一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，具體涉及一種 離子動(dòng)能和荷質(zhì)比的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前通行的離子速度成像儀是荷蘭科學(xué)家Eppink和Parker在1997年設(shè)計(jì)，他們 通過(guò)設(shè)計(jì)三塊帶圓孔的極板，在一定的電壓配置下，形成離子透鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有相同速度但 是不同位置的帶電粒子進(jìn)行聚焦，然后被探測(cè)器收集。如圖la、圖lb所示，在離子透鏡作用 下，不同位置的帶電粒子聚焦在探測(cè)器的一個(gè)點(diǎn)上，這大大提高了離子速度成像的分辨率。
[0003] 然而，在目前通行的離子速度成像裝置上，測(cè)得的離子飛行時(shí)間質(zhì)譜分辨率非常 低。這是因?yàn)樵摮上駜x僅僅實(shí)現(xiàn)位置的橫向聚焦，而沒有實(shí)現(xiàn)時(shí)間的縱向聚焦。位置的橫 向聚焦如圖2(a)所示，是指不同位置的帶電離子聚焦在探測(cè)器的同一位置上，這與速度成 像的分辨率相關(guān)。而時(shí)間的縱向聚焦是指縱向不同的帶電離子飛行到探測(cè)器的時(shí)間是一樣 的，如圖2(b)所示。時(shí)間的縱向聚焦的實(shí)現(xiàn)可以大大提高離子飛行時(shí)間質(zhì)譜的分辨率，因 為它使得相同速度的離子飛行到探測(cè)器的時(shí)間相同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于四極板設(shè)計(jì) 的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，在對(duì)離子橫向成像的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)離子的飛行時(shí)間縱向聚焦。 在物理測(cè)量的表現(xiàn)為：在得到高分辨離子速度成像的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)離子飛行時(shí)間質(zhì)譜的高分 辨探測(cè)。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案： 一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，包括MCP探測(cè)器、飛行管和一端 封閉另一端敞開的中空的圓柱形腔體，所述MCP探測(cè)器、飛行管和圓柱形腔體同軸設(shè)置， MCP設(shè)置于飛行管的一端，飛行管的另一端從所述圓柱形腔體的敞開端伸入其內(nèi)部，所述圓 柱形腔體內(nèi)部，在從圓柱形腔體的封閉端至飛行管的另一端之間還同軸依次設(shè)置有第一至 第四極板，所述第一至第四極板為圓形，圓形的中心開設(shè)有圓孔，第二至第四極板的中心圓 孔直徑相同，第一極板的中心圓孔直徑小于第二至第四極板的中心圓孔直徑，第一至第四 極板等間距的設(shè)置。
[0006] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述飛行管為y金屬圓形管。
[0007] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述U金屬圓形管的內(nèi)徑為96mm，外徑為100mm， 厚度為2mm〇
[0008] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述第一極板與圓柱形腔體的封閉端之間的間距 為20mm，所述第四極板與飛行管間距為67mm。
[0009] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述第一至第四極板的厚度均為2mm，外徑均為 100mm，第一極板的中心圓孔直徑為4mm，第二至第四極板的中心圓孔直徑為20mm。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述第一至第四極板的電壓設(shè)計(jì)為：第一極板對(duì) 應(yīng)電壓4000V，第二極板對(duì)應(yīng)電壓3150V，第三極板對(duì)應(yīng)電壓1470V，第四極板P4對(duì)應(yīng)電壓 0V;所述MCP探測(cè)器、飛行管和圓柱形腔體均接地。
[0011] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明實(shí)現(xiàn)離子 的飛行時(shí)間縱向聚焦，大大提高了探測(cè)離子的飛行時(shí)間質(zhì)譜的分辨率。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖la是現(xiàn)行的基于三塊極板設(shè)計(jì)的離子速度成像儀設(shè)計(jì)圖。
[0013] 圖lb是現(xiàn)行技術(shù)中離子透鏡電勢(shì)分布效果圖。
[0014] 圖2a是離子的位置橫向聚焦示意圖。
[0015] 圖2b是離子的飛行時(shí)間縱向聚焦示意圖。
[0016] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明和本發(fā)明的比較示意圖。
[0017] 圖4a是本發(fā)明中基于四極板設(shè)計(jì)的離子成像儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
[0018] 圖4b是本發(fā)明中不同位置五種初速度離子飛行聚焦效果圖。
[0019]圖5是本發(fā)明中四極板離子透鏡的電勢(shì)能分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明： 本發(fā)明中基于四極板設(shè)計(jì)的離子成像儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4a所示，本發(fā)明中不 同位置五種初速度離子飛行聚焦效果圖如圖4b所示。所述基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨 離子速度成像儀，包括MCP探測(cè)器、飛行管和一端封閉另一端敞開的中空的圓柱形腔體，所 述MCP探測(cè)器、飛行管和圓柱形腔體同軸設(shè)置，MCP設(shè)置于飛行管的一端，飛行管的另一端 從所述圓柱形腔體的敞開端伸入其內(nèi)部，所述圓柱形腔體內(nèi)部，在從圓柱形腔體的封閉端 至飛行管的另一端之間還同軸依次設(shè)置有第一至第四極板，所述第一至第四極板為圓形， 圓形的中心開設(shè)有圓孔，第二至第四極板的中心圓孔直徑相同，第一極板的中心圓孔直徑 小于第二至第四極板的中心圓孔直徑，第一至第四極板等間距的設(shè)置。
