Vi præsenterer her, en protokol for photoelectron billeddannelse af anioniske arter. Anioner genereret i vakuum og adskilt af massespektrometri er aftestede ved hjælp af velocity kortlagt photoelectron imaging, der giver oplysninger om anion og neutral energi niveauer, anion og neutral struktur og arten af anion elektroniske stat.
Anion photoelectron imaging er en meget effektiv metode til undersøgelse af energi bundet negative ioner, neutral arter og interaktioner af ubundne elektroner med neutrale molekyler/atomer. State-of-the-art i vakuum anion generation teknikker tillader anvendelse til en bred vifte af atomare, molekylære og klynge anion systemer. Disse er adskilt og valgt ved hjælp af time of flight-massespektrometri. Elektroner er fjernet af lineært polariserede fotoner (foto udstationering) ved hjælp af tabel-top laser kilder, som giver adgang til magnetisering energier fra infra-røde til den i nærheden af ultraviolet. Påvisning af photoelectrons med en hastighed kortlagt imaging linse og holdning følsomme detektor betyder, at alle photoelectron i princippet, når detektoren og opdagelse effektivitet er ens for alle kinetisk energi. Photoelectron spektre udvundet af billeder via matematiske genopbygning ved hjælp af en invers Abel transformation afsløre detaljer anion indre energi tilstand distribution og de deraf følgende neutral energi. På lav elektron kinetisk energi er typisk beslutning tilstrækkelig til at afsløre energi niveau forskelle på rækkefølgen af et par millielectron-volt, dvs., forskellige vibrations niveauer for Molekylær arter eller spin-orbit opdeling i atomer. Photoelectron kantede distributioner udvundet fra inverse Abel transformation repræsenterer underskrifter fra den bundne elektron orbital, giver mulighed for mere detaljerede sondering af elektroniske struktur. Spectra og kantede distributioner også indkode interaktioner mellem udgående elektronen og de resterende neutrale arter efter excitation. Teknikken er illustreret ved anvendelse til en atomic anion (F−), men det kan også anvendes til måling af molekylære anion spektroskopi, undersøgelse af lavt liggende anion resonanser (som et alternativ til spredning eksperimenter) og femtosekund ( FS) tid løst undersøgelser af den dynamiske udvikling af anioner.
Anion photoelectron billeddannelse1 er en variant af photoelectron spektroskopi og repræsenterer en kraftfuld Sonde af atomar/Molekylær elektroniske struktur og samspil mellem elektroner og neutral arter. De indhentede oplysninger er afgørende for at udvikle forståelsen af bundet og metastabile (elektron-molekyle scattering resonanser) negativ ion stater, døråbning stater til kemisk reduktion, dissociative vedhæftede processer og ion-molekyle interaktioner. Endvidere, resultaterne giver afgørende test af høj level ab initio teoretiske metoder, især de designet til at beskæftige sig med stærkt korreleret systemer og/eller ikke-stationære stater.
Teknikken kombinerer ion produktion, massespektrometri og ladet partikel imaging2,3,4 til følsomt sondens elektroniske (og for små molekyler, vibrationelle) struktur. Arbejde med anioniske arter giver god masse selektivitet via tid for flyvning massespektrometri (TOF-MS). Synlig/nær ultraviolet (UV) fotoner er tilstrækkeligt energisk at fjerne overskydende elektronen, der tillader anvendelse af tabel top laser kilder. En yderligere fordel ved brugen af anioner er evnen til at photoexcite lavtliggende, ustabile anioniske stater, som repræsenterer energi regimer under hvilke elektroner og neutrale atomer/molekyler kraftigt interagere. Brugen af velocity kortlagt imaging5 (VMI) giver ensartet opdagelse effektivitet, selv ved lavt elektron kinetisk energi, overvåger alle skubbet photoelectrons og afslører samtidig størrelsesorden og retning af deres hastigheder.
De eksperimentelle resultater er photoelectron billeder, der indeholder photoelectron spektre (oplysninger om overordnede anion indre energimarked distributioner) og energierne af datter neutral interne stater og photoelectron kantede distributioner (relateret til den elektron orbital før udstationering). Et særligt interessant anvendelse af teknikken er fundet i fs tidsopløst undersøgelser. En indledende ultrahurtig laser puls (pumpe) ophidser til en dissociative anion elektroniske tilstand, og en anden tidsligt forsinket ultrahurtig puls (sonde) så løsner elektroner fra den glade anion. Kontrol af tidsforskellen pumpe-sonde følger udviklingen i energi stater af systemet og den skiftende natur af orbitaler af systemet på tidsskalaen atomare forslaget. Eksempler omfatter photodissociation af jeg2− og andre interhalogen arter6,7,8,9, fragmentering og/eller electron overnatning i jeg−·uracil 10,11,12,13, jeg−·thymine13,14, jeg−·adenine15, jeg−·nitromethane16, 17 og jeg−·acetonitrile17 klynge anioner og åbenbaringen af de hidtil uventet lang tidshorisont for produktion af Cu− atomic anioner efter photoexcitation af CuO2− 18.
