碰撞角度及探测角度可调的交叉分子束实验装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020808109.9 (22)申请日 2020.05.15 (73)专利权人 浙江师范大学 地址 321004 浙江省金华市婺城区迎宾大 道688号 (72)发明人 俞盛锐廖鸿杨文绍简继文 (74)专利代理机构 杭州奥创知识产权代理有限 公司 33272 代理人 王佳健 (51)Int.Cl. G01N 27/62(2006.01) G01D 21/02(2006.01) H01J 49/02(2006.01) H01J 49/26(2006.01) (ESM)同样的发明。

2、创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 一种碰撞角度及探测角度可调的交叉分子 束实验装置 (57)摘要 本实用新型公开了一种碰撞角度及探测角 度可调的交叉分子束实验装置， 该装置主要包括 可转动束源制备腔和反应/探测腔。 本实用新型 通过可转动束源制备腔内同时配置一个相对固 定的分子束源及一个角度可经传动连接杆进行 调谐的分子束源， 在不破坏真空的情况下， 高效 便捷地实现两个束源之间的碰撞角度以及两个 束源相对于探测器角度的独立调谐。 在改变探测 角度之时， 可转动束源制备腔与反应/探测腔之 间的同心度是通过采用大尺寸高精度轴承加以 保证， 而动态密封性能则是采用弹簧橡胶圈与差 分抽系。

3、统的配合来实现的。 通过这一系列的设计 使交叉分子束实验装置适用于研究不同碰撞能 下的同一化学反应产物在各个探测角度之下的 速度分布。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 212060040 U 2020.12.01 CN 212060040 U 1.一种碰撞角度及探测角度可调的交叉分子束实验装置， 包括可转动束源制备腔和反 应/探测腔， 其特征在于： 所述的可转动束源制备腔由可转动底盘 （1） 、 第一束源腔 （2） 和第二束源腔 （3） 组成， 可 转动束源制备腔内部由安装在可转动底盘 （1） 底部的第一真空泵 （4） 抽真空， 以实现并维持 束源制备所需的真空度； 所述的第一束源。

4、腔 （2） 和第二束源腔 （3） 内部各自安装一个脉冲阀 （5） ， 用于制备量子 态较为单一的超声分子束作为研究化学反应的反应物， 两个脉冲阀的安装位置均对准可转 动底盘 （1） 的圆心， 也即实验坐标系下的原点， 保证两个分子束源的有效交叉碰撞面积； 其 中第一束源腔 （2） 内的脉冲阀 （5） 可通过传动连接杆 （6） 围绕可转动底盘 （1） 的圆心进行旋 转调节， 以实现两个脉冲阀 （5） 之间相对角度 的调谐， 也即反应物之间碰撞角度的调谐； 所述的反应/探测腔由真空方腔 （11） 和探测器 （13） 组成， 其中真空方腔 （11） 通过第二 真空泵 （12） 抽真空， 维持实验研究。

5、所需的真空要求； 真空方腔 （11） 与可转动底盘 （1） 之间通 过两个高精度轴承 （7） 进行衔接及定位， 利用链轮 （10） 驱动可转动底盘 （1） ， 使其以真空方 腔 （11） 的腔体中心轴， 也即实验坐标系的原点所在轴发生转动， 实现两个分子束源与探测 器之间相对角度 的变化， 也即探测角度的变化； 可转动底盘 （1） 与真空方腔 （11） 之间的动 态密封性通过真空方腔 （11） 侧面多道O圈槽中的弹簧橡胶圈 （8） 及O圈槽之间的差分抽系统 （9） 来维持。 2.根据权利要求1所述的一种碰撞角度及探测角度可调的交叉分子束实验装置， 其特 征在于： 所述的第一束源腔 （2） 和第。

