基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电场强度的测量领域，具体提出了一种结构简单、操作方便、测量准确的基于飞行时间质谱的真空气室电场强度的测量装置和方法，装置包括脉冲激光源、加速电场控制器、第一微通道板探测器、第二微通道板探测器、第一信号收集板、第二信号收集板、信号处理电路、数字示波器，所述第一微通道板探测器、第二微通道板探测器、第一信号收集板和第二信号收集板设置在真空气室内；本发明专利技术通过原子离子在均匀静电场中的加速飞行时间，配合使用加速栅网与两组微通道板探测器，形成两套飞行时间质谱，分别记录两套飞行时间质谱下原子离子的加速飞行时间，得到均匀静电场的电场强度。本发明专利技术在保持了结构简单、操作简便优势的基础上，提高了测量精度。

【技术实现步骤摘要】
基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置和方法
本专利技术属于电场强度的测量领域，具体涉及一种结构简单、操作方便、测量准确的基于飞行时间质谱的真空气室均匀电场强度测量装置和方法。
技术介绍
真空气室是在真空泵维持的真空环境内充有原子或分子气体的腔体，是基础科学研究和国防工业应用的基本设备，在溅射镀膜、离子加速、电磁冶金、冷原子分子操控等领域都有广泛应用。这些应用广泛使用到原子分子气体的均匀静电场，例如溅射镀膜中正离子在电场加速下高速轰击阴极靶体，环形离子加速器中周期性电场逐次加速离子，电磁冶金中电场对材料进行改性处理，超冷原子分子中电场控制原子分子的偶极取向。制备均匀电场的静电极板通常安装于真空腔体内部。这是由于如果把直流电场极板放置在真空腔体外，可能需要数千伏甚至数万伏的高压才能有效控制真空腔体内的原子分子。这样高压不仅难以实现，而且比较危险，同时高压也容易使腔体及周围介质发生极化。为了测量真空气室内电场强度这一重要参数，最常用的方法是理论计算或软件仿真，但其准确性需要实际测量来验证。若在大气环境中复建真空腔体内的电极装置，电场强度受到大气环境和电场传感器的影响，无法对真空气室环境的电场强度进行准确测量。有一种根据运动学规律计算均匀加速极板间电场强度的测量方法，计算公式为，式中m为原子离子质量，e为离子电荷。其余物理量均为待测参数，其中d为原子离子在均匀静电场的加速飞行距离，L为电场极板与微通道板探测器的距离，T为原子电离时刻与原子离子飞行到微通道板探测器时的时间间隔。通过测量这3个参数虽然可以得到电场强度，但这些实验参数均不易测量准确，原因如下：（1）实验中可准确测量原子电离时刻与电流信号到达显示器（如示波器）的时间间隔，该时间包括所述时间间隔T和离子信号在后续电路中的传输处理时间，要剔除后面这部分时间比较困难，这导致时间T的真实值与测量值可能有数微秒的偏差；（2）离子加速飞行距离d的测量精度取决于电离样品位置的测量精度，例如采用冷原子作为电离样品时，需要通过CCD对冷原子和平行极板同时成像，利用已知的平行极板距离D来确定原子位置。由于CCD有一定的观察角度，这种方法的测量精度在数毫米。如果腔体周围空间狭小，就无法同时拍摄原子和两块平行极板，这种方法就不确定参数d；（3）一般情况下均匀电场极板与微通道板探测器的距离L比离子加速飞行距离d更大，测量精度会更差。如果未留观察窗口，则无法在真空环境下测量该数据。因此提供一种测量精度高的真空气室均匀电场强度的测量装置和方法，具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单、操作简便、测量准确的基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置和方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，真空气室内设置有相互平行的第一栅网和第二栅网，包括脉冲激光源、加速电场控制器、第一微通道板探测器、第二微通道板探测器、第一信号收集板、第二信号收集板、信号处理电路、数字示波器，所述第一微通道板探测器、第二微通道板探测器、第一信号收集板和第二信号收集板设置在真空气室内；所述脉冲激光源用于输出脉冲激光，所述脉冲激光在真空气室内的传播方向与所述第一栅网平行，并位于第一栅网和第二栅网之间，用于对真空气室内的原子进行电离，产生飞行离子，所述加速电场控制器用于向所述第一栅网或第二栅网输出方波形电压，使所述第一栅网与第二栅网之间产生方波形电场，所述飞行离子在方波形电场的作用下飞向第一微通道板探测器或第二微通道板探测器并产生电流信号，电流信号经所述第一信号收集板或第二信号收集板收集后，经所述信号处理电路发送至所述数字示波器显示。所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，还包括数字脉冲发生器，所述数字脉冲发生器的输出端与加速电场控制器连接，用于调节所述加速电场控制器输出的方波形电压信号的上升沿时刻以及下降沿时刻。所述脉冲激光源包括激光器，所述激光器用于在数字脉冲发生器的控制下产生ns时间宽度的激光脉冲。所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，其特征在于，还包括第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关，所述第一单刀双掷开关的一端与加速电场控制器连接，另一端分别与第一栅网和第二栅网连接；所述第二单刀双掷开关的一端分别与第一信号收集板和第二信号收集板连接，另一端与信号处理电路连接。所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，其特征在于，还包括加速电场电源、第一微通道板电源和第二微通道板电源，所述加速电场电源用于给所述加速电场控制器提供正电压电源，所述第一微通道板电源和第二微通道板电源分别用于给所述第一微通道板探测器和第二微通道板探测器提供电源。