Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll für die Photoelektronen Bildgebung anionischen Spezies. Anionen im Vakuum erzeugt und durch Massenspektrometrie getrennt sind mit Geschwindigkeit zugeordnet Photoelektronik imaging, die Details der Anion und neutrale Energie, Anion und neutralen Struktur und das Wesen des Anion elektronische Staates sondiert.
Anion Photoelektronik Bildgebung ist eine sehr effiziente Methode für die Untersuchung der Energiezustände der gebundenen negative Ionen, neutralen Spezies und Wechselwirkungen von ungebundenen Elektronen mit neutralen Molekülen/Atomen. State-of-the-Art im Vakuum Anion Generation Techniken ermöglichen die Anwendung zu einer breiten Palette von atomaren, molekularen und cluster-Anion Systeme. Diese sind getrennt und mit Time-of-Flight mass Spectrometry ausgewählt. Elektronen werden durch linear polarisierte Photonen (Foto Ablösung) mit Tischplatte Laserquellen, die Erregung Energien von der infra-rot zu nahen Ultraviolett bereit Zugang entfernt. Erkennung der Photoelektronen mit einer Geschwindigkeit von bildgebenden Objektiv und Position, die empfindlichen Detektor bedeutet, dass im Prinzip jedes Photoelektronen den Detektor erreicht zugeordnet und die nachweiseffizienz ist einheitlich für alle kinetischen Energien. Photoelektronen Spektren extrahiert von den Bildern über mathematische Rekonstruktion mit eine Inverse Transformation Abel enthüllen Details das Anion innere Zustand Energieverteilung und die daraus resultierende neutrale Energiezustände. Bei niedrigen Elektron kinetische Energie reicht die typische Auflösung Energieniveau Unterschiede in der Größenordnung von ein paar Millielectron-Volt, d. h., Schwingungs gestaffelt nach molekülsorten oder Spin-Bahn-Spaltung in Atome zeigen. Photoelektronik eckige Distributionen entzogen die Inverse Transformation Abel repräsentieren die Unterschriften von dem gebundenen Elektron Orbital, ermöglicht genauere Untersuchung der elektronischen Struktur. Die Spektren und eckige Distributionen codieren auch Details zu den Wechselwirkungen zwischen ausgehenden Elektronen und die verbleibende neutralen Spezies nach Anregung. Die Technik wird durch die Anwendung einer atomaren Anion (F−) dargestellt, sondern es kann auch angewendet werden, um die Messung der molekularen Anion-Spektroskopie, die Untersuchung von tiefliegenden Anion Resonanzen (als Alternative zu Streuexperimente) und Femtosekunden ( FS) Zeitaufgelöste Untersuchungen der dynamischen Entwicklung der Anionen.
Anion Photoelektronik bildgebenden1 ist eine Variante auf Photoelektronen-Spektroskopie und stellt eine leistungsfähige Sonde der atomaren/Molekulare Elektronenstruktur und die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und neutralen Spezies. Die gewonnenen Informationen ist entscheidend bei der Entwicklung von Verständnis der gebundenen und metastabile (Elektron-Molekül Streuung Resonanzen) negative Ionen Staaten, Tür Staaten für chemische Reduktion, dissoziative Anlage Prozesse und Ionen-Molekül Interaktionen. Darüber hinaus die Ergebnisse liefern wichtige Tests von hohem Niveau ab-initio theoretische Methoden, vor allem jene gestaltete Umgang mit hoch korreliert, Systeme und/oder nicht-stationären Staaten.
Die Technik verbindet Ionen-Produktion, Massenspektrometrie und geladenen Teilchen imaging-2,3,4 , sensibel Sonde elektronischen (und für kleine Moleküle, Schwingungs) Struktur. Arbeiten mit anionischen Spezies ermöglicht gute Masse Selektivität über Zeit der Flug Massenspektrometrie (TOF-MS). Sichtbar/in der Nähe von ultraviolette (UV) Photonen sind hinreichend energisch, das überschüssige Elektron, erlaubt die Verwendung von Table Top Laserquellen zu entfernen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Anionen ist die Fähigkeit, Photoexcite tiefliegende, instabile anionischen Staaten die Energie Regime darstellen, unter denen die Elektronen und neutrale Atome/Moleküle stark wechselwirken. Die Verwendung von Geschwindigkeit zugeordnet bildgebenden5 (VMI) bietet einheitliche nachweiseffizienz, auch bei niedrigen Elektronen kinetische Energien, überwacht alle ausgeworfene Photoelektronen und gleichzeitig zeigt das Ausmaß und die Richtung ihrer Geschwindigkeiten.
