用于光电子能谱测量的速度影像谱仪的设计、优化与实现

摘要

飞秒激光与原子分子相互作用过程是自然界光与物质反应的一个基本而又非常重要的过程，涉及到当前人们最关心的能源、医学、环境等众多领域，只有弄清楚了微观世界的作用机理才能够去调控原子与分子的反应，我们才能让其向人们的主观方向发展。探究超快超强激光与原子分子互相作用的过程中最重要的就是其作用后产物的产率、能量分布、角分布、速度分布信息等问题。速度影像谱仪技术由于可以同时测得作用过程中这些相互关联的量，并且实验探测过程又相对简单、直观故而成为了探测微观动力学的主要技术手段。
　　国际上，德国马克普朗克研究所、美国堪萨斯州立大学都已利用设计的仪器开展了相关领域的研究且取得了重要成果，国内只有北大、上海光机所和中科院物数所等少数课题组在设计好的速度影像谱仪上开展了相关实验。但由于研究方向不尽相同、研究问题也具有多样性和侧重性，我们亟需搭建自己的速度影像谱仪系统来开展原子分子超快动力学探测的相关研究。本文正是以探测光电子能谱为目的，结合实际需求，设计、优化并搭建了一套速度影像谱仪探测系统，并在搭建好的实验平台上对Ar和Xe进行了测量，校验了仪器的性能。本文的研究内容和结果如下：
　　（1）结合本实验室探测需求对速度影像谱仪的各个组成系统展开了论述和研究。如实验所需真空系统真空度的设计，喷气阀和Skimmer的参数设计，超声分子束系统的超声脉冲分子束的提取设计，粒子飞行管的长度设计等等。
　　（2）对速度影像谱仪核心部位聚焦系统的设计展开研究，通过公式的推导和参数的选取论证了在设计聚焦系统时电极板的尺寸、中心开孔直径、板间间距所应遵循的设计比例和参数范围。
　　（3）对速度影像谱仪的电压设置以及离子、电子的聚焦状况进行了研究，探究了如何通过合理的电压设置使速度影像谱仪对电子、离子的探测效果达到最优。我们还对速度影像谱仪分辨率性能进行了研究，得出了其分辨率曲线总体成抛物线状，每条曲线在中间都有其最优能量探测点的结论。用我们设计的谱仪在探测电子能量为0-100eV时最优分辨率在0.35％，最差处分辨率也达到了4.4%的量级，最佳能量探测点在32eV和45eV处。在探测电量为1，质量为1.00727647amu，能量分布在0-100eV的离子时，谱仪分辨率最优处达到了0.5%，最差处为2.8%的结果。
　　（4）作用区域对速度影像谱仪分辨率性能的影响几乎无文献涉及，对此我们通过细化区域模型，研究了作用区域对速度影像谱仪分辨率性能的影响。结果表明：在沿激光传播的方向上长度的变化对谱仪在探测低能量电子时的分辨率影响比较大，探测高能量电子影响比较小；而在垂直于探测器方向上宽度的变化对谱仪分辨率的影响与之刚好相反：对探测低能量电子的分辨率影响较小而对探测高能量电子时的分辨率影响较大。这对于实验中为获取高分辨率的图像具有重要指导意义。
　　（5）发明了一种提高速度影像谱仪分辨率性能的装置。经研究我们发现了严重制约速度影像谱仪分辨率提高的另一个原因：谱仪中电子和离子聚焦后焦点组成的平面并不与探测所在的平面平行，而是与其成一定角度，造成了聚焦时的能量色散。对此我们设计了一个色散补偿装置，用该装置能够补偿低能量电子在y方向上的飞行距离，使不同初始速度的粒子最终都聚焦在竖直探测器平面上，从而提高了速度影像谱仪的分辨率。使用改进后的速度影像谱仪在探测初始能量为0-100eV的电子的时候其分辨率水平都在0.7%以下，远远优于普通装置4.0%的分辨率水平。
　　（6）在基于我们实验室搭建的速度影像谱仪探测平台上实验，我们得到了：在激光脉冲能量为1mJ经焦距40cm的透镜聚焦后和气体作用下只能把氩气电离出Ar?电离不出2Ar?，但能把氙气电离出Xe?和2Xe?，氩气比氙气更易被激光电离，且得到了Xe?和2Xe?强度比为1.7:1的结果。我们还清晰的探测到了超快超强激光与氙气反应后的二维能谱图，充分证明我们设计的整套系统的可靠性。

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1 绪论

1.1 脉冲激光发展简介

1.2 激光与原子分子气体相互作用

1.3 超快超强激光下原子分子气体的电离机制

1.4 分子的解离

1.5 本文的主要工作

2 速度影像探测技术

2.1 速度影像技术的发展

2.2 速度影像技术的相关原理

2.3 速度影像谱仪探测系统

2.4 本章小结

3 速度影像谱仪的设计、优化和改进

3.1 研究背景

3.2 速度影像谱仪的聚焦系统设计

3.3 速度影像谱仪聚焦系统模型的建立

3.4 速度影像谱仪的电压设计

3.5 作用区域对速度影像谱仪分辨率影响的研究

3.6一种提高速度影像谱仪分辨率的方法

3.7 本章小结

4 基于搭建的速度影像谱仪探测系统的实验测试

4.1 速度影像谱仪探测系统的实验步骤

4.2 速度影像谱仪对氩气和氙气的质谱探测

4.3 速度影像谱仪对氙气的能谱探测

4.4本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士期间申请的专利

附录2 攻读硕士期间发表的学术论文