一种用于带电粒子储存的紧凑型静电储存环装置

技术领域

本发明涉及一种储存环装置，更具体的说，是涉及一种用于带电粒子储存的紧凑型静电储存环装置。

背景技术

实验物理的艺术就是观察物质的结构以及它内部的动力学过程。实时观测(测量)粒子化学反应的微观动力学过程，对真正理解粒子的化学反应性质将起到关键的作用，而使用飞秒激光的超快激光谱可以实现该目的。但实验装置在架构上仍存在很多技术上的难题无法解决。飞秒激光产生的高阶倍频激光适合开展粒子微观动力学的研究。但其输出的光通量很小，因此对束流的强度要求很大。

储存环的功能是储存带电粒子，即持续地让具有特定能量的粒子注入并进行积累，使储存的束流达到额定值并长时间地在储存环中飞行。

若通过向储存环中反复注入束流，增强团簇束流强度，以束流的高强度来弥补激光的低光强，能够解决上述问题。

静电型储存环，是上个世纪末发展起来的小型多功能非相对论粒子储存环。其运行物理量仅依赖于被约束带电粒子的动能/荷电比而非质量依赖，因此可以储存大质量数的粒子，其中包括团簇和生物大分子甚至于质量数更大的纳米颗粒。

静电型储存环一般由偏转结构和束流整形结构组成。当使用四极偏转电极作为偏转部件时，四极偏转电极上施加传统的对称电压，会对束流产生聚焦散焦作用，一般在偏转电极的入口和出口均放置四极杆三阶透镜对束流进行整形。原因是四极偏转电极对束流水平方向和垂直方向的聚焦散焦能力不同，因此需要使用四极杆三透镜对束流在水平方向和垂直方向分别进行聚焦和散焦，以此补偿四极偏转电极的聚焦散焦能力。这种对称电压模式结构非常复杂，加工精度要求高，且四极杆三阶透镜电压参数很多，不易调节，增加了实验上的误差和难度。

发明内容

为了解决上述现有的技术问题，本发明提出一种用于带电粒子储存的紧凑型静电储存环装置，通过在偏转电极上添加新的结构并施加非对称电压，达到束流经过偏转电极平行进平行出的效果，并使用静电单透镜对束流进行整形。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明用于带电粒子储存的紧凑型静电储存环装置，包括四个束流偏转模块，四个束流偏转模块共同形成正方形结构，构成正方形的束流飞行通道；每个所述束流偏转模块均包括一个束流偏转部件和两个束流整形部件，每个所述束流偏转模块中的两个束流整形部件彼此间夹角为90°，分别位于其所对应的束流偏转部件的入口处和出口处；

每个所述束流偏转部件均由四极偏转电极构成，通过施加合适的电压，令经过的束流发生90°偏转；所述四极偏转电极由四个直角扇形柱体电极相背对组成，每个直角扇形柱体电极的顶部和底部均设置有方形板电极，对束流的纵向分散进行遏制，每个所述直角扇形柱体电极的外围均环绕“L”型电极，所述“L”型电极外围设置两个侧面屏蔽电极，以屏蔽外部杂散场对束流的影响；

每个所述束流整形部件均由静电单透镜构成，通过施加合适的电压，对经过束流偏转部件的束流进行整形。

相邻的束流偏转模块之间留有一定距离，为此后加装光电能谱电极片或其他装置提前预留空间。

所述四极偏转电极由四个直角扇形柱体电极围成正方形结构，四个直角扇形柱体电极之间保持一定间距设置，每个直角扇形柱体电极与其所对应的“L”型电极和侧面屏蔽电极彼此之间均保持一定间距设置，且彼此之间均通过连接杆连接固定。

每个所述四极偏转电极的顶部均设置有顶部屏蔽电极，所述顶部屏蔽电极与侧面屏蔽电极的顶部连接；每个所述四极偏转电极的底部均设置有底部屏蔽电极，所述底部屏蔽电极与侧面屏蔽电极的底部连接；每个所述四极偏转电极的每个直角扇形柱体电极均通过其底部的方形板电极固定于底部屏蔽电极上。

对所述四极偏转电极施加的电压采用非对称电压模式，即对四极偏转电极中相对的直角扇形柱体电极上施加大小相等正负相同的电压，相邻的直角扇形柱体电极上施加大小不等正负相反的电压；对所述四极偏转电极中四个“L”型电极施加大小相等正负相同的电压。

所述静电单透镜由同轴排列的三个金属圆柱筒电极组成，三个金属圆柱筒电极彼此间保持一定间隔，且通过连接杆连接；其中，第一个金属圆柱筒电极和第三个金属圆柱筒电极长度相同，且均小于第二个金属圆柱筒电极的长度。

