一種低溫分子束產(chǎn)生和速度的測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及低溫真空技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種4K低溫環(huán)境樣品分子通過碰撞來 產(chǎn)生低溫分子束的方法和速度分布的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 上世紀(jì)八十年代初期，隨著激光冷卻技術(shù)的成熟，原子物理迎來了它的飛速發(fā)展 時(shí)期。激光冷卻、囚禁和蒸發(fā)冷卻將原子冷卻到μK以下，從而實(shí)現(xiàn)了原子的玻色-愛因斯 坦凝聚。分子的激光冷卻給超冷物理帶來了一個(gè)新的發(fā)展契機(jī)。減速并冷卻得到的超冷分 子在精密測(cè)量，超冷化學(xué)反應(yīng)，多體量子系綜以及量子信息處理的研究上有著巨大的潛在 應(yīng)用。
[0003] 然而，分子的冷卻是一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的研究課題，相對(duì)與原子，除了具有電子 態(tài)和核自旋態(tài)，分子還具有振動(dòng)態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)。分子的復(fù)雜內(nèi)態(tài)結(jié)構(gòu)使得直接的激光冷卻變 得十分困難。然而分子物理不需要將分子冷卻到μΚ以下就能從中受益，許多物理現(xiàn)象在 幾Κ時(shí)已經(jīng)開始顯現(xiàn)。近年來為了獲得低溫分子樣品，人們發(fā)展了多種分子束產(chǎn)生技術(shù)來 產(chǎn)生預(yù)冷的分子束源。這些技術(shù)主要分為以下三種：一種是超聲分子束的方法，比例很小 (一般小于10% )的樣品分子和載氣從一個(gè)高壓（1-5標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）容器經(jīng)過一個(gè)噴嘴絕 熱膨脹到高真空，在膨脹過程中，分子內(nèi)部自由度經(jīng)過多次碰撞得到有效冷卻。由于能量大 多轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因此這種分子束的中心速度通常超過聲速。在分子束坐標(biāo)系中，它的速度分 布寬度非常窄，使用這種技術(shù)可以得到平動(dòng)溫度低于1Κ，轉(zhuǎn)動(dòng)溫度低于5Κ的分子束。另一 種方法是射流束的方法，即樣品分子直接從一個(gè)高壓容器（l-l〇〇Pa)經(jīng)過噴嘴絕熱膨脹到 高真空，這種方法可以產(chǎn)生中心速度為200m/s以下的分子束，但這種方法產(chǎn)生的分子束內(nèi) 態(tài)沒有得到冷卻，且分子束密度較低。結(jié)合以上兩種產(chǎn)生冷分子束的優(yōu)點(diǎn)，第三種產(chǎn)生冷分 子束的方法應(yīng)運(yùn)而生，即緩沖氣體冷卻。緩沖氣體冷卻是通過與低溫He充分碰撞來實(shí)現(xiàn)樣 品分子的冷卻，這種方法可以產(chǎn)生平動(dòng)溫度和內(nèi)態(tài)溫度都很低的低溫冷分子束，由于緩沖 氣體He的碰撞截面與分子的能及結(jié)構(gòu)無關(guān)，因此這種制備冷分子的方法適用于幾乎所有 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的分子。
[0004] 分子束速度分布的測(cè)量方法主要分為以下兩種，第一種是通過光譜的方法即利用 光學(xué)多普勒效應(yīng)來獲取速度分布信息。原理如下：分別打一束垂直于分子束傳播方向和另 一束與分子束運(yùn)動(dòng)方向相反的激光，共振吸收后確定分子的共振吸收光頻率fc以及f，通 過光學(xué)多普勒效應(yīng)可以得到以下關(guān)系式：fc=f(l+v/c)，其f。為垂直分子束運(yùn)動(dòng)方向的共 振吸收頻率，f為與分子束運(yùn)動(dòng)方向相反的共振吸收頻率，v為分子的運(yùn)動(dòng)速度，c為光速。 通過這種方法就可以得到分子束的速度分布信息。第二種方法是通過共振多光子電離的方 法獲取分子束的時(shí)間飛行質(zhì)譜信號(hào)進(jìn)而獲得分子束的速度分布信息。由于缺乏光譜數(shù)據(jù)信 息，許多分子不能通過光學(xué)的方法來獲取分子束的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種低溫分子束的產(chǎn)生和速度測(cè) 量裝置及方法，通過緩沖氣體冷卻來獲得低溫分子束和直接利用四極質(zhì)譜儀進(jìn)行分子束速 度分布測(cè)量，對(duì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的分子具有普適性。