本文介绍了笔者新近设计与制造的激光等离子体源飞行时间质谱计的结构,利用该仪器进行了碳原子簇正负离子的质谱检测与分析,探讨了激光等离子体的产生情形以及提高仪器质量分辨能力的途径

丁少平

周牧易

庄马展

李文莹

郑兰荪

黄荣彬

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第29 卷 第 3 期 厦 门大学学报伯 然科学侧o f X ia m e n U ni 代rs ity 伽 atu ra lV o l,29 N O.319 90 年 5 月 JOU T n al S d e n ce ) 19 90自制激光等离子体源飞行时间质 谱 计 的 性 能 测 试¹李文莹庄马展郑兰荪丁少平黄荣彬周牡易( 化 学 系 )摘要 本文介绍了笔者新近设计与制造的激光等离子体源飞行时间质谱计的结构,利用该仪器进行了碳原子簇正负离子的质谱检测与分析,探讨了激光等离子体的产生情形以及提高仪器质量分辩能力的途径.关键词 激光等离子休,飞行时间质谱计,碳原子簇最近,我们设计与建立了一台激光等离子体源飞行质潜计.该仪器以脉冲激光为探针,以飞行时间质谱计为检测手段、既可对各种固体样品进行常规侧试,又可以通过对激光离解碎片的分析来确定样品的组成与结构,还可以研究激光等离子体的产生情形,作为国内第一台该类仪器,其部件均在国内研制与加工,其中如离子检测器,同步控制装置等的性能,都不低于国际先进水平,仪器的控制以及数据采集、处理、显示与输出完全由微机完成,我们在该仪器上以脉冲激光作用于石墨样品表面对产生的碳原子簇正负离子进行了研究,并测试了仪器的质量分辨能力等性能.1 仪器构造与实验条件仪器主要由脉冲激光离子源与飞行时间质谱计两部分组成(F呛.1).以脉冲激光束作用于样品表而,将其蒸发成高温等离子体,然后以飞行时间质潜计对等离子体进行质量分析.所 用 激 光 器 N梦Y A G 的工作波 长为I O64 n m,以 LIF; F一色心晶体被动调 Q 后脉宽可压窄至 18 n s.实验时以一 长焦距透镜使激光束在样品表面会聚成直径约 1 m m 的光点,激光的功率密度通常控制在 1了w / cm Z 左右.该激光器由吴县电子设备二厂生产,我们对它的电子控制线路作了一些改造,以实现同步控制.飞行时间质谱计是一种应用广泛的质谱仪器川,它利用一脉冲电场使进人加速区 E 的所有离 子获得相同能盆,离一f 被加速后在无场区漂移相同距离后到达检测器 A.显然,离子的质荷比越高,通过无场区所需飞行时间越长.由一一岛_、 〔二工口立二”. ’ .”二 ’一 ” ” ”’1卜 l ! }‘一气. _ , ~卜一叫 K.}F ig,1 C o n fi g u ra t i o n o f th e in str u m e n tA.D e 让 e to r B.E i n此1 L e n s C.D 亡n e e to TD.s a m p le E.Ac ole ra tio n Fie zdF.Pre A 扭 p lifi e r G T r a n ; ie n t D i名i tiZ erH,p r o g r a m m e d p u lse G e n e ra t o r1.Pu lse d H i g h V o [ ta g e G e n e ra to rJ.IB M PC K o u tpu t Syst e m¹ 19 8 9 一、1一2 收到,国家教委青年优秀教师墓金项目第 3 期 李文莹等 : 自制激光等离子体源飞行时间质谱计的性能测试·2 8 3·此可实现离子的质量分辨.笔者采用了双电场加速的方式来改善仪器的质量分辨能力叭样品D 位于加速电极之外,因而不影响加速电场的均匀性 ; 激光蒸发产生的等离子休沿着与样品表面垂直的方向漂移进人第一加速区的中央.实验所用的加速电压为 1 0 O v,其脉冲上升时间快于 0., 那,离子的无场漂移距离 1.巧 。,采用两组互相垂直的平板电极 c 与静电透镜 B 将离子导向与聚焦.离子检测器采用中科院电子学研究所的双微道板 :增益 1护,具有检测单个离子的能力,响应时间快于 10 n ,.由于仪器产生的离子束流较强,实验中从未将它调到极限灵敏度.检测器阳极输出的信号经电容器偶合到自制高频前置放大器,放大后送至瞬态记录仪(取样频率 1。