Figur 1 viser Washington-universitetet i St. Louis (Jihad) anion photoelectron imaging spektrometer19. Instrumentet består af tre varierende pumpede regioner. Ioner er produceret i den kilde kammer, som opererer ved et tryk på 10−5 Torr og indeholder en decharge ion kilde20og elektrostatiske ion udvinding plade. Ioner er adskilt af massen i en Wiley-McLaren TOF-MS21 (trykket i TOF-røret er 10−8 Torr). Ion påvisning og sondering finder sted i regionen påvisning (pres af 10−9 Torr) som indeholder en VMI linse5 og en ladet partikel detektor. Hovedbestanddelene af instrumentet er skematisk illustreret i figur 1b hvor det skraverede område repræsenterer alle elementerne i vacuum-systemet. Gas er indført gennem den pulserende dyse i dechargen. For at opveje de høje indgangstryk, bevares kilde kammer under vakuum ved hjælp af en olie-baserede diffusionspumpe. Regionen decharge illustreres nærmere i figur 2a. En store potentielle forskel er anvendt mellem de elektroder, som er isoleret fra ansigtet af dysen af en serie af Teflon afstandsstykker. I virkeligheden, fungerer Teflon som kilde til fluor atomer for resultaterne vist senere.
Decharge producerer en blanding af anioner og kationer neutral arter. Ion udvinding plade, ion acceleration stack, potentielle switch og microchannel plade (MCP) detektor (figur 1b) udgør 2 m lange Wiley McLaren TOF-MS. ioner er udvundet ved anvendelse af en (negativ) spænding puls til ion udvinding plade og derefter er alle ioner accelereres til den samme kinetisk energi. Variation af udvinding puls størrelsesorden fokuserer ankomsttid i VMI linse, mens einzel linse reducerer den rumlige tværsnit af ion stråle. Anioner er re refererede til jorden ved hjælp af en potentiel switch22, timing som fungerer som en masse diskriminator. Anion udvalg er opnået ved at synkronisere ankomsten af en synlig/nær uv photon puls med ankomsttidspunktet for anion i VMI linse. Regionerne ion adskillelse og påvisning bruge olie fri turbopumps til at beskytte de billeddiagnostiske detektor.
Anioner og fotoner interagere for at producere photoelectrons i hele den rumlige volumen af Steinmetz solid, repræsentere overlappet mellem ion og laser bjælker. VMI linse (figur 2b) består af tre åbne elektroder, hvor formålet er at sikre, at alle photoelectrons Når detektoren og at momentum plads distribution af photoelectrons opretholdes. For at opnå dette, anvendes forskellige spændinger på emhætte og repeller således, at uanset oprindelse rumlige punkt, elektroner med de samme indledende hastighed vektor er fundet på det samme punkt på detektoren. Detektoren består af et sæt af chevron-matchede MCP, som fungere som elektron multiplikatorer. Hver kanal har en diameter på rækkefølgen af nogle få mikron, lokalisere gevinsten og bevare den oprindelige virkning holdning. En fosfor skærm bag MCP angiver position via forstærket elektron pulse som et lysglimt som er registreret ved hjælp af en afgift koblede enhed (CCD) kamera.
Timing og varighed af de forskellige spænding bælgfrugter kræves styres ved hjælp af en digital forsinkelse generatorer (DDG, figur 3). Hele forsøget gentages på grundlag af skud ved skud med en gentagelseshyppighed på 10 Hz. For hvert skud, flere ioner og fotoner interagere producerer et par registrering af begivenheder pr. kameraet rammen. Flere tusinde frames er akkumuleret i et billede. Byens billede repræsenterer momentum plads oprindelse og dermed afstanden fra centrum (r) er proportionalt med hastigheden af en elektron. Vinklen θ, (i forhold til photon polarisering retningen) repræsenterer retning af en elektron hastighed. Et billede indeholder fordelingen af påvisning begivenhed tætheder. Det kan således også ses som repræsentant for betafordelingen for afsløring (på et givent tidspunkt) af en elektron. Påberåbe sig den født fortolkning af bølgefunktionen (ψ) et billede repræsenterer | ψ | 2 for photoelectron23.
Betafordelingen 3D elektron er cylindrically symmetrisk om polarisering af den elektriske vektor (εp) af stråling med deraf følgende scrambling af oplysninger. Genopbygning af den oprindelige fordeling er opnået matematisk24,25,26,27. Den radiale distribution (af elektroner) i genopbygningen er det momentum (hastighed) domæne photoelectron spektrum, der omdannes til energi domæne via anvendelse af de relevante Jacobimatricen transformation.
Anion photoelectron imaging spectrometer (figur 1) anvendes i disse eksperimenter er en specialbygget instrument28. Indstillinger i tabel 1 og tabel 2 for protokollen er specifikke for dette instrument for produktionen af F− og billeddannelse af photoelectron udbredelse. Flere lignende versioner af design anvendes i forskellige forskning laboratorier6,29,30,31,32,33,34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42, men ingen to instrumenter er nøjagtig ens. Derudover er Apparatindstillingen stærkt afhængige af hinanden og meget følsom over for små ændringer i betingelser og instrument dimensioner.
To faktorer er især afgørende for succes af den beskrevne protokol. Bedst mulig hastighed kortlægning betingelserne skal fastlægges og mere afgørende et tilstrækkeligt og forholdsvis tid invariante udbytte af den ønskede anion skal fremstilles. Om VMI fokus trin, trin 5.2 og 5.3 bør gentages i tandem med billedanalyse til at bestemme den betingelse, som giver de skarpeste (smalleste) billede funktioner. Finjustering af elektrode spændinger (V5 og V6) er påvirket af størrelsen og placeringen af ion og laser str…
The authors have nothing to disclose.
Dette materiale er baseret på arbejde støttet af National Science Foundation under 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 |