通過時(shí)間飛行質(zhì)譜（T0F)信號(hào)來分析處 理得到分子束的速度分布信息，簡(jiǎn)單實(shí)用。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種低溫分子束的產(chǎn)生和速度測(cè)量裝置，特點(diǎn)是：該裝置包括：4K低溫分子束 源產(chǎn)生器、靜電四極直導(dǎo)引、高壓直流電源、高壓開關(guān)、DI064數(shù)據(jù)采集卡時(shí)序控制裝置、 LabVIEW控制模塊及四極質(zhì)譜儀信號(hào)測(cè)量器，所述靜電四極直導(dǎo)引分別連接4Κ低溫分子束 源產(chǎn)生器、高壓直流電源及高壓開關(guān)，DI064數(shù)據(jù)采集卡時(shí)序控制裝置分別連接高壓開關(guān)、 LabVIEW控制模塊及四極質(zhì)譜儀信號(hào)測(cè)量器，LabVIEW控制模塊連接四極質(zhì)譜儀信號(hào)測(cè)量 器；其中：
[0008] 所述低溫分子束產(chǎn)生器包括低溫制冷機(jī)、銅腔、恒溫配氣管道及活性炭吸附裝置， 低溫制冷機(jī)分別連接銅腔及活性炭吸附裝置，銅腔分別連接恒溫配氣管道及靜電四極直導(dǎo) 引；
[0009] 所述四極質(zhì)譜儀信號(hào)測(cè)量器包括四極質(zhì)譜儀主控制機(jī)箱、離子源電離區(qū)、射頻離 子篩選場(chǎng)、信號(hào)偏轉(zhuǎn)放大器、二次電子倍增器及MCS-32數(shù)據(jù)采集卡，四極質(zhì)譜儀主控制機(jī) 箱、離子源電離區(qū)、射頻離子篩選場(chǎng)、信號(hào)偏轉(zhuǎn)放大器、二次電子倍增器及MCS-32數(shù)據(jù)采集 卡依次連接，MCS-32數(shù)據(jù)采集卡分別連接DI064數(shù)據(jù)采集卡時(shí)序控制裝置及LabVIEW控制 豐旲塊。
[0010] -種采用上述裝置實(shí)施低溫分子束的產(chǎn)生和速度測(cè)量的方法，該方法包括以下步 驟：
[0011] 步驟一：開啟低溫制冷機(jī)，使低溫分子束源產(chǎn)生器穩(wěn)定在4K的低溫下，通入樣品 分子氣體和He原子使其在銅腔里得到充分碰撞；
[0012] 步驟二：開啟四極質(zhì)譜儀測(cè)量器進(jìn)行預(yù)熱半個(gè)小時(shí)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置之后開啟離子 源電離區(qū)（11)燈絲進(jìn)行分子束信號(hào)測(cè)量；
[0013] 步驟三：運(yùn)行LabVIEW控制模塊，產(chǎn)生的方波TTL信號(hào)通過DI064數(shù)據(jù)采集卡時(shí)序 控制裝置輸出到高壓開關(guān)和MCS-32數(shù)據(jù)采集卡同步控制導(dǎo)引電壓的開關(guān)和信號(hào)數(shù)據(jù)的收 集從而得到一個(gè)時(shí)間飛行質(zhì)譜信號(hào)；
[0014] 步驟四：通過得到的時(shí)間飛行質(zhì)譜信號(hào)能夠得到信號(hào)強(qiáng)度的信息，對(duì)T0F信號(hào)的 上升沿進(jìn)行微分處理得到分子束的速度分布；
[0015] 得到速度分布的具體過程如下：
[0016] 高壓開關(guān)用來區(qū)分信號(hào)與背景，當(dāng)開啟高壓開關(guān)后，加在靜電四極直導(dǎo)引的電壓 會(huì)不停的重復(fù)開關(guān)，重復(fù)的周期為500ms，開關(guān)時(shí)間分別為200ms和300ms;當(dāng)高壓開關(guān)打開 后，縱向速度最快的分子需要經(jīng)過一段時(shí)間后才能到達(dá)四極質(zhì)譜儀的離子源電離區(qū)，從而 測(cè)量到的信號(hào)會(huì)上升，而這一段延時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)著最快分子在靜電四極直導(dǎo)引飛行的時(shí)間； 分子束的速度和飛行時(shí)間的關(guān)系為：
[0017] t=L/v
[0018] 其中t是開啟高壓開關(guān)后到信號(hào)上升的時(shí)間延時(shí)，L為靜電四極直導(dǎo)引的長(zhǎng)度，v 是分子的縱向速度；上面的公式對(duì)時(shí)間取微分可以得到：
[0020] 速度處在v到ν+δv之間的分子數(shù)目為δt這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)引信號(hào)的增量，表示為：
[0022] 其中δv為已知量，S(t)為t時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度。通過四極質(zhì)譜儀測(cè)量到的時(shí)間飛 行質(zhì)譜信號(hào)推導(dǎo)出分子束的速度分布信息。
