IN41 · 离子的飞行时钟

飞行时间质谱仪

同一束离子怎样靠到达时间分出质荷比？ 相同电荷经过相同电势差，获得相同的能量。轻离子跑得快，重离子晚到。先用已知离子标定起跑时刻和时间轴，再把到达时间换成质荷比；电荷态仍要另行确定。

看离子穿过有限加速区，比较直线与反射路径。用独立参考峰标定时间，再从保存的到达事件重建质荷比和峰宽。

让离子按到达时间分开

提取电压

V/\mathrm{V}

2000

漂移长度

L/\mathrm m

0.8

源的轴向全宽

w/\mathrm{\mu m}

40

镜场比例（接入离子镜）

E_r/E_{r,0}

1

每脉冲平均离子数

\lambda

0.3

拖动金色高压、源宽或镜场旋钮，按住时飞行已改变；点采集可保存新观测。

离子源与模型假设

轴向初速度标准差

\sigma_v/(\mathrm{m/s})

200

源沿轴向均匀分布；有符号初速度采用在三个标准差处截断的高斯分布。有限均匀提取区、无场漂移段和单级均匀镜场决定每个到达时刻。镜中轴向速度反向，有限孔径、势垒和探测面会丢失离子。

探测器采用给定的十纳秒非延长型死时间和独立单离子响应。另行采集的破坏性电荷曝光与MCP参考测量提取出口下游、参考负载下的效率。推断不读取未知束流的真实总数或离子种类；忽略边缘场、碰撞、空间电荷和碎裂。

装置采用开放结构便于观察。横向相对轴向放大十倍，代表性离子已放大，飞行播放放慢；保存事件仍使用物理秒与整数时钟刻度。

模型假设

教学模型在有限均匀提取场、无场漂移段和有限单级静电镜中逐段传播正离子。源位置与有符号初速度都有分布；电极、孔径、镜后势垒和探测面会截获离子。参考离子、空白、效率检查及未知信号分别采集。原始事件只保存探测到的离子，时间轴和质荷比来自独立标定。分辨能力用实际峰宽估计；单峰不能排除多个相同质荷比的组分。忽略边缘场、空间电荷、碰撞和碎裂。束流太强、参考失效或时间门截断时保留原始数据并停报推断。横向尺寸和离子示意放大，播放时间放慢。

探测事件的质荷比谱

探测事件 $0$

支持的谱峰 $0$

首个峰 $0$

首峰分辨能力 $0$

$\mu=(m/u)/z\quad(\mathrm{Da}/e)$

图中保留探测计数。单条宽带可能包含未分辨的组分；一个质荷比峰不能确定电荷态。

原始时钟、标定与边界

保存的未知到达时刻

$(t_{\mathrm{arrival}}-t_{\mathrm{trigger}})/\mathrm{\mu s}$

$F_s=1.00\,\mathrm{GHz},\quad \eta_{\mathrm{ref}}=0.65$

$\Delta\mu_{\mathrm{FWHM}}$

±后的数为标准不确定度。共享参考误差一起传播；共同时钟比例在质荷比中相消。峰宽以256次脉冲分组重采样和分箱分辨率估计不确定度。未辨识的平均时钟格偏移保留在预算中，不随计数平均掉。近似相容区间以保留谱带、平稳且独立的脉冲为条件，不代表认证覆盖率。

已知质量参考拟合时间延迟与比例，独立留出标准再检验它们。空白估计本底，独立电荷与计数参考检查效率。标定先冻结，留出与未知事件在后。

重放完整JSON或CSV记录

每份采集都是有独立计数原点和UTC锚点的虚拟实验；比较历史的模拟物理时间可以重叠。完整记录包含每个脉冲门和电压读回、全部参考与未知事件刻度、不确定度及血缘。条件不支持推断时保留原始事件，停报质荷比和峰宽。

先抓重点

核心问题: 怎样从到达时刻知道一束离子的质荷比？
一句话直觉: 先保存真正到达探测器的时刻，再用独立参考标定；峰的位置给质荷比，峰的宽度反映分辨能力。

核心数学模型

有限加速区也需要时间

m\dot{\mathbf v}=q\mathbf E,\quad t_{\mathrm{flight}}=t_{\mathrm{gap}}+t_{\mathrm{drift}}+t_{\mathrm{mirror}}

每一段飞行时间都进入计时。反射模式还要加上离子在镜中减速、反向和返回的时间。

参考峰标定时间轴

t=\beta+\alpha\sqrt{\frac{\mu}{V}},\qquad \mu=\frac{m/u}{z}

已知质荷比的参考离子给出时间偏置和比例，留出参考再检验这条关系。未知事件使用冻结的标定及实测电压。

用实际峰宽衡量分辨能力

R=\frac{\mu_{\mathrm{peak}}}{\Delta\mu_{\mathrm{FWHM}}}

半高全宽从探测到的事件谱估计。两种组分挤在同一宽峰里时，保留未分辨的结果。

常见难点

起跑不是瞬间完成

容易误解只用管长除以最终速度，就得到全部飞行时间。

正确理解离子还要穿过加速间隙。初始位置和速度会改变这段时间，也会改变离开电极时的能量。

探测数与离子总数

容易误解谱峰面积就是源头发出的离子数。

正确理解孔径、探测效率、时间门和死时间都会丢失事件。效率要另用电荷参考检查，未知离子的真实总数不写进原始记录。

动手实验

01
先看两个峰
选择相邻双峰，再拖动金色高压旋钮。
你会看到： 按住时离子速度已改变。重新采集会得到新的时间标定和事件谱。
02
让离子多走一段
比较起跑位置分散、离子镜重新聚焦和离子镜失调。
你会看到： 高能离子钻得更深，在镜中停留更久。合适的镜场能缩小到达时差；失调后峰又展宽。
03
看看一条峰说明什么
选择不同离子同一质荷比，再查看原始时刻与校准。
你会看到： 相同质荷比可以来自不同的质量和电荷态。单条时间峰提供的是它们共有的比值。
04
保存再复位
采集并保存，导出JSON或CSV，再复位参数。
你会看到： 复位追加一份默认采集。旧事件、标准和导出内容不变；束流过强时原始事件仍能保存，推断停报。

飞行时间质谱仪

探测事件的质荷比谱

保存的未知到达时刻

给离子的飞行计时

核心数学模型

有限加速区也需要时间

参考峰标定时间轴

用实际峰宽衡量分辨能力

常见难点

起跑不是瞬间完成

探测数与离子总数

动手实验

先看两个峰

让离子多走一段

看看一条峰说明什么

保存再复位

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