一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器

1.本发明属于原子分子物理与纳米科学技术领域，涉及一种广泛应用于团簇物理、化学性质研究与团簇束流可控沉积的装置，具体涉及一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器。


背景技术：

2.现已有单通道质量选择器，只能平行地收集到所需要单一粒子，且质量相差不是很大的粒子，经历了不完整的加速或减速脉冲，进入了减速区域且没有打到上底板上，在减速区域内倾斜着射出，在右收集区域打成一片，影响收集到团簇粒子的纯度。如果发射的粒子束中包含多种质量的粒子，现有技术只能收集单一粒子，就造成了其他质量粒子的浪费。
3.现有的技术单通道质量选择器能实现某一固定质量的粒子选择，但装置结构的局限性和团簇粒子打到极板上，会导致电压的波动，影响实际的收集效果，并且质量相近的粒子也会部分影响最终收集的纯度，装置整体的利用效率是不高的。
4.目前解决方案如下：
5.申请日，2022/1/28；申请号：cn202111128715.1，专利名称：横向飞行时间团簇质量选择器及其使用方法，该专利公开了横向飞行时间团簇质量选择器及其使用方法，采用一对平行板电极取代目前通用的团簇飞行时间质量选择器中由团簇离子正向偏转区、自由飞行区、反向偏转区三组电极的复杂结构，使选择器结构大为简化。通过该选择器选择出的团簇质量与施加于平行板电极上的加减速脉冲电压幅度之间有简单的线性关系，因此，可以简单地通过调节脉冲电压幅值来选择团簇质量，使选择器的调试和操作直观且简单容易，质量分辨率恒定，标定迅速。通过合理地设定电压脉冲的时间逻辑，可以使团簇质量选择达到50％的高通过率。此外，其电场分布结构约束离子向轴线汇聚，与目前通用的团簇飞行时间质量选择器的导致离子发散的电场分布配置相比，更有利于束流品质的提高。
6.其是针对横向飞行时间团簇质量选择器及其使用方法，采用一对平行板电极取代目前通用的团簇飞行时间质量选择器中由团簇离子正向偏转区、自由飞行区、反向偏转区三组电极的复杂结构，使选择器结构大为简化。本文是针对现有单通道质量选择器提出了一种等动量与等动能加速方式的多通道质量选择器，该方法对多种质量的同元素粒子进行质量选择，解决了粒子产量低下的问题，提高了粒子平均利用效率。
7.申请日，2017/5/31；申请号：cn201611155539.x，专利名称：一种团簇的质量选择装置及团簇粒子的选择方法，该专利公开了一种团簇的质量选择装置，涉及仪器组装领域，其包括质量选择器和电场施加装置，电场施加装置通过电源线与质量选择器相连接，质量选择器设置有筛选团簇粒子的加速区、飞行区和减速区。采用了多层筛选的方式，从质量选择器入口进入的团簇粒子经过加速区加速后，再经过飞行区的筛选进入减速区，经过减速区筛选出的团簇粒子从质量选择器的通道出口射出。经过多层筛选，精确分离出特定质量的团簇粒子，提高了质量选择的精确性，有利于后续处理操作的运行。
8.其是一种团簇的质量选择装置，质量选择器设置有筛选团簇粒子的加速区、飞行
区和减速区。所述粒子选择腔内从上到下依次设置有第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板，所述第一电极板和所述第二电极板之间形成所述质量选择器的加速区。本文的团簇选择方法利用的是等动量和等动能的双重加速方式实现多通道的质量选择器设计，一共有两层加速区域，其粒子总体的水平位移大大缩小，装置的长度和高度都保存在合理的范围内。
9.申请日，2017/8/4；申请号：cn201621376463.9，专利名称：一种团簇的质量选择装置及团簇的处理装置，该专利公开了一种团簇的质量选择装置及团簇的处理装置，涉及仪器组装领域，其包括质量选择器和电场施加装置，电场施加装置通过电源线与质量选择器相连接，质量选择器设置有筛选团簇粒子的加速区、飞行区和减速区。采用了多层筛选的方式，从质量选择器入口进入的团簇粒子经过加速区加速后，再经过飞行区的筛选进入减速区，经过减速区筛选出的团簇粒子从质量选择器的通道出口射出，经过超高真空传样系统进入后续处理设备。经过多层筛选，精确分离出特定质量的团簇粒子，提高了质量选择的精确性，有利于后续处理操作的运行。
