تصوير الانفجار كولومب كأداة للتمييز بين الفراغية

الهدف العام من هذه التجربة هو استخدام انفجار كولوم لتصوير التوجه الفراغي (handedness) للجزيئات الفردية في الحالة الغازية. وتعد هذه الطريقة نهجاً جديداً لمعالجة أسئلة هامة في الكيمياء الفراغية. وبشكل خاص، تتيح هذه الطريقة تحديد التوزيع المطلق للأنواع الكيرالية الصغيرة وديناميكياتها المستحثة ضوئياً.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية في إمكانية تسجيل الطاقة واتجاه انبعاث جميع شظايا الشحنات الناتجة عن التفكك الجزيئي بالتزامن. لقد قمنا بتطوير تقنية التصوير متعدد التزام هذه على مدى فترة تزيد عن 25 عاماً لمعرفة المزيد عن أسرار الكيمياء الفراغية وقياسها على أساس الجزيئات الفردية. ويتمثل جوهر التجربة في إعداد للتصوير المتزامن للأيونات وليزر الفيمتو ثانية، مثل جهاز COLTRIMS هذا.

يدخل شعاع ليزر الفيمتو ثانية من غرفة مجاورة. توضح هذه الرسوم المتحركة المبادئ الأساسية لتقنية COLTRIMS. يدخل شعاع جزيئي إلى غرفة التفريغ عبر فوهة وأداة قشط (skimmer).

يتقاطع شعاع ليزر مع الشعاع الجزيئي بزاوية قائمة، مما يؤدي إلى التأين والتجزئة اللاحقة. يقوم المجال الكهربائي في المطياف بتوجيه الأيونات إلى الكاشف حيث يتم تسجيل أوقات ومواقع ارتطامها. قم بتجهيز الإعداد للتشغيل وتحقق من التفريغ في غرفة التفاعل.

يجب أن يكون الضغط أقل من 10⁻⁹ هيكتوباسكال. مع تشغيل الليزر وبكثافة منخفضة، قم بإجراء محاذاة الشعاع. تأكد من دخول الشعاع إلى غرفة التجربة وانعكاسه من مرآة التركيز الخاصة بالغرفة.

استخدم بطاقة حزمة للتحقق من تطابق الحزمتين الواردة والصادرة مكانياً. قم بحجب حزمة الليزر قبل المتابعة. استعد لتشغيل وحدات تزويد الطاقة الخاصة بالمطياف والكاشف.

أولاً، قم بإيقاف تشغيل مقاييس الفراغ في غرفة التفاعل. بعد ذلك، قم بتوصيل مخرج الإشارة المضخمة للصفائح ذات القنوات الدقيقة بجهاز رسم تذبذبي سريع. الآن قم بتشغيل مصادر طاقة الجهد العالي للكاشف والمجال الكهربائي في المطياف.

عُد إلى العمل باستخدام شعاع الليزر عن طريق إلغاء حظره أولاً. جهّز مرشح استقطاب قابلاً للتدوير لضبط شدة الشعاع. ضع مقياس القدرة في مسار الشعاع قبل الغرفة مباشرةً واستخدم المرشح لضبط شدة الشعاع لتكون أقل من 10¹⁴ وات لكل سنتيمتر مربع.

بالنسبة لهذا الإعداد، يتوافق ذلك مع 100 milliwatts على مقياس القدرة. قم بإزالة مقياس القدرة ومراقبة أثر راسم الإشارات. من الضروري التحقق من جودة الإشارة وإعدادات الكاشف.

إذا تم تسجيل قدر كبير من الضوضاء، يصبح من الصعب جداً العثور على التطابقات الحقيقية. يجب أن يكون تردد الإشارة حوالي 5% من معدل تكرار الليزر. كما يجب أن تحتوي الإشارة على ذروة واحدة تبلغ عدة مئات من الميلي فولت دون أي رنين.

يجب ألا يتجاوز عرض الإشارات الصادرة من لوحة القنوات الدقيقة 10 nanoseconds. انتقل الآن إلى برنامج الحصول على البيانات، وقم بعرض صورة للكاشف، والتي يجب أن تظهر كدائرة بها بقعة منتشرة في مركزها ناتجة عن الليزر.

