激光共振电离质谱计用光入射系统的研制

　　1　引　言

　　激光共振电离质谱学是近十几年发展起来的一种新兴的分析手段,是激光光谱学和质谱分析相结合的一门交叉科学[1]。它利用原子能级的量子化分布,选定特定波长的激光与原子的某一特定能级产生共振激发,从而有选择地电离某一特定元素。这种新型的电离方式,具有普通质谱分析方法所不能比拟的元素选择性,特别是对排除同质异位素的干扰,是其他分析手段所望尘莫及的。该项技术在原子能工业、地质、医药卫生、核试验放化诊断等领域具有广阔的应用前景[2-5]。实验室自行研制的激光共振电离质谱计选用了磁悬浮涡轮分子泵的真空系统和微通道板,法拉第筒和电子倍增器的探测系统。不同强度的离子流应有不同种类的探测器,对于低信号(≤2.5×105ions/s)采用电子倍增器进行脉冲计数探测,对于强信号用法拉第筒进行模数探测,对于多个低信号的同时接收可用微通道板。质谱计离子源外部开有通光窗口,既可以用来做超高精度、超高灵敏度的热电离同位素质谱分析,又可以做超高选择性的激光共振电离质谱分析。

　　在自行研制的质谱计的基础上,加上激光束引入装置,将激光器输出的一定波长的激光,经过光学系统聚焦成直径约几百μm的光斑,并将焦点位置准确定位在离子源内样品附近,以达到最佳的电离效果。

　　2　问题的提出

　　实验所采用的热电离式双带离子源,其结构如图1所示。其中,样品带为Ta带,电离带为Re带,在一般热电离工作方式下,是通过加热样品带,将样品蒸发出来,打到高温的电离带上产生热电离,但这种方式没有元素选择性,所有打到电离带上的元素原子都将被电离。在激光共振电离方式下,则是用特征波长的激光束穿越两带之间仅1 mm左右的狭缝,并在狭缝中心聚焦至160μm,样品就处于焦点的对应位置。加热样品带蒸发出样品原子,激光在穿越原子蒸汽区时与具有特定能级结构的元素原子相互作用,发生共振电离,产生的离子经离子光学系统进入分析管道。

　　整个离子源位于高真空的封闭环境之中,光线所要穿越的狭缝很窄,且位于进样装置的后面,光线和焦点的位置不可见,而光路的调节在真空系统的外边,距离子源狭缝距离远,对焦点的位置和大小要求又很严格。所以,离子源的这些特点正是本工作所要解决的难点。

　　3　光路计算

　　3.1　理论假设

　　(1)若染料激光输出为TEM00模,则光束强度的空间分布可认为近似服从高斯函数。

　　(2)是高斯光束就必有一束腰ω0。在束腰中央,高斯束光线的两条渐近线相交,该交角就是整个高斯光束的发散角,两者的关系为: