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研究生： 劉亞浚
Ya-Chun Liu
論文名稱： 混合冰晶在離子輻照中濺射粒子之質譜分析
The mass analysis of mixed ice target , H2O+CO2+NH3 , induced by ion bombardment
指導教授： 李敬萱
Chin-Shuang Lee
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 46
中文關鍵詞： 離子 、冰晶 、質譜分析
外文關鍵詞： ion, ice, mass analysis
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    • 為探究宇宙中物質的組成與演化過程,在地球上的實驗室中進行了許多模擬的實驗,本實驗主要的架構是引入一不同能量的Ar+、H2+及H3+離子束轟擊在低溫的真空環境下結成冰的氣體,再由質譜儀分析濺射粒子的結果。
    在實驗的的過程中發現不同的分子在質譜儀處會產生分裂, 而此分裂的產物非真正表面濺射粒子的信號,所以要先測量不同分子在質譜儀處得到不同信號強度時,其分裂產生的分子片段的信號比例,最後在量得的質譜圖中扣除質譜儀產生的分裂造成的信號以獲得真正由表面濺射粒子所造成的信號。
    15keV Ar+離子撞擊結成冰的H2O、CO2及NH3等單一氣體的濺射粒子種類在本實驗已得到確認,在分析離子撞擊結成冰的混合氣體方面,區分為離子撞擊結成冰的H2O及CO2混合氣體及離子撞擊結成冰的H2O、CO2及NH3兩部分,由於不同的分子可能有相同的分子量造成信號的重疊而無法進一步確認其分子的物種,但混合氣體種類較少的結果可作為分析混合氣體種類較多時的重要依據,藉以判斷混合氣體種類越多時濺射粒子的種類及是否產生新的分子的一項重要依據。

    A focused 15keV and 20keV argon ion beam was used to bombard iced targets, CO2 , H2O and NH3 (at temperature (28K). The sputtered particles were analyzed by a quadrupole mass spectrometer (QMS). The purpose of the experiment is to measure the percentage of the sputtered particles actually originated from the impacting sites on the iced targets. Some percentages of particles not induced from ion-iced-target interaction include, for instance, CO, O, and C produced in the disintegration by the QMS of pure CO2, which is copiously sputtered in ion-iced CO2 interaction. The analyzed data will be useful for understanding the chemical reaction in ion-molecule interactions.

    摘要…………………………………………………………………Ⅰ 目錄…………………………………………………………………Ⅱ 圖目錄………………………………………………………………Ⅳ 表目錄………………………………………………………………Ⅶ 第一章 序論…………………………………………………………1 1.1簡介………………………………………………………………1 1.2各章摘要…………………………………………………………2 第二章 基本原理……………………………………………………4 2.1星際介質及冰的簡介……………………………………………4 2.2離子及光子作用在冰的比較……………………………………5 2.3與本實驗相關的化學反應簡介…………………………………6 第三章 實驗設備與實驗步驟………………………………………9 3.1 實驗設備…………………………………………………………9 3.1-1預混系統(Preparation System) ……………………………9 3.1-2質譜儀(Quadrupole Mass Spectrometry)…………………9 3.1-3液態氦冷卻系統(cryostat)…………………………………10 3.2-1準備實驗階段…………………………………………………10 3.2-2 正式實驗階段………………………………………………11 第四章 實驗結果與討論…………………………………………14 4.1 15keV Ar+離子束碰撞結成冰的氣體之步驟與分析…………14 4.2-1 15keV Ar+離子束碰撞單一結成冰的結果與討論…………16 4.2-2 Ar+離子束碰撞結成冰的混合氣體之結果與討論………17 第五章 結論………………………………………………………19 參考資料……………………………………………………………45 圖 目 錄 圖3.1 實驗裝置及真空系統示意圖………………………………21 圖3.2 預混系統示意圖……………………………………………22 圖3.3 靶室腔體及質譜儀腔體示意圖……………………………23 圖3.4 15keV Ar+離子束打在鋁靶及法拉利杯的信號比較圖 ………………………………………………………………24 圖3.5 清潔靶面6000秒後Al的強度達到平穩…………………24 圖3.6 預混系統中H2O氣體純度的分析…………………………25 圖3.7 在15keV Ar+離子束撞擊結成冰的H2O的實驗中Al(amu=27) 及H2O(amu=18)強度隨時間變化圖………………………25 圖4.1 15keV的Ar+離子束撞擊結成冰的H2O後所得到的背景值及信號比較圖……26 圖4.2 15keV的Ar+離子束撞擊結成冰的H2O,信號扣除背景值後所得到的濺射粒子(ion induced)及質譜儀分裂（induced in QMS）所疊加的信號…………………………27 圖4.3 H2O在質譜儀處分裂的OH、O及H的強度對壓力的關圖………………………28 圖4.4 15KeV Ar+離子撞擊結成冰的H2O產生濺射粒子的質譜圖…………………29 圖4.5 15keV的Ar+離子束撞擊結成冰的NH3,信號扣除背景值後所得到的濺射粒子(ion induced)及質譜儀分裂（induced in QMS）所疊加的信號…………………………30 圖4.6 15KeV Ar+離子撞擊結成冰的NH3產生濺射粒子的質譜圖……31 圖4.7 15KeV Ar+離子撞擊結成冰的CO2產生濺射粒子的質譜圖……………………32 圖4.8 15keV Ar+離子束碰撞結成冰的混合氣體H2O：CO2=1：1,從表面濺射粒子的質譜圖……33 圖4.9 15keV Ar+離子束碰撞結成冰的混合氣體H2O：CO2=4：1,從表面濺射粒子的質譜圖…………34 圖4.10 15keV Ar+離子束碰撞結成冰的混合氣體H2O：CO2：NH3=1：1： 1,從表面濺射粒子的質譜圖………………………………35 圖4.11 15keV Ar+離子束碰撞結成冰結成冰的H2O與CO2混合氣體的 實驗中H2、H2O、CO、O2、CO2等濺射粒子在質譜儀處測得的強度隨時間變化圖………………………36 圖4.12(a) 15keV的H3+離子束碰撞結成冰的混合氣體H2O：CO2=1：1,從表面濺射粒子的質譜圖…………………………37 圖4.12(b) 15keV的H2+離子束碰撞結成冰的混合氣體H2O：CO2=1：1,從表面濺射粒子的質譜圖…………………………38 圖4.13 20keV Ar+離子束碰撞結成冰的混合氣體H2O：CO2：NH3=1：1：1,從表面濺射粒子的質譜圖………………………………39 圖4.14 以白光輻照結成冰的混合氣體H2O：CO2：NH3=1：1：1,從表面濺射粒子的質譜圖………………………………………40 表 目 錄 表 3.1 不同種類的分子在質譜儀處被電子擊碎後產生的分裂片段……………………………………………………………41 表3.2 不同種類及能量的離子束在得到最佳強度時電磁鐵的電壓值對照表…………………………………………41 表4.1 15keV Ar+離子撞擊結成冰的單一氣體後濺射粒子分析表……………………………………………………………42 表4.2 15keV Ar+離子撞擊結成冰的混合氣體H2O：CO2=1：1後濺射粒子分析表…………………………………………………43 表4.3 比較分別以離子輻照及光輻照結成冰的混合氣體H2O：CO2：NH3=1：1：1後產生的粒子分析表…………………………44

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