[0023] 所述通入樣品分子氣體和He原子是：樣品分子氣體管道由一個(gè)恒溫加熱裝置加 熱使溫度始終保持在樣品分子的沸點(diǎn)以上，He原子管道與低溫制冷機(jī)的二級(jí)冷頭有良好的 熱接觸，通入銅腔的He溫度為4K，而通入的樣品分子氣體溫度為300K;通入氣體的量由兩 個(gè)獨(dú)立的質(zhì)量流量計(jì)控制。
[0024] 本發(fā)明的有益效果在于：通過緩沖氣體冷卻來獲得低溫分子束和直接利用四極質(zhì) 譜儀進(jìn)行分子束速度分布測(cè)量的方法，對(duì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的分子具有普適性。通過時(shí)間飛行 質(zhì)譜（T0F)信號(hào)來分析處理獲得分子束的速度分布信息，簡(jiǎn)單實(shí)用。LabVIEW控制模塊功能 強(qiáng)大，既可以通過硬件交互發(fā)出控制時(shí)序的TTL信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)信號(hào)同步采集，又可以實(shí)現(xiàn) 信號(hào)讀取以及處理，并且參數(shù)調(diào)節(jié)也特別方便，使用靈活。通過這種方法可以產(chǎn)生中心速度 為100m/s，速度分布寬度為65m/s，信號(hào)強(qiáng)度為10n/s量級(jí)的低溫分子束。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明裝置中4K低溫分子束源產(chǎn)生器通入0. 20SCCM氦（He)，2. 00SCCM氟 甲烷（CH3F)樣品分子條件下四極質(zhì)譜儀信號(hào)測(cè)量器⑶的質(zhì)譜信號(hào)圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明四極質(zhì)譜儀信號(hào)測(cè)量器測(cè)量得到的CH3F樣品分子的時(shí)間飛行質(zhì)譜 (T0F)信號(hào)數(shù)據(jù)；
[0028] 圖4為通過LabVIEW控制模塊處理得到CH3F樣品分子的速度分布數(shù)據(jù)，曲線是通 過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合得到，誤差棒統(tǒng)計(jì)學(xué)處理得到。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述：
[0030] 參閱圖1，本發(fā)明裝置包括：4K低溫分子束源產(chǎn)生器A、靜電四極直導(dǎo)引5、高壓直 流電源6、高壓開關(guān)7、DI064數(shù)據(jù)采集卡時(shí)序控制裝置8、LabVIEW控制模塊9及四極質(zhì)譜 儀信號(hào)測(cè)量器B，所述靜電四極直導(dǎo)引5分別連接4K低溫分子束源產(chǎn)生器A、高壓直流電源 6及高壓開關(guān)7，DI064數(shù)據(jù)采集卡時(shí)序控制裝置8分別連接高壓開關(guān)7、LabVIEW控制模塊 9及四極質(zhì)譜儀信號(hào)測(cè)量器B，LabVIEW控制模塊9連接四極質(zhì)譜儀信號(hào)測(cè)量器B;其中：
[0031] 所述低溫分子束產(chǎn)生器A包括低溫制冷機(jī)1、銅腔2、恒溫配氣管道3及活性炭吸 附裝置4,低溫制冷機(jī)1分別連接銅腔2及活性炭吸附裝置4,銅腔2分別連接恒溫配氣管 道3及靜電四極直導(dǎo)引5。
[0032] 所述四極質(zhì)譜儀信號(hào)測(cè)量器B包括四極質(zhì)譜儀主控制機(jī)箱10、離子源電離區(qū)11、 射頻離子篩選場(chǎng)12、信號(hào)偏轉(zhuǎn)放大器13、二次電子倍增器14及MCS-32數(shù)據(jù)采集卡15,四極 質(zhì)譜儀主控制機(jī)箱10、離子源電離區(qū)11、射頻離子篩選場(chǎng)12、信號(hào)偏轉(zhuǎn)放大器13、二次電子 倍增器14及MCS-32數(shù)據(jù)采集卡15依次連接，MCS-32數(shù)據(jù)采集卡15分別連接DI064數(shù)據(jù) 采集卡時(shí)序控制裝置8及LabVIEW控制模塊9。
[0033] 本發(fā)明裝置的工作過程：室溫的樣品分子和4KHe原子通過兩條不同的恒溫配氣 管道3通入低溫銅腔2并在銅腔2里面進(jìn)行充分的冷碰撞后噴射出來，經(jīng)過靜電四極直導(dǎo) 弓丨5進(jìn)行分子束橫向速度分布的濾波，靜電四極直導(dǎo)引5由直流高壓電源6提供直流高壓， 并由高壓開關(guān)7精確的進(jìn)行開關(guān)控制，DI064數(shù)據(jù)采集卡時(shí)序控制裝置8和MCS-32數(shù)據(jù)采 集卡15受LabVIEW控制模塊9控制，DI064數(shù)據(jù)采集卡時(shí)序控制裝置8的輸出端分別與高 壓開關(guān)7和MCS-32數(shù)據(jù)采集卡15的輸入端連接，DI064數(shù)據(jù)采集卡時(shí)序控制