10.其是一种团簇的质量选择装置及团簇的处理装置，所述电场施加装置通过电源线与所述质量选择器相连接，所述质量选择器设置有粒子选择腔，所述粒子选择腔内从上到下依次设置有第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板，所述第一电极板和所述第二电极板之间形成所述质量选择器的加速区，所述第二电极板和所述第三电极板之间形成所述质量选择器的飞行区，所述第三电极板和所述第四电极板之间形成所述质量选择器的减速区。本文公开了一种等动量与等动能加速方式的多通道质量选择器，其装置结构包括了由金属板组成的2个加速区域，2个过渡区域和若干个减速区域。


技术实现要素：

11.为解决现有技术中存在的问题，即科研与物质生产过程确定质量团簇粒子选择在实用中意义重大，如图2所示的现有的单通道质量选择器可以实现某一确定质量的粒子选择，但是对于其他质量的粒子，都被打到了不同部分的极板上。因此，提升团簇质量选择器的产量在团簇性质的精密测量与团簇束流的可控沉积中具有广泛的需要。本发明提出了一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器，解决了粒子产量低下的问题，提高了粒子通过率，两个加速区域的设计使本发明比起等动量加速或等动能加速而言，粒子总体的水平位移大大缩小，从而减小了装置尺寸，降低了制作成本。
12.本发明提供一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器，所述选择器置于真空腔内，其特征在于，包括平行板电极、入口狭缝板、出口狭缝板和垂直板，形成2个加速区域，2个过渡区域和若干个减速区域，每个区域上下的平行板电极是平行设置的，所述加速区域1一侧为入口狭缝板另一侧为垂直板，所述减速区域一侧为出口缝隙板另一侧为加垂直板，其余区域两侧均为垂直板，所述平行板电极与左右侧对应板垂直且贴合，所述平行板电极外接高压脉冲电源，入口狭缝板靠近下平行板电极一端开设入口狭缝，出口狭缝板靠近每个区域下平行板电极的一端开设一条出口狭缝，且各区域之间保持电绝缘；
13.所述加速区域根据选择的粒子范围调节加速区域与过渡区域脉冲电压，使所有选择的粒子获得相同动能；
14.所述加速区域1由上下两块平行板组成，下平行板电压恒定，加速脉冲电压加在上
平行板上，其电场方向竖直向上，团簇粒子在均匀电场下向上加速运动，获得竖直方向上的速度，加速时间小于此次选择的质量最小粒子在加速区域1内一直加速运动直至离开的时间；
15.所述加速区域2由上下两块平行板组成，上平行板接过渡脉冲电压，加速脉冲电压加在下平行板上，电场方向竖直向上，团簇粒子在均匀电场下第二次向上加速运动，获得竖直方向上的速度，加速时间大于此次选择的质量最大粒子在加速区域2内一直加速运动直至离开的时间；
16.所述过渡区域是实现脉冲电压幅值从加速区域到减速区域的过渡；
17.过渡脉冲电压施加在对应过渡区间上下平行板和左右平行板上，实现脉冲电压幅值从加速区域电压幅值到减速区域电压幅值的过渡；
18.所述减速区域是改变选择的粒子的竖直速度为0，使粒子沿水平方向飞行，从出口狭缝获得所选择的预定质量的粒子；
19.在各层减速区域内，减速脉冲施加在该减速区域n上平行板上，电场方向竖直向下，脉冲的持续时间为该层所选择的粒子在减速区域内减速运动直至竖直方向上速度为0。
20.作为本发明进一步改进，所述平行板电极、入口狭缝板、出口狭缝板和垂直板的材质均为铝。
21.作为本发明进一步改进，平行板电极长度7000mm-11400mm，宽度为2500mm，厚度为3mm。
22.作为本发明进一步改进，过渡区域两个平行板电极内表面之间的间距为40000mm外，其余各个区域两个平行板电极内表面之间的间距均为150mm。
23.作为本发明进一步改进，所述入口狭缝板和出口狭缝板的狭缝长度均为2000mm，宽度为2mm-10mm。