Die experimentellen Ergebnisse sind Photoelektronik Bilder die Photoelektronen Spektren (Details der übergeordneten Anion Energiebinnenmarkt Distributionen) und die Energien der Tochter neutralen inneren Zustände und Photoelektronen eckige Distributionen enthalten (im Zusammenhang mit der vor der Ablösung orbital Elektronen). Eine besonders interessante Anwendung der Technik wird in fs Zeitaufgelöste Untersuchungen gefunden. Eine erste ultraschnelle Laserpuls (Pumpe) reizt zu einem dissoziativen Anion elektronischen Zustand, und eine zweite zeitlich verzögert ultraschnelle Puls (Sonde) dann löst Elektronen aus dem aufgeregt Anion. Die Steuerung der Pumpe-Sonde Zeitunterschied folgt der Entwicklung der Energiezustände des Systems und des wandelbaren Wesens der Orbitale des Systems auf der Zeitskala der atomaren Bewegung. Beispiele hierfür sind die fotodissoziation von I2− und andere interhalogen Arten6,7,8,9, Fragmentierung und/oder Elektron Unterkünfte ich−·uracil 10,11,12,13, ich−·thymine13,14, ich−·adenine15, ich−·nitromethane16, 17 und ich−·acetonitrile17 Cluster Anionen und die Offenbarung der bisher unerwartet langen Zeitskala für die Produktion von atomaren Anionen Cu− nach photoanregung von CuO2− 18.
Abbildung 1 zeigt die Washington University in St. Louis (WUSTL) Anion Photoelektronik bildgebende Spektrometer19. Das Instrument besteht aus drei differentiell gepumpte Regionen. Ionen werden in der Quelle Kammer arbeitet mit einem Druck von 10-5 Torr und enthält eine Entlastung Ionen-Quelle20und elektrostatische Ion Extraktion Platte hergestellt. Ionen sind durch Masse in einer Wiley-McLaren TOF-MS-21 getrennt (10−8 Torr ist der Druck in der TOF-Röhre). Ionen-Erkennung und sondieren erfolgt in den Erfassungsbereich (Druck von 10−9 Torr) enthält ein VMI Objektiv5 und ein geladenes Teilchen-Detektor. Die Hauptkomponenten des Gerätes sind schematisch in Abbildung 1 b dargestellt wo den schattige Bereich alle Elemente innerhalb des Vakuum-Systems darstellt. Gas ist die Entlastung durch die gepulste Düse zugeführt. Um die hohen Eingangsdruck zu versetzen, ist die Quelle-Kammer unter Vakuum mit einer Ölbasis Diffusionspumpe gepflegt. Die Entlastung Region ist in Abbildung 2aausführlicher dargestellt. Eine hohe Potentialdifferenz wird zwischen den Elektroden angewendet, von der Fläche der Düse durch eine Reihe von Teflon Abstandhalter isoliert sind. In der Tat wirkt das Teflon als Quelle der Fluoratome für die Ergebnisse später gezeigt.
Die Entladung erzeugt eine Mischung von Anionen, kationen und neutralen Spezies. Ionen-Extraktion Platte, Ion-Beschleunigung-Stack, mögliche Schalter und Microchannel Plate (MCP) Detektor (Abbildung 1 b) bilden die 2 m lange Wiley McLaren-TOF-MS.-Ionen werden durch die Anwendung der (negative) Spannungsimpuls an der Ionen-Extraktion Platte extrahiert und dann werden alle Ionen auf die gleiche kinetische Energie beschleunigt. Variation der Extraktion Puls Größenordnung konzentriert sich die Ankunftszeit in der VMI-Linse, während die Einzel-Linse der räumlichen Querschnitt der Ionenstrahl reduziert. Anionen sind neu referenziert auf eine mögliche Schalter22, das Timing von denen fungiert als eine Masse Diskriminator mit geschliffen. Anion-Auswahl erfolgt durch die Ankunft eines Impulses sichtbar/in der Nähe von UV-Photonen mit der Ankunftszeit des Anions in der VMI-Linse zu synchronisieren. Die Ionen-Trennung und Erkennung Regionen verwenden Öl frei Turbopumpen den bildgebenden Detektor zu schützen.
Anionen und Photonen interagieren, um Photoelektronen im gesamten Raumvolumen des Volumenkörpers Steinmetz, repräsentieren die Überlappung zwischen den Ionen und Laserstrahlen zu produzieren. Das VMI-Objektiv (Abb. 2 b) besteht aus drei offenen Elektroden, von denen soll sicherstellen, dass alle Photoelektronen den Detektor erreichen und die Dynamik Raum der Photoelektronen beibehalten wird. Um dies zu erreichen, sind verschiedene Spannungen auf die Extraktor und Repeller angewendet, so dass unabhängig von der räumlichen Ausgangspunkt, Elektronen mit der gleichen anfänglichen Geschwindigkeitsvektor an der gleichen Stelle auf den Detektor erkannt werden. Der Detektor besteht aus einer Reihe von Chevron abgestimmt MCPs, die als Elektron Multiplikatoren fungieren. Jeder Kanal hat einen Durchmesser in der Größenordnung von wenigen µm, Lokalisierung des Gewinns und die Erhaltung der ersten Aufprall-Position. Ein Phosphor-Bildschirm hinter der MCPs gibt die Position über den verstärkten Elektron Puls wie ein Blitz Licht, das mit einer Ladung gekoppelten Gerät (CCD) Kamera aufgezeichnet wird.
