高真空系統(high vacuum system)

　

       本實驗所使用的飛行時間質譜儀(time-of-fight mass spectrometer)，其主要組成元件都裝置在一個高真空系統內，整個系統大略可分為四個區域，即一、束源氣室(beam soure chamber); 二、分子與雷射作用區(molecule-laser interaction region); 三、飛行導管(flight tube); 四、離子偵測區(ion detection region)。以下分段說明:

　

一、分子束源氣室

      束源氣室是產生分子束的所在，其內裝產生分子束的脈衝閥(pulsed valve)，圓錐狀撇取器(skimmer)及氣體導管，此氣室的體積約為20 L(氣室外殼及所有元件的材質均為不銹鋼)氣室底部依序連接電動式閥門(electropneumatic gate valve)，擴散幫浦(diffusion pump)及其前段的機械幫浦(mechanical pump)。電動式閥門是為了在停電或緊急事發生時，能夠自動關閉，將氣室與幫浦隔絕，以防止幫浦內的油氣回流而造成污染，故在所有氣室與幫浦間均裝有電動式閥門。擴散幫浦(Alcatel crystal 202 UHV;diffusion pump, DP)的抽氣速率為1250 L/s，因擴散幫浦須在中度真空範圍(~ 1 x 10-2 Torr以下)才能作用，故在其前端連接一具機械幫浦。而在擴散幫浦與機械幫浦之則加裝一具分子篩吸附器，其目的是吸附機械幫浦內回流的油氣，以免污染整個真空系統。束源氣室的壓力是由氣室頂端所連接的ionization gauge測量，氣室的背景壓力(background pressure)維持在5 x 10-8 Torr以下; 而在擴散幫浦與機械幫浦間壓力則維持在10-3 Torr，由Convectron gauge測量。

       脈衝分子束源的主要元件為一脈衝式氣體閥門;閥門關閉時，高壓腔體與真空室互相隔離，閥門打開時，氣體由高壓腔內經噴嘴衝入真空室中。若高壓腔壓力夠高，出口的洞夠小，便可達自由膨脹(Free expansion)條件，產生超音速分子束。產生脈衝分子束的脈衝閥種類很多，本儀器所使用的脈衝閥(General Valve Corp , Series 9)是利用螺線型(solenoid mechanism)電導的機械原理所製成，此脈衝閥是由一部脈衝閥控制器控制脈衝閥門的頻率及觸發時間。一般實驗設定觸發開啟時間為100 微秒，頻率為10 Hz。因為脈衝式的單位分子密度(molecular density)比連續式的高，且分子速度分佈較窄，容易裝配，背景雜訊低，所需的抽氣幫浦不必具很高的抽氣速率，比較符合經濟效益。我們採用的脈衝閥的出口噴嘴直徑是0.15 mm，頂端角度為30度，在噴嘴(nozzle)之前10.5 mm的地方，裝有一個高20 mm，頂口直徑1 mm，底部直徑20 mm的圓錐狀撇取器(skimmer)，中間部分的超音速分子經此撇取器進入分子與雷射作用區。在一般實驗條件下，脈衝式氣體閥門的高壓腔壓力P0約為2000 Torr，而分子束源區的壓力P1約自背景壓力5 x 10-8 Torr升高為1 x 10-5 Torr。

　

二、分子與雷射作用區

      此區域是分子被雷射激發或游離的地方，其內含飛行時間鏡(TOF lens)、聚焦鏡(einzel lens)組。游離氣室的體積約為31 L，其下依接電動式閥門、8"的分子渦輪幫浦(turbomolecular pump,Balzers TPU-520,TP)抽氣速率520 L/s及渦輪幫浦的支援機械幫浦(mechanical pump , Balzer DUO-016B)抽氣速率為5.38 L/s 。氣室的左右兩端各有一個視窗，兩視窗中心通過飛行時間鏡組的U1、U2兩極板中間，此區域即為分子與雷射作用中心，此游作用心距離撇取器50mm;雷射光束即是經由此視窗進出氣室且通過作用中心。分子與雷射作用區的壓力是由ionization gauge測量，通常背景壓力則維持在5 x 10-9 Torr以下。

       飛行時間鏡組依距離圓錐狀撇取器由近至遠的電極片分別為U1、U2、U3;此三片電極板各片間距為1 cm，中央孔徑為13mm且均覆蓋一層鎳網(Ni mesh)使中央孔為一均勻電場。U1、U2的電壓分別由兩具電源供應器(Standford Research System Inc.Model PS350)所提供，通常U1的電壓高於U2而U3則為零電位，因此U1和U2間形成一加速區，而U2和U3間形成第二個加速區，故這三組鏡片就稱為二階段飛行時間鏡組(two stage time-of-flight lens)。 