24.作为本发明进一步改进，所述入口狭缝中心线与加速区域1下平行板的内表面的距离为12mm,从减速区域1开始每层n的出口狭缝中心线与减速区域下平行板电极内表面的距离为12mm。
25.有益效果：
26.本发明所述一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器实现了对多种质量的同元素粒子的质量选择，使原本一次实验只能收集一种质量的粒子到现在一次实验可收集若干种粒子的质量，解决了粒子产量低下的问题；通过合理地设定各个电压脉冲的时间逻辑，自下而上收集，可以使若干种团簇粒子平均利用效率提高；用等动量和等动能的双重加速方式实现了若干个通道的质量选择设计，其粒子总体的水平位移大大缩小，装置的长度和高度都保存在合理的范围内；电压的大小和波形不复杂，且一种质量粒子的减速电压脉冲不影响其他质量的粒子轨迹。
附图说明
27.图1是本发明所述一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器的横截面结构示意图；
28.图2是本发明基础的现有技术4块金属板施加电压的单通道质量选择器结构示意图；
29.图3是本发明中金粒子在垂直于入射方向上的速度-时间图；
30.图4本发明单个粒子运动轨迹图；
31.图5本发明装置各层长度的设置表；
32.图6加速脉冲电压的设定示意图；
33.图7过渡脉冲电压的设定示意图；
34.图8减速脉冲电压的设定示意图；
35.图9本发明连续时间下粒子运动轨迹图；
36.图10粒子实际通过率与理论值对比表。
具体实施方式
37.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
38.本发明提供了一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器设计结构，所述选择器如图1，装置包括平行板电极、入口狭缝板、出口狭缝板、垂直板。平行板电极、入口狭缝板、出口狭缝板和垂直板的材质均为铝；
39.平行板电极长度7000mm-11400mm，宽度为2500mm，厚度为3mm，两个平行板电极内表面之间的间距为150mm-4000mm，除过渡区域为40000mm外，其余各个区域间距均为150mm。入口狭缝板、出口狭缝板和垂直板垂直于平行板并贴合，狭缝长度均为2000mm，宽度为2mm-10mm。平板之间保持电绝缘；入口狭缝中心线与加速区域1下平行板的内表面的距离为12mm,从减速区域1开始每层n的出口狭缝中心线与减速区域下平行板电极内表面的距离为12mm。所述选择器置于真空腔内。
40.本发明提供了一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器设计方法，包括：
41.所有粒子在垂直于粒子束入射方向(即竖直运动方向)上都经历一个完整的加速、减速过程，加速与减速过程速度的变化量理应一致且各种质量的粒子之间应互不干扰，每种质量的粒子都能水平飞出和收集；
42.根据粒子运动过程的不同划分不同的运动区域，有2个加速区域：等动量加速区域与等动能加速区域，2个过渡区域，若干个个减速区域，各区域所加脉冲周期相等，幅值大小为-2500v-8000v；
43.根据选择的粒子范围调节加速区域与过渡区域脉冲电压，使其获得相同动能；
44.根据不同的粒子质量，调节对应收集层的脉冲电压，粒子沿水平飞行路径飞行，从出口狭缝获得所选择的预定质量的粒子。
45.本发明所述一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器的工作原理在于：在恒定电场下，所有质量的带电粒子在平行电极间都按同一飞行路径运行，因此，通过恒定横向电场无法实现带电粒子的质量分离。但是，不同质量的带电粒子飞过确定路径所需的时间与其质量相关。这就使得在具有确定脉冲宽度的脉冲电场下，带电粒子在平行板电极间的实际飞行路径是与其质量相关的。如图3所示，对于所有粒子都有n段不同的飞行时刻。在t0-t1时间段，两极板间电位差为零，团簇粒子从入口狭缝进入平行板电极区域后，平行于电极平面飞行，在t1-t2时间段内粒子加速运动，分为三段：t1-t