,次 / s咸行模数转换,并依其时间不同而存人不同的内存单元.该记录仪精度为 8 bi t,内存 S K淇数据由一台 IBM PC 兼容机进行处理与显示.该微机还由其中的定时器产生 10 H,的工作频率,并通过一台程控脉冲发生器(8 路独立输出,时间精度 10 。s),对仪器各个部分实行同步控制.有时仪器以另一模式工作:由光电二极管将光脉冲转为电脉冲,输人自制的可调延时装置,适当延时后再分别触发加速电压与记录装置.尽管这一模式的白动化程度较差,但可避免激光出光时间不稳等的影响.微机的操作系统以 C 语言为主自行编写,包括部分汇编语言的子程序.质谱计自离子源‘漂移空间以至检测器都处在高真空状态,真空系统以扩散泵抽空,冷阱中加液氮后真空度优于 1 、 1『 , P;,一般实验则在 1 、 10一刁P a 下进行,空白实验证实,在这样的真空条件下已检测不到任何背景信号.2 仪器性能测试在上述实验条件下,以两纯石墨为样品,进行了下列仪器性能测试.2.1 碳原子簇正负离子束的产生与检测Fi g.2 显示了由脉冲激光作用于石墨表面而直接产生的碳原子簇正离子的飞行时间质谱图,该图的横坐标是离子的飞行时间,纵坐标则是离子信号的相对强度,各个谱峰相应于含有不同个数碳原子的原子簇离子.检测到的较大的原子簇含碳原子个数可多至 1 2 0 个,显示出了质谱计具有宽广的质量检测范围,从图中可以看出离子值号强度随着碳原子簇扩核“数所发生的变化,类似的变化在碳原子簇负离子的质谱图中也能观察到,这些都与原子簇结构稳定性的变化有关,为研究碳原子簇的结构规律提供了线索.2. 2 激光等离子体的能量分布由于脉冲激光可将极高的能量集中到样品表而的很小区域内,因而蒸发产生的高温等离子体就具有较高的初始能量 u.在本仪器中,离子从样品表面到达加速区出口的距离 1为 69‘5 m m,由于离子具有较大的能量分布,它们飞过这段距离所需的时间 t也就有较大的不同.设最大能量E 二。 与最小瞥“。: 离子的飞牙瞥差今△‘,NlJ,t = 毛Z潇 竹份; △ 1 = 1.2资 (-汽今一 一学子~巴)、 去 , ‘ 心艺。。二砂艺, ,式中 m 为离子的质量.Fi g. 4 显示在固定脉冲激光的触发时间,扫描加速高压脉冲的触发时间的条件下观察到的 C万的初始能量分布,再根据激光的出光时间,可 以算出 C万的最高初始能量为另 c V.由于实验中所用的激光能量不尽相同,激光等离子休的初始能量分布大致为 40 ~ 8。。v.这一能量实际上是离子在与样品表而垂直方向的初始能量分量 U、 ,由于其方向与离子的加速方向垂直,所以不影响离子的质量分辨.而离子与其加速方向相同的初始能量分量 u H 则较难测算,但·2 84·厦门大学学报(自然科学版) 19 90 年从观察到的各谱蜂没有明显的“拖尾带现象,可以认为离子在加速前均未自行进人第二加速区,这样,由样品表面至第一加速区出口的距离(69.5 m m )与激光光路 (与样品表面垂直)至加速区出口的距离 (l 7. 5 ~ )之比,可以估算出离子的 U H 不大于 U,的 I / 4. 实验发现不同质量的离子m x.m,的上述时间分布△tx. △ t, 基本上符合△‘二 / △‘, 一了不丁/ 办叮的关系,说明激光等离子体中各种质量的离子大致具有相同的初始能量分布.沙\\\\\\、礴C日川e.‘lC0.且C‘,砚.JI.”即卜引r妇卜州厂妇卜9C,!.1!.! le : :U沙、少 火~ 一一卜日川防,下卜”恻渺曰卜讨日U,2 0 30 通0 弓f-F ]一g h t t im e / 粼sA ‘e e le r a tio n v o lta g e tr ig hm e / 拜sFig.2 T ime 一o f- fl lg h t m a s s p e e tru m o f C二 Fig.3 sca n o r th e a c e k r a t io n v o 一ta g e t6 g ti m e2. 3 质谱计的质量分辨能力飞行时间质谱计具有分析速度快,质量范围宽.结构简单等特点,但由于离子在加速前就已具有一定的空间分布与能量分布,因而其质量分辨能力较差.在我们的仪器中,离子 的初始空间分布就是激光在样品表面光点的直径,由于激光束可以会聚得很细,如前所述,激光蒸发产生的高温等离子体具有较高的初始能量,则离子的能量分布成为影响质量分辨的主要因素.