實驗裝置

本實驗系統裝置主要分成四個部分：雷射系統、反應系統、偵測 系統及其他周邊儀器。上述的前三項系統如圖 3-1 所示。

3.1.1 雷射系統

利用氟化氬雷射(ArF excimer laser, Gam laser, EX100H/60)，產生 波長為193 nm 的無偏極性雷射光，光束截面為 11.5 mm (長) × 4.2 mm (寬)的長方形。其最快重複頻率為 60 Hz，每發雷射的最高能量為 100 mJ。在電腦中輸入不同的電壓值會改變光束輸出能量大小，並可在 雷射出口處利用能量計(power meter)量測能量。使用雷射前，需預先 配置好雷射氣體(premix)，雷射氣體以氖氣(Ne)做為緩衝氣體(buffer gas)，氟氣(F₂)、氦氣(He)及氬氣(Ar)的氣體濃度分別為 0.17 %、1 % 及6 %。

利用氟化氪雷射(KrF excimer laser, Lambda Physik, model LPX

200)產生波長為 248 nm 的無偏極性雷射光，光束截面為 11 mm (長) × 33 mm (寬)的長方形。其最快重複頻率為 100 Hz，每發雷射的最高能 量為250 mJ。

3.1.2 反應系統

如圖 3-2 所示，反應槽為一個六通的不銹鋼腔體。在 x 軸方向的 兩面腔體封蓋上各裝上材質為S1UV 的 2 吋光窗(λ≧180 nm，穿透度

≧90%)，使光解雷射可以入射腔體。在 y 軸方向的腔體內部裝置兩 組已切割之鍍金球面鏡(Welsh mirror，直徑= 2 吋，焦距= 4 吋，兩鏡 組之距離= 4 吋)，光解產物的放光在這兩組球面鏡間作至少 8 次的來 回反射，理論上可以使收集的訊號強度增加 7.4 倍[1, 2]。所收集之放 光再經由材質為CaF2的 2 吋光窗(5000≧σ≧800 cm^-1，穿透度≧95%) 射出反應槽，導入光譜儀中。z 軸方向為氣體流動方向，反應氣體從 反應槽下方經一狹長隙縫(4 cm × 0.1 cm)流入；狹縫的擺設位置需靠 近Welsh cell 之聚焦點(即接近 M1、M2 中央，見 3.2.1)，並與雷射光 徑平行，以提高放光訊號的收集效率。由於室溫下苯甲醛之蒸氣壓約 為1.2 Torr，因此實驗時以水浴加熱反應物以提高其蒸氣壓，並以加 熱帶包覆加熱氣體管路以避免反應物凝聚。腔體內部的氣體管路並加 裝恆溫式加熱系統，其裝置主要由加熱帶、K 型熱電偶(thermocouple)、

電源供應器、溫度控制器(Brainchild，C91)所組成。此外，亦經由針

閥於光解雷射入口的光窗一端加入少許氦氣進入反應槽，用以清洗 (purge)光窗，避免反應物經雷射光解後所產生之碳化物吸附在光窗上，

降低光窗之穿透度使雷射能量下降。

反應槽上方的管路連接至乾式真空幫浦(dry pump，TAIKO，model BEH-1800，抽氣速率為 25000 L min^-1)，幫浦與反應槽之間用蝶形真 空閥(butterfly valve)調整抽氣速率。反應槽側面分別接一熱對流式壓 力 計(convectron gauge, model 275071) 及 一 電 容 式 壓 力 計 (MKS Baratron, model 122AA, 10 Torr)，用來量測反應槽內的壓力。

3.1.3 偵測系統

本 實 驗 使 用 步 進 式 霍 氏 轉 換 紅 外 光 譜 儀(Fourier-transform spectrometer，Bruker，model IFS-66 v/s)，其移動鏡為步進式移動，

為了保持移動鏡的穩定度，需將之獨立擺放在具有隔離振動作用 (vibration-free)的光學桌上，且光譜儀之抽氣幫浦的前段抽氣管亦需以 重物將之固定於地上，以避免幫浦的振動藉由管路傳至系統。此FTIR 之最佳解析度為0.13 cm^-1。

在反應槽與光譜儀之間架設一組 CaF2透鏡組(直徑 2 吋，焦距分 別為 4 吋及 6 吋)，可將 Welsh cell 收集之產物放光有效率地引導至 FTIR。放光訊號經過透鏡組及光圈(aperture)後導入 FTIR，並先後經 由干涉儀、光圈、濾光片(optical filter)，最後到達偵測器。

本實驗選用之FTIR 內部相關光學元件如下：

1 偵測器：InSb 紅外光偵測器(Kolmer，model KISDP-1-LJ2，rise time 220 ns)，偵測範圍為 1666-10000 cm^-1。偵測器內置一個前置放大 器，將電流訊號放大並轉換為電壓訊號。偵測器可輸出 ac 與 dc 耦合兩種訊號，此實驗選用ac 耦合輸出。

2 分光片：材質為 CaF2，可穿透之光區為1200-10000 cm^-1。

3 光圈： FTIR 光譜儀在特定的解析度下，可使用的最大光圈直徑 為

S F R 2

D= × × (3-1)

其中 D 為光圈直徑(cm)，F 為光譜儀中的光源集光拋物面鏡之焦 距(cm)，R 為光譜解析度(cm^-1)，S 為欲觀測光譜之最大波數(cm^-1)。

本實驗中，F = 15 cm，R = 0.4 cm^-1，S = 2330 cm^-1，故光圈直徑 為0.39 cm。

4 濾光片：因實驗中僅需測量小段光區之光譜，為節省掃瞄時間，

本實驗使用跳點取樣方式。為避免訊號摺疊(folding)的現象，需加 入適當的濾光片，只讓欲偵測光區的光線通過。本實驗所使用的 濾光片其光區為1670-2325 cm^-1(OCLI，W05200-6X)。

3.1.4 其他周邊儀器

利用脈衝產生器(digital delay pulse generator，Stanford Research System，model DG535)產生一道脈衝以觸發光解雷射。由於雷射經觸 發後需要經過延遲時間(delay time)才會放出雷射光抵達反應槽，因此 經延遲時間後必須再產生另外一道脈衝至光譜儀觸發放光訊號之擷 取。訊號經由偵測器偵測後，利用偵測器的內置放大器將電流訊號放 大並轉換為電壓訊號，於交流電耦合模式(ac-couple mode)下，再利用 電壓放大器(low noise preamplifier，Stanford Research System，model SR560)以適當倍率進行二次放大。放大後的訊號再傳送到 FTIR 的類 比/數位轉換器(analogue to digital converter，ADC)進行數據擷取程序。

FTIR 內部配置的類比/數位轉換器，其 A/D 解析度為 16 bit，時間解 析度為5 μs，輸入訊號上限為 10V。但本實驗另外於電腦主機板上插 置一類比/數位轉換器，其 A/D 解析度為 12 bit，時間解析度為 25 ns，

輸入訊號上限為 1V。本實驗亦利用示波器(oscilloscope，Tektronix，

TDS220)觀測訊號強度及時間分佈，以及雷射輸出能量之強度。