21
加速脉冲1开始，带正电荷的团簇将第一次发生垂直于电极平面的横向加速飞行；在t
21-t
22
时间段，加速脉冲1结束，粒子保持固定速度斜向上飞行，现所有粒子的动量相同；在t
22-t2时间段，加速脉冲1再次开
始，带正电荷的团簇将第二次发生垂直于电极平面的横向加速飞行，知道au30飞出加速区域2。在t2-t3时间段，所有粒子均匀速向上飞行，直到到达各个粒子的收集层，在t3-t4时间段粒子开始减速，直到该粒子竖直方向速度减为0，在t4-t5时间段再匀速飞行一段时间到达该层的出口狭缝。单个粒子的运动轨迹如图4所示。由于不同质量的团簇具有不同的横向飞行加速度，因此在相同的飞行时间中其横向飞行距离是不同的，这导致不同质量的团簇在t
21
时刻之后其飞行路径不再重合。
46.t0-t1时间段与脉冲周期的比值，决定了能够被选择出的具有给定质量的团簇在由团簇源产生的该种质量团簇总数中所占的百分比，即质量选择的最大通过率r
max
。该通过率可由以下公式计算：
[0047][0048]
δt1为t0-t1时间段的时间长度，t为脉冲周期。
[0049]
下面(以金粒子，au2～au30为例)对本发明的技术方案进行详细说明。
[0050]
如图1所示，一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器，所述质量选择器的结构设计包括若干块互相平行，中间安装长度不一的金属网的平行板电极，入口狭缝板，出口狭缝板以及垂直板。平行板电极与狭缝板垂直且贴合，质量选择器安装于真空腔内。平行板电极、入口狭缝板和出口狭缝板的材质均为铝；其长度7000mm-11400mm，加速区域和过渡区域长度统一，其余各收集层的具体长度见图5，宽度为2500mm，厚度为3mm，两个平行板电极内表面之间的间距为150mm-4000mm，除过渡区域为40000mm外，其余各个区域间距均为150mm。入口狭缝板和出口狭缝板垂直于平行板，狭缝长度均为2000mm，宽度为10mm。平板之间保持电绝缘；入口狭缝中心线与加速区域1下平行板的内表面的距离为12mm,从减速区域1开始每层减速区域n的出口狭缝中心线与减速区域n下平行板电极内表面的距离为12mm,加速区域1上平行板通过真空引线法兰与高压加速脉冲电源连接，加速脉冲示意图见图6，过渡区域1的上、下、左、右平行板电极通过真空引线法兰与高压过渡脉冲电源连接，过渡脉冲见图7；各减速区域的上平行板电极通过真空引线法兰与各层高压减速脉冲电源连接，au2的减速脉冲图见图8；高压脉冲电源分别向电极板施加周期相同的高压脉冲。
[0051]
其中质量选择器高度h的设计方法：
[0052]
通过加速区域1入口狭缝上方的底板p2施加高压加速脉冲，而加速区域1的下底板p1电压v0恒定为-500v，使束流向上加速。设粒子束进入质量选择部分的水平动能为e0，水平速度为v
xn
，加速结束后粒子获得竖直方向上的动能为en，竖直速度为v
yn
。加速区间1的电势差为u0，减速区间n的电势差为un，入口到加速区间1的上底板p2之间的距离为d0,加速区间1的高度为d1，匀速区间的高度为d2，减速区间的高度为d3。
[0053]
粒子的加速方式分为等动量加速和等动能加速两种，两种方案各有优劣。
[0054]
等动量加速的减速脉冲时间相同，可以克服粒子束直径的影响，但是脉冲周期太长；等动能加速的脉冲周期较短，但是存在粒子束直径上下方粒子动能不一，减速电压出现跨越电压极性的问题。将两种方案结合在一起，设计了一套等动量加等动能的双重加速方式。
[0055]
本方案的设计结构由2个加速区间，2个过渡区间和若干个减速区间三部分组成，粒子在加速区间1获得相同的动量，粒子在加速区间2获得相同的动能。
[0056]
au2～au30粒子首先在加速区间a1施加相同的加速时间，加速脉冲以最轻的粒子束(au2)上方的粒子不飞出加速区域为准，保证au2～au30在加速区间获得相同的动量。