对静电单透镜中的三个金属圆柱筒电极分别施加电压时，第一个金属圆柱筒电极和第三个金属圆柱筒电极接地。

所述静电单透镜外部包裹有接地屏蔽管。

作为束流入口的束流偏转模块，对该束流偏转模块施加的电压采取脉冲形式，脉冲频率与前端束流注入频率保持一致，而其他三个束流偏转模块施加的电压始终保持常压不变。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中四极偏转电极采用的直角扇形柱体电极，在其顶部和底部添加了方形板电极，该方形板电极有效地减小了束流在竖直方向的发散；在其外部添加了“L”型电极，该“L”型电极成功减小了直角扇形柱体电极偏转束流并使束流在储存环稳定储存所需的电压。且由于四极偏转电极上所施加的电压与粒子能量有关(成线性关系，正相关)，这种设计能够用较低的电压储存高能粒子。

(2)本发明中四极偏转电极上所施加的电压为非对称电压模式，即相对电极电压相同，相邻电极电压大小不等，正负相反，这种电压模式能够减小对称电压造成的对束流的水平方向和竖直方向的聚焦散焦情况不同的问题，以此实现对束流进行偏转的同时保证其水平和竖直方向上的发散程度相同的目的，为后续束流整形提供便利。

(3)本发明中束流整形部件采取的是静电单透镜，即同轴排列的三个金属圆柱筒作为电极，且仅中间金属圆柱筒电极需要加电，两侧金属圆柱筒接地即可；这种金属筒相较传统的四极杆三阶透镜，更易加工，加电方式更加简单。静电单透镜外部添加屏蔽筒还可以减小杂散场对束流的影响。

附图说明

图1为本发明存储环装置的整体示意图；

图2为本发明中束流偏转模块的结构剖面图；

图3为本发明中直角扇形柱体电极、“L”型电极、侧面屏蔽电极的三维机械图；

图4为本发明的光学近似模型。

附图标记：1-束流偏转部件；2-束流整形部件；3-束流；4-直角扇形柱体电极；5-“L”型电极；6-侧面屏蔽电极；7-静电单透镜；8-接地屏蔽管，9-方形板电极。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清晰，下面结合说明书附图和实施例，对本发明的内容做进一步阐述。但本发明并不仅局限于该具体实施例，本领域内所熟知的一般性改造和替换也在本发明的保护范围内。

如图1所示，本发明用于带电粒子储存的紧凑型静电储存环装置，包括四个束流偏转模块，四个束流偏转模块分别置于四个角落，共同形成正方形结构，构成正方形的束流飞行通道。每个所述束流偏转模块均包括一个束流偏转部件1和两个束流整形部件2，每个所述束流偏转模块中的两个束流整形部件2彼此间夹角为90°，分别位于其所对应的束流偏转部件1的入口处和出口处。相邻的束流偏转模块之间留有一定距离，为此后加装光电能谱电极片或其他装置提前预留了足够的空间。

每个所述束流偏转部件1均由四极偏转电极构成，通过施加合适的电压，令经过束流偏转部件1的束流发生90°偏转。如图2、图3所示，所述四极偏转电极由四个直角扇形柱体电极4相背对组成，围成正方形结构，每个直角扇形柱体电极4的顶部和底部均设置有方形板电极9，对束流3的纵向分散进行遏制，方形板电极9和直角扇形柱体电极4上的电压相同。每个所述直角扇形柱体电极4的外围均环绕“L”型电极5，用于减小直角扇形柱体电极4电压，偏转束流3并使得束流3稳定飞行的最优化电压能够有效减小。所述“L”型电极5外围设置两个侧面屏蔽电极6，以屏蔽外部杂散场对束流3的影响。每个所述四极偏转电极的顶部均设置有顶部屏蔽电极，所述顶部屏蔽电极与侧面屏蔽电极6的顶部连接；每个所述四极偏转电极的底部均设置有底部屏蔽电极，所述底部屏蔽电极与侧面屏蔽电极6的底部连接；每个所述四极偏转电极的每个直角扇形柱体电极4均通过其底部的方形板电极9固定于底部屏蔽电极上，四级偏转电极固定于侧面屏蔽电极6、顶部屏蔽电极和底部屏蔽电极围成的空间内。其中，直角扇形柱体电极4可采用四分之一圆柱形电极，所述侧面屏蔽电极6、顶部屏蔽电极、底部屏蔽电极均可采用接地板。

所述四极偏转电极中的四个直角扇形柱体电极4之间保持一定间距设置，每个直角扇形柱体电极4与其所对应的“L”型电极5和侧面屏蔽电极6彼此之间均保持一定间距设置，且彼此之间均通过连接杆连接固定。所述连接杆可采用peek(聚醚醚酮)、陶瓷等材质的绝缘杆，或不锈钢杆，或外部套有绝缘的peek、陶瓷管。

对所述四极偏转电极施加的电压并非采用常规的对称电压模式(即相对电极电压相同，相邻电极电压大小相等正负相反)，而是创新地采用了非对称电压模式，即相对电极电压相同，相邻电极电压大小相等正负相反，以此来减小对称电压模式造成的束流在水平和竖直方向的发散程度不同的影响。具体地，对四极偏转电极中相对的直角扇形柱体电极4上施加大小相等正负相同的电压，对四极偏转电极中相邻的直角扇形柱体电极4上施加大小不等正负相反的电压。另外，对所述四极偏转电极中四个“L”型电极5施加大小相等正负相同的电压。