في هذه المرحلة، قم بتوفير ضغط قدره one bar من غاز الأرجون من أسطوانة غاز ليكون مصدراً للنفاث الغازي. راقب صورة الكاشف مباشرةً في برنامج الحصول على البيانات أثناء ضبط مرآة التركيز. إذا ظهرت بقعة ضيقة، فهذا يعني أنه تم تحديد منطقة التداخل بين النفاث الجزيئي وشعاع الليزر.

الهدف هو تحقيق أقصى قدر من تداخل شعاع النفاث وزيادة عدد العدات في بقعة النفاث. بعد تحسين تداخل شعاع النفاث، قم بتحضير العينة لاستخدامها في التجربة. هذه العينة موجودة بالفعل في أسطوانة متوافقة مع التجهيزات.

أولاً، قم بتبريد الأسطوانة في النيتروجين السائل لمدة تتراوح من دقيقة إلى دقيقتين لتجنب فقدان العينة. قم بتوصيل الأسطوانة المبردة بنظام النفث وأحكم الربط لضمان عدم تسرب الهواء (مانع للتفريغ). بعد ذلك، افتح الصمام لتفريغ النظام لبضع ثوانٍ لإزالة الهواء.

انتظر حتى تعود العينة إلى درجة حرارة الغرفة قبل فتح الصمام المؤدي إلى فوهة النفث. يجب أن يزداد الضغط في غرفة المصدر. عد إلى برنامج الحصول على البيانات.

تحقق من خلال الكمبيوتر من أن بقعة النفث لا تزال مرئية، وحدد القمم الأكثر بروزاً في طيف زمن الطيران. استمر في العمل باستخدام برنامج الحصول على البيانات. ولإجراء التحليل، قم برسم مخطط باستخدام زمن الطيران لأول أيون تم اكتشافه على المحور السيني (x-axis) وزمن الطيران للثاني أيون تم اكتشافه على المحور الصادي (y-axis).

عندما يتم اكتشاف شظيتين بالتزامن، تظهران كمناطق ذات تعدادات عالية. وإذا كان مجموع كتلتي الشظيتين يساوي كتلة الجسيم الأصل، فإنهما تحققان قانون حفظ الزخم وتظهران كخطوط قطرية حادة. قم بإجراء تحليل زمن الطيران لأربعة جسيمات باستخدام مخطط يتم إنشاؤه عن طريق جمع أزمنة الطيران للضربتين الأولى والثانية لاستخدامها كقيمة للمحور x، وجمع أزمنة الطيران للضربتين الثالثة والرابعة لاستخدامها كقيمة للمحور y.

تكشف مواضع وأشكال الهياكل الناتجة عن معلومات تتعلق بالكتل والزخم. اضبط قدرة الليزر بحيث يتم تحسين عدد العدات في الطيف. عند تحسين معدل التفكك ذي الصلة، يجب أن نضع في الاعتبار ألا يتجاوز المعدل الإجمالي 10% من معدل تكرار الليزر لتجنب حدوث تطابقات خاطئة.

هذه البيانات مستمدة من خليط راسيمي اصطناعي من مادة bromochlorofluoromethane. تظهر فقط الأحداث التي تم فيها تسجيل تفتت إلى خمسة أيونات أحادية الشحنة. يتم حساب المحور الأفقي باستخدام حاصل الضرب الثلاثي لمتجهات زخم أيونات الهالوجين.

يوجد المتصاوغ المرآتي S على يسار المدرج التكراري، ويوضح المخطط بيانات الزاوية المرتبطة به. بينما يوجد المتصاوغ المرآتي R على يمين المدرج التكراري إلى جانب مخطط يوضح الزاوية الخاصة به.

كان معدل تكرار الليزر 100 kilohertz واستغرق القياس حوالي 11 ساعة. يوضح هذا الرسوم المتحركة كيف يمكن استخدام بيانات متجه الزخم المسجلة للشظايا لتحويل اتجاهها العشوائي في النفاثات إلى نظام إحداثيات جزيئي. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك تصور عن كيفية إجراء تصوير انفجار كولوم باستخدام تقنية COLTRIMS.

يتيح تسجيل متجهات الزخم لأربعة أو خمسة شظايا في حالة تطابق رؤية تفصيلية للجزيء. ومع ذلك، فإن استخلاص هذه المعلومات من البيانات الخام يتطلب جهداً كبيراً في خطوة التحليل. إن أسرار علوم الحياة في عالم الجزيئات تحدث على مقياس زمني يبلغ جزءاً من مليار من مليار من الثانية، ويمكن لطريقتنا الكشف عن هذه الديناميكيات السريعة وتصورها.