       在U1、U2、U3之後的U4、U5、U6稱為einzel lens，作為聚焦離子之用;通常U4和U6接地(ground)，而U5加有電壓，這飛行時間鏡組和聚焦鏡的連接與支撐是由陶瓷棒(ceramic rod)所串接而成，而整個鏡組則直接鎖於一個不銹鋼圓筒上，圓筒再套接於氣室壁上的鏡組基座。而這飛行時間鏡組和聚焦鏡是為飛行時間質譜儀的核心。

 

三、飛行導管

       此區即是所謂的零場區域也就是飛行導管上沒有任何的電場作用。此區存在的目的是為了讓處在介穩狀態離子(metastable ions)能在此區域進行結構上的重排以達最穩定結構，在研究單分子解離(unimolecular dissociation)及動能釋放(Kinetic energy release, KER值)的課題上極為重要。

        飛行導管由一節不銹鋼六向交會管(6-way cross)及一雙口管(nipple)所組成的不銹鋼圓筒;於六向交會管之下，依序裝有電動式閥門，一具6"的分子渦輪幫浦(Balzers TPU-240)抽氣速率為240L/s，及其支援機械幫浦(Balzers DUO-016B)。此區域背景壓力維持在5 x 10-9 Torr以下。

　

四、離子偵測區

       此區內放置一部離子偵測器。它是一套微通道片(microchannel plate, MCP)，整組偵測器是由兩片MCP相疊而成，每片MCP的直徑是33 mm，厚度是0.4 mm。其上約有2 x 105個通道，通道直徑只有10 micrometers且有一斜角12°。而在兩片MCP之前為一接地的電極片，此電片是確保被偵測離子在進入MCP之前為一平坦的零場(field free)區。每個通道的作用相當於一個電子倍增管(electron multiplier)。當離子進入通道撞擊管壁後則會有數個電子逸出，逸出的電子又在通道內反覆撞擊，最後經第二片MCP通道所產生的電子則相當可觀；而再由底部金屬片承接此大量的電子後，產生一電流，此電流經轉換後，輸送至訊號收集儀器上，則質譜因而產生。

      本實驗所使用的訊號收集儀器分兩種，一是多通道訊號收集器MCS(multichannel scaler，Standford Research System SR430)作為收集離子訊號之用。此外，一部數位示波器(LeCroy9450，350Hz )則用來測雷射光的強度。MCS訊號收集器是以時間窗為其收集單位，一個基本單位稱為bin (bin的寬度分別有5ns、40ns、…10ms等可供選擇)。以40 ns為例，若決定記錄訊號一次長度為2K(1K = 1024 bins)，則時間窗的範圍即為82 microseconds (40ns x 2 x 1024)，在這飛行時間內的所有離子皆可被偵測到且被記錄下來。時間窗的範圍可視實驗需要而定，越大則可收集離子質量範圍越大，為減低雜訊的干擾，我們通常將MCS收集的訊號區別電壓設定在-15 mV，(15= N x [4 x 107] x 1.6 x 10-19 x 50) MCP增益值N = 4 x 107，即當有5 x 107個離子被MCP收集放大其電流，則超越-15 mV 而開始有離子的計數值被累積記錄下來。數位示波器也可用來記錄飛行質譜，其記錄方式為訊號的平均，而非累積的性質，此項優是能將訊號原貌呈現出來，但無法累積微弱的離子訊號。為提高光譜的可信度。本實驗用此示波器記錄脈衝雷射的平均強度，作為光譜的光源強度校正之用。

        進行分子束飛行時間質譜儀實驗時，壓力希望達到 10-7 Torr以下，因此在每個主要氣室(束源氣室、游離區、飛行道、離子偵測區)均使用兩級真空幫浦，這就是此實驗採行的differential pumping system。此套儀器的真空系統，若要在大壓力環境下啟動，因擴散幫浦及渦輪幫浦不能直接在大氣下操作，必須先進粗抽的工作；粗抽的步驟是先關閉氣室與擴散幫浦或渦輪幫浦間的電動式閥門，利用機械幫浦由特定的管徑抽掉氣室內的氣體，當氣室壓力降至10-2 Torr左右，關閉特定的管徑再打開電動式閥門開始讓擴散幫浦或渦輪幫浦繼續抽氣。大約十小時後真空系統的壓力可達5 x 10-9 Torr。

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上次網頁修改日期: 2004/07/02