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Chemistry

मजबूत क्षेत्र Adiabatic Ionization के साथ Polyatomic कट्टरपंथी Cations में Ultrafast कंपन जुटना की माप

Published: August 6, 2018 doi: 10.3791/58263
Automatic Translation
1, 1
1Department of Chemistry, Virginia Commonwealth University

Summary

हम polyatomic कट्टरपंथी cations में ultrafast कंपन जुटना है कि आणविक पृथक्करण में परिणाम की जांच के लिए एक प्रोटोकॉल मौजूद हैं ।

Abstract

हम polyatomic कट्टरपंथी cations में कंपन जुटना और उनके ultrafast गतिशीलता की जांच की तैयारी के लिए एक पंप जांच विधि प्रस्तुत करते हैं । मजबूत के तरंग दैर्ध्य स्थानांतरण द्वारा ८०० एनएम के निकट अवरक्त (1200-1600 एनएम) में आमतौर पर इस्तेमाल किया से पंप पल्स adiabatic, ionization प्रक्रिया multiphoton अवशोषण के सापेक्ष बढ़ जाती है के लिए सुरंग का योगदान इलेक्ट्रॉन । इलेक्ट्रॉन हटाने पर आयन की जमीन इलेक्ट्रॉनिक राज्य की प्रमुख जनसंख्या में Adiabatic ionization परिणाम है, जो प्रभावी ढंग से एक सुसंगत कंपन राज्य तैयार करता है ("वेव पैकेट") बाद में उत्तेजना के लिए उत्तरदायी । हमारे प्रयोगों में, सुसंगत कंपन गतिशीलता एक कमजोर क्षेत्र ८०० एनएम पल्स और पृथक्करण उत्पादों के समय पर निर्भर पैदावार एक समय के उड़ान मास स्पेक्ट्रोमीटर में मापा के साथ जांच कर रहे हैं । हम अणु dimethyl methylphosphonate (DMMP) पर माप प्रस्तुत करने के लिए वर्णन कैसे उत्तेजना के लिए १५०० एनएम दालों का उपयोग कर आयन पैदावार में सुसंगत दोलनों के आयाम 10 के एक कारक के रूप में ८०० एनएम दालों की तुलना में बढ़ाता है । इस प्रोटोकॉल एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर (तरंग दैर्ध्य रूपांतरण के लिए OPA) के शामिल किए जाने के माध्यम से मौजूदा पंप जांच setups में लागू किया जा सकता है ।

Introduction

1960 में लेजर के आविष्कार के बाद से, चुनिंदा अणुओं में रासायनिक बांड तोड़ने का लक्ष्य दवा और भौतिक विज्ञानियों का एक पुराना सपना रहा है । दोनों लेजर आवृत्ति और तीव्रता धुन करने की क्षमता संबद्ध कंपन आवृत्ति1,2,3,4 पर चयनात्मक ऊर्जा अवशोषण के माध्यम से एक लक्ष्य बांड के प्रत्यक्ष दरार सक्षम माना जाता था . हालांकि, जल्दी प्रयोगों पाया है कि अणु में अवशोषित ऊर्जा के intramolecular कंपन पुनर्वितरण अक्सर गैर-सबसे कमजोर बांड4,5के चयनात्मक दरार के परिणामस्वरूप । यह femtosecond स्पंदित पराबैंगनीकिरण और पंप-जांच तकनीक6 के विकास के देर से 1980 है कि सुसंगत कंपन राज्यों, या "वेव पैकेट", बांड दरार और अंय पर सफल नियंत्रण सक्षम के प्रत्यक्ष हेरफेर में जब तक नहीं था उद्देश्य6,7,8। पंप जांच माप, जिसमें "पंप" पल्स एक उत्साहित राज्य या आयन कि बाद में एक समय से उत्साहित है तैयार "जांच" पल्स, रहने के सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया तकनीकों में से एक 9 अणुओं में ultrafast प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए, 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20.

