用于光電子能譜測(cè)量的速度影像譜儀的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與實(shí)現(xiàn).pdf

1、飛秒激光與原子分子相互作用過程是自然界光與物質(zhì)反應(yīng)的一個(gè)基本而又非常重要的過程，涉及到當(dāng)前人們最關(guān)心的能源、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等眾多領(lǐng)域，只有弄清楚了微觀世界的作用機(jī)理才能夠去調(diào)控原子與分子的反應(yīng)，我們才能讓其向人們的主觀方向發(fā)展。探究超快超強(qiáng)激光與原子分子互相作用的過程中最重要的就是其作用后產(chǎn)物的產(chǎn)率、能量分布、角分布、速度分布信息等問題。速度影像譜儀技術(shù)由于可以同時(shí)測(cè)得作用過程中這些相互關(guān)聯(lián)的量，并且實(shí)驗(yàn)探測(cè)過程又相對(duì)簡(jiǎn)單、直觀故而成為了探

2、測(cè)微觀動(dòng)力學(xué)的主要技術(shù)手段。
　　國際上，德國馬克普朗克研究所、美國堪薩斯州立大學(xué)都已利用設(shè)計(jì)的儀器開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究且取得了重要成果，國內(nèi)只有北大、上海光機(jī)所和中科院物數(shù)所等少數(shù)課題組在設(shè)計(jì)好的速度影像譜儀上開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。但由于研究方向不盡相同、研究問題也具有多樣性和側(cè)重性，我們亟需搭建自己的速度影像譜儀系統(tǒng)來開展原子分子超快動(dòng)力學(xué)探測(cè)的相關(guān)研究。本文正是以探測(cè)光電子能譜為目的，結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)、優(yōu)化并搭建了一套速度影像譜

3、儀探測(cè)系統(tǒng)，并在搭建好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)Ar和Xe進(jìn)行了測(cè)量，校驗(yàn)了儀器的性能。本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　（1）結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室探測(cè)需求對(duì)速度影像譜儀的各個(gè)組成系統(tǒng)展開了論述和研究。如實(shí)驗(yàn)所需真空系統(tǒng)真空度的設(shè)計(jì)，噴氣閥和Skimmer的參數(shù)設(shè)計(jì)，超聲分子束系統(tǒng)的超聲脈沖分子束的提取設(shè)計(jì)，粒子飛行管的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)等等。
　?。?）對(duì)速度影像譜儀核心部位聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開研究，通過公式的推導(dǎo)和參數(shù)的選取論證了在設(shè)計(jì)聚焦系統(tǒng)時(shí)電極板的

4、尺寸、中心開孔直徑、板間間距所應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)比例和參數(shù)范圍。
　　（3）對(duì)速度影像譜儀的電壓設(shè)置以及離子、電子的聚焦?fàn)顩r進(jìn)行了研究，探究了如何通過合理的電壓設(shè)置使速度影像譜儀對(duì)電子、離子的探測(cè)效果達(dá)到最優(yōu)。我們還對(duì)速度影像譜儀分辨率性能進(jìn)行了研究，得出了其分辨率曲線總體成拋物線狀，每條曲線在中間都有其最優(yōu)能量探測(cè)點(diǎn)的結(jié)論。用我們?cè)O(shè)計(jì)的譜儀在探測(cè)電子能量為0-100eV時(shí)最優(yōu)分辨率在0.35％，最差處分辨率也達(dá)到了4.4%的量級(jí)，最佳

5、能量探測(cè)點(diǎn)在32eV和45eV處。在探測(cè)電量為1，質(zhì)量為1.00727647amu，能量分布在0-100eV的離子時(shí)，譜儀分辨率最優(yōu)處達(dá)到了0.5%，最差處為2.8%的結(jié)果。
　?。?）作用區(qū)域?qū)λ俣扔跋褡V儀分辨率性能的影響幾乎無文獻(xiàn)涉及，對(duì)此我們通過細(xì)化區(qū)域模型，研究了作用區(qū)域?qū)λ俣扔跋褡V儀分辨率性能的影響。結(jié)果表明：在沿激光傳播的方向上長(zhǎng)度的變化對(duì)譜儀在探測(cè)低能量電子時(shí)的分辨率影響比較大，探測(cè)高能量電子影響比較??；而在垂直于探

6、測(cè)器方向上寬度的變化對(duì)譜儀分辨率的影響與之剛好相反：對(duì)探測(cè)低能量電子的分辨率影響較小而對(duì)探測(cè)高能量電子時(shí)的分辨率影響較大。這對(duì)于實(shí)驗(yàn)中為獲取高分辨率的圖像具有重要指導(dǎo)意義。
　?。?）發(fā)明了一種提高速度影像譜儀分辨率性能的裝置。經(jīng)研究我們發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重制約速度影像譜儀分辨率提高的另一個(gè)原因：譜儀中電子和離子聚焦后焦點(diǎn)組成的平面并不與探測(cè)所在的平面平行，而是與其成一定角度，造成了聚焦時(shí)的能量色散。對(duì)此我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)色散補(bǔ)償裝置，用該裝置

7、能夠補(bǔ)償?shù)湍芰侩娮釉趛方向上的飛行距離，使不同初始速度的粒子最終都聚焦在豎直探測(cè)器平面上，從而提高了速度影像譜儀的分辨率。使用改進(jìn)后的速度影像譜儀在探測(cè)初始能量為0-100eV的電子的時(shí)候其分辨率水平都在0.7%以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通裝置4.0%的分辨率水平。
　?。?）在基于我們實(shí)驗(yàn)室搭建的速度影像譜儀探測(cè)平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)，我們得到了：在激光脈沖能量為1mJ經(jīng)焦距40cm的透鏡聚焦后和氣體作用下只能把氬氣電離出Ar?電離不出2Ar?，但能