6、二束源腔 （3） 与可转动底盘 （1） 之间均通过螺丝紧固， 并配 合插销进行定位， 以便重复拆卸安装时不用进行位置的二次校准。 3.根据权利要求1所述的一种碰撞角度及探测角度可调的交叉分子束实验装置， 其特 征在于： 所述第一真空泵 （4） 和第二真空泵 （12） 均为磁悬浮分子泵， 通过刀口法兰与各自对应 的腔壁进行密封连接， 其中第一真空泵 （4） 的抽速为1600升/秒， 第二真空泵 （12） 的抽速为 2200升/秒。 4.根据权利要求1所述的一种碰撞角度及探测角度可调的交叉分子束实验装置， 其特 征在于： 所述O圈槽有三道， 每道O圈槽的表面均经过镜面抛光， 表面粗糙度达到0.4 。

7、m， 保证动 态密封性的效果。 5.根据权利要求1所述的一种碰撞角度及探测角度可调的交叉分子束实验装置， 其特 征在于： 所述探测器 （13） 为质谱探测器。 权利要求书 1/1 页 2 CN 212060040 U 2 一种碰撞角度及探测角度可调的交叉分子束实验装置 技术领域 0001 本实用新型涉及一种交叉分子束实验装置， 具体是一种碰撞角度及探测角度均可 独立连续调谐的交叉分子束实验装置。 背景技术 0002 交叉分子束技术是现代物理化学实验研究中实现量子态分辨的基元化学反应研 究的重要工具。 所谓交叉分子束技术， 是将两个分子束源以一定角度在高真空环境下进行 单次碰撞， 进而发生弹性/。

8、非弹性散射或化学反应过程。 在具体的实验研究过程中， 基元化 学反应的能量分配、 产物空间分布等动力学信息会因碰撞能的不同而呈现出差异化， 因此 在不同碰撞能下捕捉这些微观动态变化信息是研究一个基元化学反应的重要课题之一。 0003 基于交叉分子束技术的基元化学反应研究实验装置一般均是通过改变碰撞角度 或分子束中的反应物分子的速度来实现碰撞能的改变的。 以往的交叉分子束实验装置通常 会配置了好几个束源腔， 一个束源腔对应一个固定的碰撞角度， 碰撞角度之间的切换需要 通过开腔破坏真空后拆卸调换束源腔才能得以实现。 即使这样， 基于制造成本的考虑， 一套 实验装置只能配置诸如45度、 90度这样常。

9、规的碰撞角度所对应的束源腔体。 0004 为了实现更多碰撞角度下的实验研究， 研究者们需要在制备分子束源的气体中掺 杂稀有气体， 以改变分子束的最终速度来实现碰撞能变化的目的。 然而， 分子束源的最终速 度只随掺杂气体的质量及其比例的改变而发生变化， 由于稀有气体的种类有限， 且当掺杂 比例太大时， 探测信号将因分子束源中反应物分子的稀释而迅速衰减。 由此可见， 通过掺杂 稀有气体这一方法无法实现分子束源最终速度的连续可调， 也即意味着碰撞能的改变也无 法实现自由调节。 0005 另一方面， 为了捕捉基元化学反应的能量分配、 产物空间分布等动力学信息， 需要 测得质心坐标系对应的0180度下的。

10、产物速度分布， 进而推导出产物在全角度下的产物空 间分布、 产物能量分布等信息。 为了实现这一研究目的， 以往的交叉分子束实验装置采用质 谱探测技术， 将商用质谱安装在角度可调谐的质谱探测腔内， 每间隔一定角度测一张产物 速度分布图， 结合数值拟合的方法获取全角度下的产物信息。 由于质谱探测区域需要在超 高真空环境下工作才能保证实验的信噪比， 因此质谱探测腔必须配备多级差分抽真空系 统， 并可结合液氮进行冷却处理， 从而达到质谱探测区域的真空度要求。 按照此设计方案， 质谱探测腔的体积就会变得极其复杂庞大， 而需要容纳整个质谱探测腔的反应/探测腔也 随之变大， 大大增加制造成本。 此外， 质谱。