[0022] 所述第一至第四四塊極板（P1至P4)為開圓孔的圓形極板，厚度為2_，外徑均為 100mm，P1內(nèi)徑4mm，P2、P3和P4內(nèi)徑為20mm;相鄰極板之間的距離為20mm，P1與腔體間 距為20mm;P4與飛行管間距為67mm;飛行管為y金屬圓形管，內(nèi)徑為96mm，外徑為100mm， 厚度為2mm〇
[0023] 本發(fā)明中四極板離子透鏡的電勢(shì)能分布圖如圖5所示，電壓設(shè)計(jì)的具體設(shè)置為： 第一塊極板P1對(duì)應(yīng)電壓4000V，第二塊極板P2對(duì)應(yīng)電壓3150V，第三塊極板P3對(duì)應(yīng)電壓 1470V，第四塊極板P4對(duì)應(yīng)電壓0V，其余(含y金屬飛行管）均接地。
[0024] 現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明和本發(fā)明的比較示意圖如圖3所示，該發(fā)明大大提高了探測(cè)離子的 飛行時(shí)間質(zhì)譜的分辨率。目前對(duì)于離子飛行軌跡國(guó)際上最權(quán)威的檢驗(yàn)程序是SMI0N。我們 采用該程序的最新版本SMI0N8. 1對(duì)該申請(qǐng)的發(fā)明進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)，并比較了該發(fā)明與現(xiàn)有 技術(shù)發(fā)明的檢驗(yàn)結(jié)果。比較結(jié)果如表1所示，基于該申請(qǐng)的四塊極板設(shè)計(jì)裝置測(cè)得的飛行 時(shí)間質(zhì)譜的譜峰寬度At4明顯小于基于三極板設(shè)計(jì)的現(xiàn)有技術(shù)裝置測(cè)到的譜峰寬度At3。 在離子源不同的分布寬度下，提高的分辨率倍數(shù)At3/AtJ*數(shù)不同。離子源分布越寬，新技 術(shù)提高分辨率的倍數(shù)越大，即新技術(shù)的高分辨效果越明顯。當(dāng)離子源寬度Ax為7mm時(shí)候， 新技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所提高的飛行時(shí)間質(zhì)譜分辨率可達(dá)到24. 32倍。
[0025] 表1.在不同半徑（Ax)離子源分布下，模擬測(cè)量得到的飛行時(shí)間質(zhì)譜譜峰寬度 At3 (現(xiàn)有技術(shù)方法）和At4 (本發(fā)明）的比較：
上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方 式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做 出各種變化。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限 制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技 術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動(dòng)或 修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí) 質(zhì)，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單的修改、等同替換與改進(jìn) 等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，包括MCP探測(cè)器、飛行管和一 端封閉另一端敞開的中空的圓柱形腔體，所述MCP探測(cè)器、飛行管和圓柱形腔體同軸設(shè)置， MCP設(shè)置于飛行管的一端，飛行管的另一端從所述圓柱形腔體的敞開端伸入其內(nèi)部，其特 征在于：所述圓柱形腔體內(nèi)部，在從圓柱形腔體的封閉端至飛行管的另一端之間還同軸依 次設(shè)置有第一至第四極板，所述第一至第四極板為圓形，圓形的中心開設(shè)有圓孔，第二至第 四極板的中心圓孔直徑相同，第一極板的中心圓孔直徑小于第二至第四極板的中心圓孔直 徑，第一至第四極板等間距的設(shè)置。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，其特征在 于：所述飛行管為U金屬圓形管。3. 如權(quán)利要求2所述的一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，其特征在 于：所述U金屬圓形管的內(nèi)徑為96mm，外徑為100mm，厚度為2mm〇4. 如權(quán)利要求1或3所述的一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，其特 征在于：所述第一極板與圓柱形腔體的封閉端之間的間距為20mm，所述第四極板與飛行管 間距為67_。5. 如權(quán)利要求4所述的一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，其特征 在于：所述第一至第四極板的厚度均為2mm，外徑均為100mm，第一極板的中心圓孔直徑為 4mm，第二至第四極板的中心圓孔直徑為20mm。6. 如權(quán)利要求1或3所述的一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，其特 征在于，所述第一至第四極板的電壓設(shè)計(jì)為：第一極板對(duì)應(yīng)電壓4000V，第二極板對(duì)應(yīng)電壓 3150V，第三極板對(duì)應(yīng)電壓1470V，第四極板P4對(duì)應(yīng)電壓OV;所述MCP探測(cè)器、飛行管和圓柱 形腔體均接地。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于四極板設(shè)計(jì)的高時(shí)間分辨離子速度成像儀，包括MCP探測(cè)器、飛行管和一端封閉另一端敞開的中空的圓柱形腔體，所述MCP探測(cè)器、飛行管和圓柱形腔體同軸設(shè)置，MCP設(shè)置于飛行管的一端，飛行管的另一端從所述圓柱形腔體的敞開端伸入其內(nèi)部，所述圓柱形腔體內(nèi)部，在從圓柱形腔體的封閉端至飛行管的另一端之間還同軸依次設(shè)置有第一至第四極板，所述第一至第四極板為圓形，圓形的中心開設(shè)有圓孔，第二至第四極板的中心圓孔直徑相同，第一極板的中心圓孔直徑小于第二至第四極板的中心圓孔直徑，第一至第四極板等間距的設(shè)置。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)離子的飛行時(shí)間縱向聚焦，大大提高了探測(cè)離子的飛行時(shí)間質(zhì)譜的分辨率。
【IPC分類】H01J49/40
【公開號(hào)】CN104934288
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510237939
【發(fā)明人】劉玉柱, 敖曠, 曹兆樓, 蘇靜, 陳云云, 鄭改革
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年5月12日