可以让不同质量的碎片离子以不同的飞行时间到达探测器D1上，从而实现分辨探测。

第一带电极板P1、第二带电极板P2和第三带电极板P3的厚度为2mm，外径均为140mm，第一带电极板P1、第二带电极板P2和第三带电极板P3的内径分别为20mm、30mm、30mm，第一带电极板P1、第二带电极板P2和第三带电极板P3之间的距离为38mm。第四带电极板R1、第五带电极板R2和第六带电极板R3厚度为2mm，外径均为140mm，第四带电极板R1、第五带电极板R2和第六带电极板R3内径均为70mm，第四带电极板R1、第五带电极板R2和第六带电极板R3之间的距离为20mm。第一飞行管T1和第二飞行管T2为μ金属圆形管，长度分别为620 mm和120mm，内径为140mm，外径为144mm，厚度为2mm。

第一带电极板P1、第二带电极板P2和第三带电极板P3的电压分别为3000V、1990V、接地。第四带电极板R1、第五带电极板R2和第六带电极板R3的电压分别为接地、300V、600V。第二飞行管T2电压为600V。如图2所示，探测器D1包含第一微通道板MCP1、第二微通道板MCP2和磷光屏PS，后侧设置CCD相机进行成像。第一微通道板、第二微通道板和磷光屏的电压分别为600V、2100V、5600V。

本发明的离子速度成像仪无电压如图3(a)所示，而在以上电压设置下，而不启用阻尼场情况下，整个新发明装置对应的电势能分布如图3(b)所示。为了对其可行性进行分析，我们采用国际上通用的SIMION软件对其进行模拟，假设实验过程中C6H5CH3+离子在飞行管T1内部发生解离，模拟的C6H5CH3⁺离子在飞入飞行管T1的118mm后发生碎裂产生C6H5⁺离子，此时C6H5CH3⁺离子和C6H5⁺离子的质量数分别为90amu和77amu，经过模拟发现它们在阻尼场不启用情况下，如图3(c)，均以相同的时间15.70微秒到达探测器，不能被区分。而在启用阻尼场后，如图3(d)，电场分布重新构建，C6H5CH3⁺离子和C6H5⁺离子到达探测器的时间分别为18.99微秒和17.93微秒，如图3(e)，能够很好被区分。

本发明的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪实现了自由飞行区发生二次解离产生碎片离子进行分辨探测，排除实验干扰因素，提高成像实验测量的准确性。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，其特征在于：包含壳体、导管、脉冲阀、激光束、第一带电极板、第二带电极板、第三带电极板、第四带电极板、第五带电极板、第六带电极板、探测器、第一飞行管和第二飞行管，导管水平设置在壳体一端端部并且导管一端穿过壳体端部设置在壳体内部，脉冲阀固定在导管位于壳体内的一端，第一带电极板、第二带电极板、第三带电极板、第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板均为中心开孔的带电极板，第一带电极板、第二带电极板、第三带电极板依次竖直设置构成成像透镜，第四带电极板、第五带电极板、第六带电极板依次竖直设置构成阻尼场透镜，第一飞行管和第二飞行管沿水平方向设置并固定在壳体内，成像透镜设置在第一飞行管一端，阻尼场透镜设置在第一飞行管和第二飞行管之间，探测器固定在壳体另一端端部并位于第二飞行管一端；所述第一带电极板、第二带电极板和第三带电极板的电压分别为3000V、1990V、接地；所述第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板的电压分别为接地、300V、600V。

2.按照权利要求1所述的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，其特征在于：所述第一带电极板、第二带电极板和第三带电极板的厚度为2mm，外径均为140mm，第一带电极板、第二带电极板和第三带电极板的内径分别为20mm、30mm、30mm，第一带电极板、第二带电极板和第三带电极板之间的距离为38mm。

3.按照权利要求1所述的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，其特征在于：所述第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板厚度为2mm，外径均为140mm，第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板内径均为70mm，第四带电极板、第五带电极板和第六带电极板之间的距离为20mm。

4.按照权利要求1所述的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，其特征在于：所述第一飞行管和第二飞行管为μ金属圆形管，长度分别为620 mm和120mm，内径为140mm，外径为144mm，厚度为2mm。

5.按照权利要求1所述的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，其特征在于：所述第二飞行管电压为600V。

6.按照权利要求1所述的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，其特征在于：所述探测器包含第一微通道板、第二微通道板和磷光屏，后侧设置CCD相机进行成像。

7.按照权利要求6所述的实现对自由飞行区解离碎片分辨的离子速度成像仪，其特征在于：所述第一微通道板、第二微通道板和磷光屏的电压分别为600V、2100V、5600V。

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