[0057]
设每一个质量为mn的粒子从入口进来的动能为e0，水平速度为v
xn
[0058][0059]
每一个粒子在经历了加速区间1的加速后获得相同的动量，获得的动能为e
1n
,竖直速度为v
yn1
。
[0060][0061][0062]
在第一次加速后，相同质量粒子获得的动能相同，不同质量粒子获得的动能与质量成反比关系。这一部分的核心作用是纠正以往设计中粒子束直径带来的动能不一致的问题。
[0063]
在加速区间a2固定为2000ev的电势差，给所有粒子一个相同的2000ev向上动能e2，此时竖直速度变为为v
yn2
。
[0064][0065][0066][0067]
e1＝500ev，e
2-2
＝1380ev，e
2-30
＝92ev，e3＝2000ev
[0068]
这一部分的设计目的是抬高粒子的飞行角度，缩短周期的同时也能够大大缩短装置的长度。
[0069]
两个加速区间1,2的高度为15cm，过渡区间1的高度为4m，过渡区间2的高度为15cm，若干个减速区间n的高度均为15cm，因此装置的整体高度为8.8m。
[0070]
整个质量选择器装置的长度为l，高度为h，初始电压为v0(即加速区域a1的下底板p1电压)，设粒子束进入质量选择部分的水平动能为e0，粒子水平速度为v
xn
，离开加速区间a1后粒子获得竖直方向上的动能为e
1n
，粒子竖直速度为v
yn1
，离开加速区间a2后粒子获得竖直方向上的动能为e2，粒子竖直速度为v
yn2
。
[0071]
加速区间施加加速脉冲时的电势差为u0，减速区间施加脉冲时的电势差为u1，入口到加速区间1的上底板之间的距离为d0,加速区间2的高度为d1，过渡区间1的高度为d2，过渡区间2的高度为d3，减速区间r2～r30的高度均为d4。
[0072]v0
＝-500v，e0≈500ev，u0＝2000v
[0073]
d0＝12cm，d1＝15cm，d2＝4m，d3＝15cm，d4＝15cm，
[0074]
h＝2d1 d2 d3 29d4＝8.8m
[0075]
脉冲的设计方法：
[0076]
之后根据粒子各个时间段给出装置的长度l、加速(减速)脉冲电压大小u0(u1)、团簇粒子在各个阶段运动时间t
a-n
和周期t的设置。
[0077]
1、水平匀速进入t0-t1
[0078]
au2～au30粒子束在t0时刻从加速区域的入口进入质量选择器，经历了时长为δt1的水平匀速运动，将粒子填满目标加速脉冲区域。
[0079]
t1＝600us
[0080]
2、向上加速运动t1-t2
[0081]
粒子束水平匀速运动δt1时间后，开启加速脉冲。加速脉冲持续时间为τ
p
，粒子在两个加速区间内实际的加速运动的总时间为δt2。
[0082]
au2粒子在加速区间1里受到向上的加速度a2,
[0083][0084]
au2粒子在加速区间1内一直加速运动直至离开的时间为t
2-2max
，
[0085][0086]
计算得
[0087]
t
2-2max
＝8.24us
[0088]
等动量加速方式需要满足条件：加速脉冲结束时，au2～au30粒子还没有离开加速区间，加速脉冲小于au2粒子在加速区间里加速运动的最长时间。
[0089]
τ
p
≤t
2-2max
[0090]
因此选择加速脉冲持续时间为
[0091]
τ
p
＝8us
[0092]
随后粒子在加速区间1内进行短暂的匀速运动，匀速运动的距离为
[0093][0094]
au2～au30粒子在加速区间2均获得相同的动能e2,
[0095]
e2＝2000ev
[0096]
加速区间a1的加速脉冲结束以后，电压恢复到-500v,此时金2还没有飞出加速区间1，加速区间2的上底板保持-2500v的电压，直到金2～金30均飞出该加速区间2、进入过渡区间1。
[0097]
粒子在两个加速区间运动的总时间为
[0098][0099]
故加速脉冲的电压示意图见图6。
[0100]
3、向上匀速运动t2-t3
[0101]