每个所述束流整形部件2均由静电单透镜7构成，通过施加合适的电压，对经过束流偏转部件1的束流进行整形。其中，每个所述束流整形部件2均可设置于其所对应的束流偏转部件1的侧面的居中位置。

所述静电单透镜7由同轴等间距排列的三个金属圆柱筒电极组成，三个金属圆柱筒电极彼此间保持一定间隔，且通过连接杆连接；其中，第一个金属圆柱筒电极和第三个金属圆柱筒电极长度相同，且均小于第二个金属圆柱筒电极的长度。为了避免发散场对粒子运动的影响，所述静电单透镜外部包裹有接地屏蔽管8，所述接地屏蔽管8与其所对应的束流整形部件2的侧面屏蔽电极6固定连接。对静电单透镜7中的三个金属圆柱筒电极分别施加电压时，第一个金属圆柱筒电极和第三个金属圆柱筒电极接地。

另外，作为束流入口的束流偏转模块，对该束流偏转模块施加的电压采取脉冲形式，以便于束流从前端注入本发明储存环装置中，而其他三个束流偏转模块施加的电压始终保持常压不变，以保障束流能够在储存环中稳定飞行。

由于带电粒子在电场中的运动轨迹类似于光在光学介质中的传播。因此，本发明储存环装置中带电粒子的稳定运行状态可以通过光学传输矩阵来分析。如图4所示，为该静电储存环光学近似模型。在该模型中，束流偏转部件1被近似为一个平面镜，即束流3经过该束流偏转部件，仅仅改变飞行方向偏转90°，基本不在横向和纵向上发生散焦或聚焦情况。而静电单透镜7被近似为一个光学透镜，对束流产生一个聚焦的作用，保证束流能够稳定在储存环装置中飞行。通过使用计算软件进行计算，得到当几何尺寸一定的情况下，通过改变静电单透镜7焦距的大小，能够保证束流在该模型中稳定的发生振荡，而不会出现发散的情况，进而验证了该模式下束流能够稳定地在储存环中飞行。

实施例：

本发明用于带电粒子储存的紧凑型静电储存环装置，整个装置占地面积在1.5m

所述四极偏转电极由四个半径为45mm的直角扇形柱体电极4相背对组成，直角扇形柱体电极4的顶部和底部均为边长为58mm、厚度为2mm的方形板电极9。直角扇形柱体电极4的高度均为160mm。同一个四极偏转电极中相对的直角扇形柱体电极4之间的最大距离为170mm。每个所述直角扇形柱体电极4的外围均环绕一个厚度为6mm的“L”型电极5，同一个束流偏转部件1中相邻的“L”型电极5之间距离为44mm，同一个束流偏转部件1中直角扇形柱体电极4与其所对应的“L”型电极5之间距离为7mm。每个“L”型电极5外围均设置两个侧面屏蔽电极6，每个侧面屏蔽电极6的长宽高尺寸均为190mm、52.5mm、8mm，侧面屏蔽电极6与其所在侧的“L”型电极之间的距离为7mm。

为满足图4所述的束流偏转部件1仅具有类似平面镜的作用，对四极偏转电极施加的电压采用非对称电压的模式。出于安全性和造价的角度考虑，需要尽量减小四极偏转电极上的电压，采取了在四极偏转电极外部添加“L”型电极5的结构来达到减小四极偏转电极上电压的目的。对于质量为2000amu，能量为100eV的粒子，每个四极偏转电极中的一组相对的直角扇形柱体电极4的电压均为410V，另外一组相对的直角扇形柱体电极4的电压均为-1910V，每个束流偏转部件1中的所有“L”型电极5的电压均为700V。当粒子的能量改变时，电极上的电压成比例的改变。

所述静电单透镜7由同轴排列的三个金属圆柱筒电极组成。三个金属圆柱筒电极彼此间隔均为5mm。第一个金属圆柱筒电极和第三个金属圆柱筒电极长度相同，均为20mm，第二个金属圆柱筒电极长度较长，为120mm。三个金属圆柱筒电极的内半径均为35mm，外半径均为50mm。为了避免发散场对粒子运动的影响，采用了接地屏蔽管8将静电单透镜7包裹住。

为满足图4所述的静电单透镜7对束流3进行聚焦的作用，对于质量为2000amu，能量为100eV的粒子，每个静电单透镜7的第一个金属圆柱筒电极和第三个金属圆柱筒电极上电压均为零，对第二个金属圆柱筒电极施加的电压均为700V。

为了保证带电粒子能够从前端持续地注入到本发明储存环装置中，作为束流入口的束流偏转模块，对该束流偏转模块施加的电压采取脉冲形式，即每当前端有束流到达储存环入口处，该束流偏转模块的各个电极的电压都降为0，令束流无障碍地飞入储存环后，入口处的束流偏转模块的各个电极电压再恢复为原有的数值，而其他三个束流偏转模块施加的电压始终保持常压不变。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。