根据离子的初始能量主要集中在与样品表面垂直的方向,我们设计仪器时使样品表面与加速电场的分向平行,可大大减少离子的初始能量对仪器质量分辨能力的影响.如 Fi g. 3 所示,不同初始能量的离子进人加速区的时间不同,改变脉冲加速电压的触发时间,就可能有选择地分析初始能量较低的离子.延迟加速的时间较长使得离子的空间分布增大,对此,我们用调整两个加速电场的电位差之比的方法来实现空间聚焦,第一加速电场的电位差通常设定为总加速电压的 19 % 左右.Fi g. 4 表示质量分辨能力明显不同的两幅质谱图,它们的唯一差别在于其离子的加速时l’M相差了 2。那.Fig.5 表明,即使被检测离子的质量大到接近 1 00 a m u 时,仪器仍具有较好的质量分辨能力.实验中观察到仪器能很好地分辨 C玉,与 C玩,由此算出质量分辨为 2 85.从其它一些谱图得出的质量分辨也在 28 0 左右.这样的质量分辨能力对于我们这样一台无能量补偿,离子又具有较高初始能量的质谱计来说,已是较为理想的数值.我们下一步还将根据最近理论计算的结果,利用延时加速等方式,使其对初始能量较大的离子,仍具有较好的质量分辨能力.第 3 期 李文莹等: 自制激光等离子体源飞行时间质谱计的性能侧试 一 2 85 ·.*C ‘o一, 一叼沪协一cs0! 奋80 必F li g h x10 0 1 1 0八。J山比曰口甲勺tim e / 月sFl诬g h t tim e / 拜sFig.4 T恤e- o f- fi gh t m a s spe et rao f Csb o w运 9 d i们飞优 n t m a s re 3 o lu tio nFig.5 T im e一。卜flig ht m a so f C如:w ith d iffe re lt a c ele ra t io n tim e参 考 文 献l 郑兰荪,质谱学报,19 87,(3 ): l一 72 W il W C a时 Me la re n I H,叔,.S Ci. 介J r~. ,l, 5 5,26 : 1150 ~ 1 16 83 李文莹等,质谱学报,待发表Pe rfo rm a n e e T e s t o f a Sc l卜B u ilt L a sc r Pro be T ime一。卜F ligh tM a ss S p ee tr o ft le te rL i W e n yin g Z he n g L a n su n 衬u an g L o n g b in gZ h u a n g m a Z h a n D in g Sh a o p in g Z h o u M u yi(D e沐.o f Che ,,)A b stra e t 一卜。 : t: 。c t。r。 。f a re e e n trv b。 i一t !a s e 「 p ro b e tim e 。 r fl;g h t m a s : s p e。 tro m e to r 15d e s e r ib e d,W 一th a n 决 !V s户 5 a n d d is e u s s , o n s o f t h e m a s s s P e e t ra o f e a rb o n e lu ste r ; o n s t o k e nin th一5 in s t「u n l e n t.t h e P ro e e s s o f t h e la s e r p la s m a g e n e ra t io n a n d th e m a ss r e so lu tio n o f t he一n st ru m e n t a丫e u n d e rs to o d.Key w o rd s L。s e r p la s m a,下im e 一o f一fl. g h t m a s , , p e e tro m e te r.e a rb o n e l。。to r

自制激光等离子体源飞行时间质谱计的性能测试

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自制激光等离子体源飞行时间质谱计的性能测试

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