加速结束后，粒子获得竖直方向上的速度，向上匀速飞行δt3时间后，au2～au30粒子分别进入减速区间，开启减速脉冲，其au2～au30的减速脉冲电压分别施加在各减速区
域的上平行板上。
[0102]
因为过渡区间的电压变化实际不影响粒子的轨迹，所以对于参数计算只是在高度上变化，可以将两个过渡区间看成一个高度为4.15m的匀速区间，过渡区间脉冲见图7。
[0103]
粒子竖直方向上的动能为e
1n
e2，
[0104][0105][0106]
e2＝2000ev
[0107]
粒子两次加速后竖直方向上的速度为v
yn2
，
[0108][0109]
粒子匀速运动的位移，是粒子进入减速区间1.5cm的位置
[0110]vyn
·
δt
3-n
＝3.865 0.15n
[0111]
计算得
[0112][0113]
4、向上减速运动t3-t4
[0114]
减速脉冲的持续时间为δt4，脉冲持续时间与实际加速的时间相关。
[0115][0116]
减速区间的高度为15cm,加速区间的高度为15cm,要做到减速脉冲时间δt
4-n
与实际加速时间δt
2-n
相同,减速区间的电势差需要做到
[0117][0118]
得到减速区间的电势差，
[0119]
u1＝u0＝10000v
[0120]
5、水平匀速飞出t4-t5
[0121]
减速脉冲结束后，粒子束恢复水平匀速运动，持续时间为δt5，保证t0时刻到t1时刻从入口进入的粒子全部都能够从出口飞出，收集完毕。
[0122]
粒子束进入质量选择部分的水平动能为e0，粒子水平速度为v
xn
，
[0123]vxn
＝√2e0/mn[0124]
在t0时刻进入质量选择器的粒子到减速脉冲结束时的时间(即au1～au30在质量选择器停留的最短时间)为t
xn
[0125]
t
xn
＝δt1 δt
2-n
δt
3-n
δt
4-n
[0126]
这一参数决定了装置的整体长度
[0127]
l＝max(t
xn
·vxn
)＝t
x2
·vx2
＝11.4m
[0128]
因为减速区间的长度是根据t0时刻进来的粒子运动的距离决定的，t1时刻进
来的粒子相比较少运动了t1时间，需要额外运动一段时间离开减速区间。
[0129]
δt
5-n
＝δt1＝600us
[0130]
周期t的设计方法：
[0131]
对于粒子来说，减速脉冲结束后的δt
5-n
时间里不能再有第二个减速脉冲，否则就会有部分粒子在电场影响向下运动。
[0132]
因此，加速脉冲和减速脉冲的周期t需要满足条件1：
[0133]
t≥δt
5-n
＝600us
[0134]
周期要满足条件2：大于水平匀速进入时间t1加上加速脉冲时间τ
p
[0135]
t≥δt1 τ
p
＝608us
[0136]
同时，第一个周期的粒子不会受到第二个周期粒子的减速脉冲的影响，否则每个周期重质量的粒子都会被下个周期的减速脉冲影响，收集不到。
[0137]
因此，周期t需要满足条件3：第一个周期的au30粒子在离开过渡区间2后，第二个周期的au2才进入加速区间2。
[0138][0139]
t≥605us
[0140]
综上所述，周期取t＝608us。
[0141]
理论利用效率：
[0142]
理论上每个周期t的时间最多只能收集到在t0～t1时间内从入口进入的粒子(暂不考虑其它因素的损失)，粒子的理论利用效率r
max
：
[0143][0144]
δt1为t0～t1的时间差。
[0145]
加速前粒子水平匀速飞行的时间为δt1＝600us，加速脉冲时间为δt2＝8us，加速(减速)脉冲周期时间t＝δt1 δt2＝608us。
[0146]
加速区域左右两侧由于畸变电场，有长度为s的粒子不能用以收集,粒子水平运动的速度为v
xn
。
[0147]
粒子理论中通过率为
[0148][0149]
事实上，畸形电场影响粒子轨迹的长度并不确定，按s＝20cm来计算粒子平均通过率：
[0150]
连续两个周期的粒子入射下，仿真结果如图9，通过率如图10所示，理论与仿真的结果基本吻合。
[0151]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。