此外，本专利技术还提供了一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量方法，基于权利所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置实现，包括以下步骤：S1、开启脉冲激光源，使其对真空气室内的位于第一栅网和第二栅网之间原子进行电离，产生飞行离子；S2、打开加速电场控制器向第一栅网输出方波形电压，使第一栅网与第二栅网之间产生电场；通过第一信号收集板收集飞行离子飞向第一微通道板电源的电流，并通过数字示波器显示离子的飞行时间质谱；S3、逐渐推迟加速电场控制器向第一栅网输出的方波形电压的上升沿时刻，直至数字示波器显示离子的飞行时间质谱由稳定状态向右移动时，记录飞行时间质谱开始移动时对应的上升沿临界延迟时间；然后逐渐提前加速电场控制器向第一栅网输出的方波形电压的下升沿时刻对应的时间点，直至数字示波器显示离子的飞行时间质谱再次由稳定状态向右移动时，记录飞行时间质谱开始移动时的对应下降沿临界提前时间；计算得到第一加速飞行时间tA；S4、使加速电场控制器向第二栅网输出方波形电压，重复上述步骤S2~S3，计算得到第二加速飞行时间tB；S5、计算得到电场强度，计算公式为：；其中，E表示电场强度，D表示第一栅网与第二栅网之间的距离，m表示飞行离子的质量，e表示飞行离子的带电量。所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量方法，还包括以下步骤：S6、改变加速电场控制器的输出电压大小，重复步骤S1~S5，计算得到多个不同电压下的电场强度，通过线性拟合，得到电场强度与输出电压之间的关系。第一加速飞行时间tA等于下降沿临界提前时间减去上升沿临界延迟时间。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术提供了一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置和方法，通过给两个电极板（即栅网）分别施加方波形电压，形成方波形电场，通过分别调节方波形电压的上升沿和下降沿，观测飞行时间谱离子信号的移动时间，来得到离子向两个电极板的加速飞行时间，由于加速飞行时间的精度可达到纳秒量级，因此本专利技术通过测量加速飞行时间来测量电场强度具有测量精度高的优点，与常用方法中测量时间间隔T的测量精度相比，具有显著优势；而且，本专利技术中，栅网距离D是两极板的间距，因极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，真空气室（16）内设置有相互平行的第一栅网（10）和第二栅网（11），其特征在于，包括脉冲激光源、加速电场控制器（4）、第一微通道板探测器（13）、第二微通道板探测器（14）、第一信号收集板（12）、第二信号收集板（15）、信号处理电路（21）、数字示波器（22），所述第一微通道板探测器（13）、第二微通道板探测器（14）、第一信号收集板（12）和第二信号收集板（15）设置在真空气室（16）内；/n所述脉冲激光源用于输出脉冲激光，所述脉冲激光在真空气室（16）内的传播方向与所述第一栅网（10）平行，并位于第一栅网（10）和第二栅网（11）之间，用于对真空气室内的原子进行电离，产生飞行离子，所述加速电场控制器（4）用于向所述第一栅网（10）或第二栅网（11）输出方波形电压，使所述第一栅网（10）与第二栅网（11）之间产生方波形电场，所述飞行离子在方波形电场的作用下飞向第一微通道板探测器（13）或第二微通道板探测器（14）并产生电流信号，电流信号经所述第一信号收集板（12）或第二信号收集板（15）收集后，经所述信号处理电路（21）发送至所述数字示波器（22）显示。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，真空气室（16）内设置有相互平行的第一栅网（10）和第二栅网（11），其特征在于，包括脉冲激光源、加速电场控制器（4）、第一微通道板探测器（13）、第二微通道板探测器（14）、第一信号收集板（12）、第二信号收集板（15）、信号处理电路（21）、数字示波器（22），所述第一微通道板探测器（13）、第二微通道板探测器（14）、第一信号收集板（12）和第二信号收集板（15）设置在真空气室（16）内；
所述脉冲激光源用于输出脉冲激光，所述脉冲激光在真空气室（16）内的传播方向与所述第一栅网（10）平行，并位于第一栅网（10）和第二栅网（11）之间，用于对真空气室内的原子进行电离，产生飞行离子，所述加速电场控制器（4）用于向所述第一栅网（10）或第二栅网（11）输出方波形电压，使所述第一栅网（10）与第二栅网（11）之间产生方波形电场，所述飞行离子在方波形电场的作用下飞向第一微通道板探测器（13）或第二微通道板探测器（14）并产生电流信号，电流信号经所述第一信号收集板（12）或第二信号收集板（15）收集后，经所述信号处理电路（21）发送至所述数字示波器（22）显示。


2.根据权利要求1所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，其特征在于，还包括数字脉冲发生器（1），所述数字脉冲发生器（1）的输出端与加速电场控制器（4）连接，用于调节所述加速电场控制器（4）输出的方波形电压信号的上升沿时刻以及下降沿时刻。


3.根据权利要求2所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，其特征在于，所述脉冲激光源包括激光器（2），所述激光器（2）用于在数字脉冲发生器（1）的控制下产生ns时间宽度的激光脉冲。


4.根据权利要求1所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置，其特征在于，还包括第一单刀双掷开关（19）和第二单刀双掷开关（20），所述第一单刀双掷开关（19）的一端与加速电场控制器（4）连接，另一端分别与第一栅网（10）和第二栅网（11）连接；所述第二单刀双掷开关（20）的一端分别与第一信号收集板（12）和第二信号收集板（15）连接，另一端与信号处理电路（21）连接。


5.根据权利要求1所述的一种基于飞行时间质谱的真空气室电场强度测量装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬中华，赵延霆，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14