11、探测器是高精密的探测工具， 外部的电源控制器 及信号控制器需与质谱探测器保持相对静止， 以免连接线的轻微拉扯导致信号的不稳定。 然而， 这在具体实施时极为不便， 稳定性也不能完全确保。 发明内容 0006 针对现有技术中存在的上述不足之处， 本实用新型提供了一种碰撞角度及探测角 度可调的交叉分子束实验装置。 说明书 1/4 页 3 CN 212060040 U 3 0007 本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是： 0008 本实用新型主要包括可转动束源制备腔和反应/探测腔。 0009 所述的可转动束源制备腔由可转动底盘、 第一束源腔和第二束源腔组成， 可转动 束源制备腔内部由安装在可转动。

12、底盘底部的第一真空泵抽真空， 以实现并维持束源制备所 需的真空度。 0010 所述的第一束源腔和第二束源腔内部各自安装一个脉冲阀， 用于制备量子态较为 单一的超声分子束作为研究化学反应的反应物， 两个脉冲阀的安装位置均对准可转动底盘 的圆心， 也即实验坐标系下的原点， 保证两个分子束源的有效交叉碰撞面积； 其中第一束源 腔内的脉冲阀可通过传动连接杆围绕可转动底盘的圆心进行旋转调节， 以实现两个脉冲阀 之间相对角度 的调谐， 也即反应物之间碰撞角度的调谐。 0011 所述的反应/探测腔由真空方腔和探测器组成， 其中真空方腔通过第二真空泵抽 真空， 维持实验研究所需的真空要求； 真空方腔与可转动底。

13、盘之间通过两个高精度轴承进 行衔接及定位， 利用链轮驱动可转动底盘， 使其以真空方腔的腔体中心轴， 也即实验坐标系 的原点所在轴发生转动， 实现两个分子束源与探测器之间相对角度 的变化， 也即探测角度 的变化； 可转动底盘与真空方腔之间的动态密封性通过真空方腔侧面多道O圈槽中的弹簧 橡胶圈及O圈槽之间的差分抽系统来维持。 0012 本实用新型具有以下优点及有益效果： 本实用新型通过引入可转动底盘及传动连 接杆的设计， 在不破坏真空的前提下， 一方面实现分子束之间碰撞角度的独立调谐， 以满足 不同碰撞能下的化学反应的实验研究之用， 大大简化实验操作流程和节省时间成本。 另一 方面， 实现两个分子。

14、束相对于探测器之间的角度调谐， 以满足不同探测角度下的产物速度 分布的测量， 因无需通过转动探测器来实现探测角度的变化， 从而确保高精密探测器的稳 定性。 附图说明 0013 图1为本实用新型的结构示意图； 0014 图2为本实用新型的俯视图； 0015 其中， 1、 可转动底盘， 2、 第一束源腔， 3、 第二束源腔， 4、 第一真空泵， 5、 脉冲阀， 6、 传动连接杆， 7、 高精度轴承， 8、 弹簧橡胶圈， 9、 差分抽系统， 10、 链轮， 11、 真空方腔， 12、 第二 真空泵， 13、 探测器。 具体实施方式 0016 下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。 00。

15、17 如图1和图2所示， 本实施例主要包括可转动束源制备腔和反应/探测腔。 0018 可转动束源制备腔由可转动底盘1、 第一束源腔2和第二束源腔3组成， 是制备作为 化学反应研究的反应物分子束源的场所； 可转动束源制备腔内部由安装在可转动底盘 1底部的第一真空泵4抽真空， 以实现并维持束源制备所需的真空度； 第一束源腔2和第二束 源腔3与可转动底盘1之间通过螺丝紧固， 并配合插销进行定位， 以便重复拆卸安装时不用 进行位置的二次校准； 束源腔内部各自安装一个脉冲阀5， 用于制备量子态较为单一的超声 分子束作为研究化学反应的反应物， 两个脉冲阀的安装位置均对准可转动底盘1的圆心， 也 说明书 2。