polyatomic कट्टरपंथी cations के ultrafast पृथक्करण गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए एक महत्वपूर्ण सीमा पंप का उपयोग कर जांच उत्तेजना सामूहिक spectrometric का पता लगाने के लिए युग्मित पंप द्वारा लक्ष्य अणु का गैर-चयन विखंडन से उठता है नब्ज पर तिवारी: नीलमणि ८०० एनएम21,22,23की तरंग दैर्ध्य । nonadiabatic multiphoton ionization से इस अतिरिक्त विखंडन परिणाम और निकट अवरक्त (जैसे, 1200-1500 एनएम)22,23,24में उत्तेजना तरंग दैर्ध्य स्थानांतरण द्वारा शमन किया जा सकता है, 25. इन लंबे तरंग दैर्ध्य पर, adiabatic इलेक्ट्रॉन सुरंग के योगदान ionization प्रक्रिया में multiphoton उत्तेजना के सापेक्ष बढ़ जाती है22,23। Adiabatic सुरंग अणु और रूपों को थोड़ा अतिरिक्त ऊर्जा प्रदान मुख्य रूप से "ठंडा" जमीन राज्य आणविक आयनों19,22,23। हमारे पिछले काम का प्रदर्शन किया है कि निकट अवरक्त उत्तेजना के उपयोग काफी सुसंगत कंपन उत्तेजित, या "वेव पैकेट", polyatomic कट्टरपंथी cations में की तैयारी में सुधार के रूप में ८०० एनएम उत्तेजना19की तुलना में, 20। यह काम मजबूत क्षेत्र ionization के बीच अंतर multiphoton और पंप के साथ सुरंग योगदान-जांच के रासायनिक युद्ध एजेंट simulant dimethyl methylphosphonate (DMMP) पर लिया माप १५०० एनएम और ८०० एनएम का प्रयोग करेंगे पंप तरंग दैर्ध्य ।

हमारे पंप में जांच प्रयोगों, ultrashort लेजर दालों की एक जोड़ी समय देरी, संयुक्त है, और एक समय के उड़ान मास स्पेक्ट्रोमीटर, के रूप में चित्रा 1में हमारे सेटअप में दिखाया में केंद्रित है । इन प्रयोगों में एक तिवारी की आवश्यकता होती है: नीलमणि पुनर्अपक्षय प्रवर्धक > 2 एम एम, ८०० एनएम, 30 एफएस दालों का उत्पादन । एम्पलीफायर उत्पादन एक 90:10 (% R:%T) बीम अलगानेवाला पर विभाजित है, जहां ऊर्जा के सबसे १२००-१६०० एनएम, १००-३०० µJ, 20-30 एफएस दालों की पीढ़ी के लिए एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर (OPA) पंप करने के लिए प्रयोग किया जाता है । IR पंप बीम का व्यास 22 मिमी तक विस्तारित है और ८०० एनएम जांच बीम का व्यास डाउन-collimated से ५.५ mm और एक आइरिस का उपयोग कर रहा है । पंप जांच बीम (30 µm) से एक काफी छोटे बीम कमर (9 µm) के लिए ध्यान केंद्रित कर बीम में ये collimations परिणाम है, जिससे यह सुनिश्चित करना है कि सभी आयनों पंप नाड़ी के दौरान गठन समय देरी जांच पल्स द्वारा उत्साहित हैं । इस विंयास क्योंकि हमारे प्रयोगों के लक्ष्य के जनक आणविक आयन, जो भी केंद्रित बीम के किनारों के पास कम तीव्रता पर गठन किया जा सकता है की गतिशीलता जांच करने के लिए प्रयोग किया जाता है । हम ध्यान दें कि यदि अधिक उच्च उत्तेजित ईओण प्रजातियों की गतिशीलता ब्याज की हैं, तो जांच बीम व्यास पंप की तुलना में छोटे बनाया जाना चाहिए ।