Zeitpunkt und Dauer der verschiedenen Spannungspulse erforderlich erfolgt über ein paar digitale Verzögerung Generatoren (DDG, Abbildung 3). Das ganze Experiment wird auf einen Schlag für Schlag-Basis mit einer Wiederholrate von 10 Hz wiederholt. Für jeden Schuss interagieren mehrere Ionen und Photonen produzieren ein paar Detection-Ereignisse pro Kamera Frame. Mehrere tausend Bilder sind in einem Bild angesammelt. Die Bildmitte stellt die Dynamik Raum Herkunft und daher der Abstand von der Mitte (R) ist proportional zur Geschwindigkeit eines Elektrons. Winkel θ (bezogen auf die Photon Polarisationsrichtung) gibt die Richtung der Geschwindigkeit eines Elektrons. Ein Bild enthält die Verteilung der Erkennung Event dichten. So kann es auch angezeigt werden, als Vertreter der Wahrscheinlichkeitsdichte für die Erkennung (zu einem bestimmten Zeitpunkt) eines Elektrons. Aufrufen der geborene Interpretation der Wellenfunktion (ψ) ein Bild darstellt | ψ | 2 für die Photoelektronen-23.
Die 3D Elektron Wahrscheinlichkeitsdichte ist zylindrisch symmetrisch über die Polarisation des elektrischen Vektors (εp) der Strahlung mit konsequente Verschlüsselung von Informationen. Rekonstruktion der ursprünglichen Verteilung wird mathematisch erreicht24,25,26,27. Die radiale Verteilung (der Elektronen) in der Rekonstruktion ist das Impuls (Geschwindigkeit) Domäne Photoelektronik Spektrum, das in der Energie-Domäne über Anwendung der entsprechenden Jacobi Transformation umgewandelt wird.
Das Anion Photoelektronik bildgebende Spektrometer (Abbildung 1) verwendet in diesen Experimenten ist ein Custom-Built Instrument28. Die Einstellungen in Tabelle 1 und Tabelle 2 für das Protokoll sind spezifisch für dieses Instrument für die Produktion von F− und Bildgebung der Photoelektronen Verteilung. Mehrere ähnliche Versionen des Designs dienen in verschiedenen Forschung Labors6,29,30,31,32,33,34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42, aber keine zwei Instrumente sind genau gleich. Geräteeinstellungen sind stark voneinander abhängig und sehr sensibel auf kleine Änderungen in den Bedingungen und Instrument Abmessungen.
Zwei Faktoren sind besonders wichtig für den Erfolg des Protokolls beschrieben. Die beste mögliche Geschwindigkeit Zuordnung Bedingungen bestimmt werden müssen und mehr entscheidend ist, muss eine ausreichende und relativ Zeit invariante Ausbeute an die gewünschte Anion hergestellt werden. Bezüglich der VMI fokusschritten sollten Schritte 5.2 und 5.3 wiederholt werden, im Tandem mit Bildanalyse, die Bedingung zu bestimmen, die welche die schärfsten (engsten) Bild-Eigenschaften gibt. Fine-tuning der Elektrode Spannu…
The authors have nothing to disclose.
Dieses Material basiert auf Arbeit, unterstützt von der National Science Foundation unter CHE – 1566157
Digital Delay Generators | Berkeley Nucleonics Corp. | 565-8c | DDG1 |
Digital Delay Generators | Berkeley Nucleonics Corp. | 577-8c | DDG2 |
HV Power Supplies | Stanford Research Systems | PS325 | V3 |
HV Power Supplies | Stanford Research Systems | PS325 | V2 |
HV Power Supplies | Stanford Research Systems | PS325 | V5 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1053 | V9 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1053 | V4 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1053 | V10 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1054 | V9,V11 |
HV Power Supplies | Bertan | 205B-05R | V6 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4150 | V2 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4140 | V1 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4140 | V11 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4140 | V3 |
Pulsed Nozzle Driver | Parker Hannifin (General Valve) | Iota-One | |
Pulsed Nozzle | Parker Hannifin (General Valve) | Series 9 | |
Camera | Imperx | VGA120 | |
Imaging Detector | Beam Imaging Systems | BOS40 | |
Oscilloscope | LeCroy | Wavejet 334 | |
Photodiode | ThorLabs | DET10A | |
Diffusion Pump | Leybold | DIP 8000 | |
2×Turbo Pump | Leybold | TMP361 | |
Rotary Pump | Leybold | D40B | |
2×Rotary Pump | Leybold | D16B | |
Oxygen Gas | Praxair | OX 5.0RS | |
Tunable Laser | Spectra Physics Sirah Dye Laser | Cobra-Stretch | |
Pump laser for Dye Laser | Sepctra Physics Nd:YAG | INDI-10 |