16、/4 页 4 CN 212060040 U 4 即实验坐标系下的原点， 保证两个分子束的有效交叉碰撞面积； 束源腔2的脉冲阀5可通过 传动连接杆6围绕可转动底盘1的圆心进行旋转调节， 以实现两个脉冲阀5之间相对角度 ， 也即反应物之间碰撞角度的调谐。 0019 反应/探测腔由真空方腔11和探测器13组成， 是两个分子束源发生单次碰撞， 触发 化学反应， 并探测产物速度分布的场所； 真空方腔11通过第二真空泵12抽真空， 维持实验研 究所需的真空要求； 真空方腔11与可转动底盘1之间通过两个高精度轴承7进行衔接及定 位， 利用链轮10驱动可转动底盘1， 使其以腔体中心轴， 也即实验坐标系的原点所。

17、在轴发生 转动， 实现两个分子束源与探测器之间相对角度 ， 也即探测角度的变化； 可转动底盘1与真 空方腔11之间的动态密封性通过真空方腔11侧面三道O圈槽中的弹簧橡胶圈8及O圈槽之间 的差分抽系统9来维持。 0020 在本实施例中真空泵采为磁悬浮分子泵， 通过刀口法兰与腔壁进行密封连接， 其 中可转动束源制备腔配备的是抽速1600升/秒的磁悬浮分子泵， 反应/探测腔配备的是抽速 2200升/秒的磁悬浮分子泵。 0021 在本实施例中三道O圈槽的表面均经过镜面抛光， 表面粗糙度达到0.4 m左右， 保 证动态密封性的效果。 0022 在本实施例中所述探测器13为质谱探测器。 0023 本实施例。

18、通过可转动束源制备腔内同时配置一个相对固定的束源及一个角度可 经传动连接杆进行调谐的束源， 在不破坏真空的情况下， 高效便捷地实现两个束源之间碰 撞角度 以及两个束源相对于探测器的角度 的独立调谐， 在改变探测角度之时， 可转动束 源制备腔与反应/探测腔之间同心度是通过采用大尺寸高精度轴承加以保证， 而动态密封 性能则是采用弹簧橡胶圈与差分抽系统的配合来实现的， 通过这一系列的设计使交叉分子 束实验装置适用于研究不同碰撞能下的同一化学反应产物在各个探测角度之下的速度分 布。 0024 本实施例的具体操作过程如下： 0025 1、 开腔固定两个束源腔在可转动底盘上的位置， 安装两个脉冲阀， 使其。

19、均对准可 转动束源制备腔的圆心。 0026 2、 关闭腔盖， 开启所有真空泵及差分抽系统， 使得腔内各个部分的真空度均到达 10-8torr量级， 烘烤包裹探测器的腔体并加液氮， 使其探测区域的真空度好于10-11torr量 级。 0027 3、 根据实验研究所需的碰撞能计算出分子束源之间的碰撞角度， 在可转动束源制 备腔外手动调节传动连接杆的角度， 改变束源腔内与之相衔接的脉冲阀的位置， 使该脉冲 阀与另一个相对固定的脉冲阀之间的角度符合计算的碰撞角度。 0028 4、 开启两个脉冲阀及探测器。 0029 5、 通过链轮驱动整个可转动束源制备腔， 使其围绕腔体中心轴旋转， 以改变两个 分子束。

20、相对于探测器的角度， 在质心坐标系所对应的0180度内等间隔地采集各个角度下 的产物速度分布， 最终获取产物能量分布、 空间角分布等动力学信息。 0030 综上， 本实用新型可在不开腔破坏真空的情况下， 高效便捷地通过腔外机械调节 两个分子束源之间碰撞角度及相对于探测器的探测角度， 从而获取不同碰撞能下的同一化 学反应产物在不同探测角度下的速度分布信息。 说明书 3/4 页 5 CN 212060040 U 5 0031 上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点， 其目的在于让本领域技术人 员能够了解本实用新型的内容并据以实施， 并不能以此限制本实用新型的保护范围。 凡根 据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰， 都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。 说明书 4/4 页 6 CN 212060040 U 6 图 1 说明书附图 1/2 页 7 CN 212060040 U 7 图 2 说明书附图 2/2 页 8 CN 212060040 U 8 。