पंप और जांच दालों collinearly प्रचार और एक विले के निष्कर्षण क्षेत्र में केंद्रित कर रहे है मैकलेरन समय की उड़ान मास स्पेक्ट्रोमीटर (तोफ-MS)26 (चित्रा 2) । एक शीशी में रखा आणविक नमूनों प्रवेश करने के लिए संलग्न है और वैक्यूम करने के लिए खोला । इस सेटअप की आवश्यकता है कि जांच के तहत अणु एक शूंय भाप दबाव है; कम वाष्प दबाव के साथ अणुओं के लिए, शीशी गर्म किया जा सकता है । चैंबर में गैसीय नमूना के प्रवाह दो चर रिसाव वाल्व द्वारा नियंत्रित है । नमूना एक 1/16 "स्टेनलेस स्टील ट्यूब के माध्यम से लगभग 1 सेमी दूर लेजर फोकस (चित्रा 2) के माध्यम से कक्ष में प्रवेश के लिए निष्कर्षण क्षेत्र27में लक्ष्य अणु की एक स्थानीय स्तर पर उच्च एकाग्रता देने के लिए । निष्कर्षण प्लेट लेजर प्रसार और आयन रास्तों के लिए एक ०.५ mm भट्ठा उंमुख ओर्थोगोनल है । क्योंकि पंप बीम के रेले रेंज लगभग 2 मिमी है, इस भट्ठा एक फिल्टर के रूप में कार्य करता है, केवल केंद्रीय फोकल मात्रा से उत्पन्न आयनों जहां तीव्रता उच्चतम है निष्कर्षण थाली28के माध्यम से पारित करने के लिए. आयनों एक 1 मीटर क्षेत्र मुक्त बहाव ट्यूब Z-गैप माइक्रो चैनल प्लेट (एमसीपी)29डिटेक्टर, जहां वे पता चला रहे हैं और ठेठ वाणिज्यिक तिवारी के 1 kHz पुनरावृत्ति दर पर एक 1 GHz डिजिटल आस्टसीलस्कप के साथ दर्ज तक पहुँचने के लिए दर्ज करें: नीलमणि पराबैंगनीकिरण.

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Protocol

नोट: सभी व्यावसायिक रूप से प्राप्त उपकरणों और इस तरह के लेजर के रूप में भागों, निर्वात पंप, चैंबर, समय की उड़ान ट्यूब और microchannel प्लेट डिटेक्टर स्थापित किया गया था और निर्माता के निर्देशों या उपयोगकर्ता के मैनुअल के अनुसार संचालित. लेजर सुरक्षा ऑपरेटिंग लेजर तीव्रता और तरंग दैर्ध्य के लिए डिजाइन काले चश्मे पहना जाना चाहिए ।

1. निर्माण तोफ-MS26

  1. डिजाइन और एक ultrahigh निर्वात (UHV) कक्ष है कि पर्याप्त करने के लिए आयन प्रकाशिकी के एक मानक स्टैक को समायोजित करने के लिए जगह है और26 प्रावधानों के लिए आयन प्रकाशिकी के दोनों ओर पर ऑप्टिकल खिड़कियां माउंट के लिए 2 ¾ "निकला हुआ किनारा (चित्रा 1) ।
  2. आयन प्रकाशिकी के ढेर संलग्न चैंबर के लिए एक 1 मीटर की उड़ान ट्यूब पर घुड़सवार ।
    नोट: ऑप्टिकल टेबल पर अंतरिक्ष को बचाने के लिए, यह आयन प्रकाशिकी और उड़ान ट्यूब खड़ी माउंट करने के लिए सबसे आसान है ।
  3. डालें एक 1/16 "चिमटा और उत्तेजित प्लेट के बीच चैंबर में स्टेनलेस स्टील ट्यूब, चैंबर के बाहर ट्यूब धागा, और यह ¼ करने के लिए कनेक्ट" स्टेनलेस स्टील टयूबिंग27। ¼ "स्टेनलेस स्टील टयूबिंग के लिए एक या एक से अधिक चर रिसाव वाल्व देते हैं ।
    नोट: कांच ट्यूब आणविक नमूनों या गैस टैंक युक्त नमूना प्रवेश के लिए इस टयूबिंग के लिए संलग्न किया जा सकता है ।
  4. एक 18-mm microchannel प्लेट स्टैक को Z-स्टैक कॉंफ़िगरेशन29 में फ़्लाइट ट्यूब के अंत में अनुलग्न करें ।
  5. दो ऑप्टिकल खिड़कियां (1 मिमी मोटाई, ५० मिमी व्यास संलग्न, सिलिका से जुड़े) चैंबर के लिए 2 ¾ "निकला हुआ किनारा पर घुड़सवार.
    नोट: लेजर मुस्कराते हुए इन दो खिड़कियों के माध्यम से उत्तेजित देनेवाला और चिमटा प्लेटों के बीच अंतरिक्ष के माध्यम से प्रचार ।
  6. तार आयन प्रकाशिकी और डिटेक्टर के लिए उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति के माध्यम से वर्तमान feedthroughs और BNC केबलों.
  7. आयन प्रकाशिकी के पास चैंबर के लिए एक turbomolecular पंप संलग्न और डिटेक्टर के पास उड़ान ट्यूब के अंत करने के लिए एक दूसरे पंप (चित्रा 1). दोनों पंपों को एक उपयुक्त समर्थन पंप से कनेक्ट करें ।
    चेतावनी: जब एक खड़ी-घुड़सवार उड़ान ट्यूब के अंत करने के लिए एक turbomolecular पंप संलग्न, ध्यान रखना है कि तोफ प्रणाली पंप के वजन के कारण एक तरफ के लिए दुबला नहीं है सुनिश्चित करने के लिए । इस समस्या को ऑप्टिकल तालिका में वैक्यूम चैंबर संलग्न करके कम किया जा सकता है ।
  8. पंपों पर मुड़ें और 24 घंटे प्रतीक्षा करें । कक्ष में दबाव नहीं नमूना के साथ 10-8 torr नीचे होना चाहिए । यदि दबाव अधिक है, लीक के लिए जांच करें और नट कस या जब तक वांछित दबाव पहुंच जाता है चैंबर सेंकना ।

