用于光電子能譜測量的速度影像譜儀的設計、優(yōu)化與實現(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)反應的一個基本而又非常重要的過程，涉及到當前人們最關心的能源、醫(yī)學、環(huán)境等眾多領域，只有弄清楚了微觀世界的作用機理才能夠去調(diào)控原子與分子的反應，我們才能讓其向人們的主觀方向發(fā)展。探究超快超強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。速度影像譜儀技術由于可以同時測得作用過程中這些相互關聯(lián)的量，并且實驗探測過程又相對簡單、直觀故而成為了探

2、測微觀動力學的主要技術手段。
　　國際上，德國馬克普朗克研究所、美國堪薩斯州立大學都已利用設計的儀器開展了相關領域的研究且取得了重要成果，國內(nèi)只有北大、上海光機所和中科院物數(shù)所等少數(shù)課題組在設計好的速度影像譜儀上開展了相關實驗。但由于研究方向不盡相同、研究問題也具有多樣性和側重性，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力學探測的相關研究。本文正是以探測光電子能譜為目的，結合實際需求，設計、優(yōu)化并搭建了一套速度影像譜

3、儀探測系統(tǒng)，并在搭建好的實驗平臺上對Ar和Xe進行了測量，校驗了儀器的性能。本文的研究內(nèi)容和結果如下：
　　（1）結合本實驗室探測需求對速度影像譜儀的各個組成系統(tǒng)展開了論述和研究。如實驗所需真空系統(tǒng)真空度的設計，噴氣閥和Skimmer的參數(shù)設計，超聲分子束系統(tǒng)的超聲脈沖分子束的提取設計，粒子飛行管的長度設計等等。
　　（2）對速度影像譜儀核心部位聚焦系統(tǒng)的設計展開研究，通過公式的推導和參數(shù)的選取論證了在設計聚焦系統(tǒng)時電極板的

4、尺寸、中心開孔直徑、板間間距所應遵循的設計比例和參數(shù)范圍。
　　（3）對速度影像譜儀的電壓設置以及離子、電子的聚焦狀況進行了研究，探究了如何通過合理的電壓設置使速度影像譜儀對電子、離子的探測效果達到最優(yōu)。我們還對速度影像譜儀分辨率性能進行了研究，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)能量探測點的結論。用我們設計的譜儀在探測電子能量為0-100eV時最優(yōu)分辨率在0.35％，最差處分辨率也達到了4.4%的量級，最佳

5、能量探測點在32eV和45eV處。在探測電量為1，質(zhì)量為1.00727647amu，能量分布在0-100eV的離子時，譜儀分辨率最優(yōu)處達到了0.5%，最差處為2.8%的結果。
　?。?）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涉及，對此我們通過細化區(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。結果表明：在沿激光傳播的方向上長度的變化對譜儀在探測低能量電子時的分辨率影響比較大，探測高能量電子影響比較小；而在垂直于探

6、測器方向上寬度的變化對譜儀分辨率的影響與之剛好相反：對探測低能量電子的分辨率影響較小而對探測高能量電子時的分辨率影響較大。這對于實驗中為獲取高分辨率的圖像具有重要指導意義。
　　（5）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)了嚴重制約速度影像譜儀分辨率提高的另一個原因：譜儀中電子和離子聚焦后焦點組成的平面并不與探測所在的平面平行，而是與其成一定角度，造成了聚焦時的能量色散。對此我們設計了一個色散補償裝置，用該裝置

7、能夠補償?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器平面上，從而提高了速度影像譜儀的分辨率。使用改進后的速度影像譜儀在探測初始能量為0-100eV的電子的時候其分辨率水平都在0.7%以下，遠遠優(yōu)于普通裝置4.0%的分辨率水平。
　　（6）在基于我們實驗室搭建的速度影像譜儀探測平臺上實驗，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