H2S放電產(chǎn)生等離子體團簇的飛行時間質(zhì)譜研究

向前蘭,王益軍

(咸陽師范學(xué)院與中國科學(xué)院近代物理研究所聯(lián)合共建離子束與光物理實驗室，陜西 咸陽 712000)

團簇是由幾個乃至上千個原子、分子或離子通過物理或化學(xué)結(jié)合力形成的相對穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體，對其形成、結(jié)合和運動規(guī)律的研究，有助于發(fā)展和完善原子結(jié)合理論以及研究各種大分子和固體的形成規(guī)律。此外，團簇也是宇宙分子、塵埃、大氣煙霧、溶膠、云層形成和發(fā)展等在實驗室條件下的一種模擬，因此，研究團簇分子還可能為天體演化、大氣污染控制和人工調(diào)節(jié)氣候的研究提供線索。以硫為中心的氫鍵(sulfur-centered hydrogen bonds)在生物系統(tǒng)以及材料科學(xué)中普遍存在并具有重要意義，近年來越來越受到關(guān)注[1-2]。然而，SCHB網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的團簇研究非常少[3-7]。其中，對于H+(H2S)n團簇的研究更少，目前為止只有兩個相關(guān)的研究工作。YAMABE等[8]采用從頭計算對H+(H2S)n(n=0～5)進行了基礎(chǔ)級別的計算(HF/4-31G)。WANG等[9]采用紅外光譜和從頭計算研究了H+(H2S)n(n=3～9)團簇的分子結(jié)構(gòu)。

本研究對H2S和Ar的超聲射流脈沖混合氣體進行脈沖高壓放電產(chǎn)生團簇離子，利用自主設(shè)計的Wiley型脈沖式質(zhì)譜分析儀[10]探測H+(H2S)n(n=1～15)離子團簇。

1 實驗

實驗裝置的詳細介紹見文獻[10]。這里簡單介紹一下實驗條件。2%H2S和Ar的混合氣體(40 psi)經(jīng)脈沖閥(Parker，General Valve series 9，額定電壓為12 V)進入真空腔室。采用中科科儀生產(chǎn)的FF-160/700復(fù)合型分子泵保證腔室的真空度，腔室內(nèi)的動態(tài)氣壓為7.6×10-3Pa。在放電區(qū)瞬間加載脈沖高壓對混合氣體放電(放電裝置中直流電源的電壓設(shè)置為40 V，放電電容為1.88 μF)，放電產(chǎn)生的等離子體經(jīng)絕熱膨脹后進入引出區(qū)被偏轉(zhuǎn)電場加速，加速電壓為1 000 V。用微通道板(MCP)收集質(zhì)譜信號，據(jù)信號的具體情況將微通道板的電源電壓設(shè)置為-1 600 V或-1 700 V。

基于Wiley型脈沖式質(zhì)譜分析儀的原理[11]， 質(zhì)量為m，帶電量為q的離子在脈沖加速電場U中獲得動能：

(1)

接著，離子在無場區(qū)漂移做勻速運動，時間與飛行距離d的關(guān)系為t=d/v，于是得出飛行時間和離子質(zhì)量的關(guān)系如下：

(2)

由式(1)和(2)式可知，在一定的加速電場下，離子的質(zhì)荷比與時間的平方成正比。實際情況中，由于加載到電極上脈沖電壓和粒子探測器響應(yīng)的延遲，需要對離子飛行時間做修正，修正量設(shè)為t0，則實際測量的飛行時間tm為

tm=t+t0

(3)

故有

(4)

實驗中，先測量出已知離子氬離子和硫離子的飛行時間，利用(4)式擬合出系數(shù)，再用此系數(shù)和測量的待歸屬離子的飛行時間即可得到質(zhì)荷比。由于實驗條件的限制，我們制備的離子一般為一價離子，因此根據(jù)質(zhì)荷比可以得到離子質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

測量了偏轉(zhuǎn)加速電場相對脈沖放電不同延時時MCP探測的質(zhì)譜信號。圖1至圖3分別是延時為419 μs、469 μs和779 μs 時測量的質(zhì)譜圖。從圖1可以看到，當(dāng)延時為419 μs時，MCP僅探測到質(zhì)荷比為35的離子。由圖2，延時為469 μs時，探測到的離子質(zhì)荷比為35和69。圖3顯示探測到的離子質(zhì)荷比從103遞增到512，相鄰兩個峰間距為34。在延時小于419 μs時仍然只探測到質(zhì)荷比為35的離子，故我們認為圖1至圖3中的離子分別為H+(H2S)、H+(H2S)和H+(H2S)2及H+(H2S)n(n=3～15)團簇。當(dāng)延時較小時，只探測到較輕的離子，這是因為較輕的離子在被偏轉(zhuǎn)加速電場加速時獲得較大的速度，從而在漂移區(qū)運動時所用時間較短，先到達探測器，故圖1和圖2中能探測到較輕的離子H+(H2S)和H+(H2S)2，而圖3中H+(H2S)和H+(H2S)2的離子信號幾乎為零，重離子的信號較強。文獻[9]采用與本文中同樣的方法制備了H+(H2S)n(n=3～9)團簇，并用紅外光譜研究了其結(jié)構(gòu)。文獻[12]采用放電產(chǎn)生的等離子體與室溫下空氣中的水分子反應(yīng)產(chǎn)生了H+(H2O)n(n=3～37)團簇，并用三重四極桿質(zhì)譜儀進行探測。結(jié)合這些文獻以及本文前面的分析，將實驗所產(chǎn)生的團簇離子歸屬為H+(H2S)n團簇是合理的。根據(jù)測量的H+(H2O)n質(zhì)譜圖可到質(zhì)量分辨率(m/Δm)為240。

圖1 延時為419 μs 時的質(zhì)譜圖

圖2 延時為469 μs時的質(zhì)譜圖

圖3 延時為779 μs時的質(zhì)譜圖

3 結(jié)論

首次采用脈沖高壓放電技術(shù)對H2S/Ar的超聲射流混合氣體放電，制備了氣相團簇分子，并采用自主搭建的飛行時間質(zhì)譜儀測定了H+(H2S)n(n=1～15)團簇。本文的研究工作為后續(xù)研究質(zhì)子化氫硫團簇的性質(zhì)打下了基礎(chǔ)。