2. ऑप्टिकल पंप और जांच रास्तों का निर्माण

नोट: पंप का एक आरेख और जांच ऑप्टिकल रास्तों चित्रा 1में दिया जाता है ।

  1. femtosecond लेजर दालों का प्रावधान
    नोट: Femtosecond लेजर पल्स (८०० एनएम) एक वाणिज्यिक तिवारी द्वारा प्रदान की गई: नीलमणि regenerative प्रवर्धक स्रोत निर्माता के मैनुअल के अनुसार संचालित ।
    1. पर लेजर बारी और के बारे में 30 मिनट के लिए प्रतीक्षा के लिए यह स्थिर करने के लिए ।
    2. स्थिति एक 90:10 (% R:%T) लेजर उत्पादन के बाद बीम अलगानेवाला दो प्रतिकृति, जो पंप और जांच बीम लाइनों के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया जाएगा उत्पंन करने के लिए । पर्याप्त बिजली वितरण सुनिश्चित करने के लिए दोनों प्रतिकृतियां के लेजर शक्ति की जांच करें ।
    3. ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर (OPA) में परिलक्षित बीम प्रत्यक्ष और उत्पादन शक्ति मैनुअल में प्रक्रियाओं का उपयोग कर अनुकूलित.
  2. पंप ऑप्टिकल पथ की तैयारी
    1. वांछित तरंग दैर्ध्य का चयन करने के लिए OPA सॉफ्टवेयर सेट करें ।
    2. λ/2 वेव प्लेट (WP) और ध्रुवीकरण (पी) के माध्यम से OPA से उत्पादन बीम प्रत्यक्ष ।
    3. ब्लॉक पी-ध्रुवीकरण बीम और प्रत्यक्ष एस-ध्रुवीकरण किरण को (f =-10 सेमी) और उत्तल (f = ५० cm) दर्पण के लिए 5 का एक कारक द्वारा अपने व्यास का विस्तार ।
    4. विस्तारित बीम को dichroic मिरर (DC) पर सीधा करें ।
  3. जांच को ऑप्टिकल पाथ की तैयारी
    1. सीधे बीम कि 90:10 बीम अलगानेवाला के माध्यम से गुजरता उत्तल मिरर (f = 20 सेमी) और (f =-10 सेमी) के लिए 2 के एक कारक द्वारा अपने व्यास को कम करने के लिए ।
    2. एक खोखले रेट्रो-रिफ्लेक्टर के लिए नीचे collimated बीम प्रत्यक्ष एक मोटर चालित रैखिक देरी मंच पर घुड़सवार । दो फ्लैट के बढ़ते knobs को समायोजित रेट्रो-रिफ्लेक्टर से पहले यह सुनिश्चित करने के लिए कि बीम की स्थिति के बाद रेट्रो-रिफ्लेक्टर परिवर्तन नहीं करता है जब मंच अपनी पूरी यात्रा सीमा के साथ चला गया है ।
      नोट: यह सुनिश्चित करता है कि पंप-जांच स्थानिक ओवरलैप पूर्ण स्कैन रेंज पर बनाए रखा जाएगा ।
    3. जांच पल्स की शक्ति क्षीणन करने के लिए देरी चरण के बाद एक स्वरित्र तटस्थ घनत्व (एन डी) फिल्टर डालें, बीम व्यास को समायोजित करने के लिए एनडी फिल्टर के बाद एक आईरिस डालें, और dichroic मिरर (डीसी) के लिए बीम प्रत्यक्ष ।
  4. पंप और जांच पल्स अवधि की माप
    नोट: पंप और जांच दालों की अवधि एक घर से निर्मित दूसरी सुरीले पीढ़ी आवृत्ति हल ऑप्टिकल गेटिंग (स्वसहायता-मेंढक) सेटअप के साथ मापा जाता है । एक स्वसहायता समूहों के निर्माण पर विवरण-मेंढक सेटअप, माप प्रक्रिया, और डेटा पुनर्प्राप्ति एल्गोरिदम30,31,३२कहीं वर्णित हैं । हमारे प्रयोगों में, OPA से बाहर पल्स अवधि आम तौर पर 20 एफएस के आसपास और 30 एफएस19,20,27के आसपास ८०० एनएम पल्स की है कि कर रहे हैं. हालांकि, OPAs उच्च क्रम नाड़ी विकृतियों परिचय कर सकते हैं, तो यह नाड़ी का उपयोग संपीड़न को लागू करने के लिए आवश्यक हो सकता है, उदाहरण के लिए, चूं दर्पण10,11,12,13 या एक acousto-ऑप्टिक16मॉडुलन ।
    1. ब्लॉक या तो पंप या जांच बीम । dichroic दर्पण है कि पंप और जांच दालों को जोड़ती है के बाद रखा फ्लैट दर्पण के साथ मेंढक में शेष बीम प्रत्यक्ष ।
    2. सुनिश्चित करें कि दो बीम में प्रतिकृति मेंढक में ओवरलैप β-बेरियम-बोराटे (BBO) क्रिस्टल । बीम संरेखण और देरी चरण समायोजित जब तक एक तीसरी किरण दो मूल मुस्कराते हुए के बीच दिखाई दे रहा है ।
    3. एक आईरिस और एक एफ = 10 सेमी लेंस के साथ, अलग और एक फाइबर ऑप्टिक स्पेक्ट्रोमीटर और कंप्यूटर से जुड़े माउंट में बीम ध्यान केंद्रित ।
    4. मेंढक स्कैन ले लीजिए और उचित सॉफ्टवेयर और पुनर्प्राप्ति एल्गोरिथ्म के साथ पल्स आकार पुनः प्राप्त ।
    5. अंय बीम के लिए चरण 2.4.1-2.4.3 दोहराएं । मेंढक के लिए मुस्कराते हुए निर्देशन दर्पण निकालें ।
  5. पंप और जांच मुस्कराते हुए किसी न किसी स्थानिक ओवरलैप
    नोट: यदि दोनों पंप और जांच मुस्कराते हुए दिख रहे हैं, चरण 2.5.1 छोड़ दिया जा सकता है ।
    1. दोनों बीम की तरंग दैर्ध्य डबल करने के लिए dichroic के बाद एक 15 मिमी व्यास BBO क्रिस्टल डालें, जिससे उन्हें दिखाई दे रही है ।
      नोट: यह एक नारंगी 600-650 एनएम बीम कि नीले ४०० एनएम जांच बीम से आसानी से अलग है बनाने के लिए इस कदम के लिए ~ 1200-1300 एनएम के एक OPA तरंग दैर्ध्य का उपयोग करने के लिए सबसे आसान है । ध्यान रखना सुनिश्चित करें कि पंप बीम का सबसे तीव्र क्षेत्र क्रिस्टल के केंद्र के माध्यम से गुजरता है । इस कोण किसी दिए गए रंग की अधिकतम तीव्रता के अनुरूप नहीं हो सकता है, हालांकि क्रिस्टल कोण, नारंगी और नीले दोनों दालों आसानी से दिखाई दे रहे हैं कि इस तरह अनुकूलित किया जाना चाहिए ।
    2. पंप और जांच बीम दर्पण का उपयोग कर पंक्तिबद्धता को समायोजित dichroic से पहले इस तरह की है कि मुस्कराते हुए collinearly के माध्यम से तोफ-एमएस चैंबर और दूसरे पक्ष से बाहर प्रचार ।
      नोट: जांच बीम एक छोटे व्यास है और पंप बीम के बीच में केंद्रित किया जाना चाहिए ।
  6. पंप और जांच मुस्कराते हुए किसी न किसी लौकिक ओवरलैप
    नोट: यहाँ वर्णित विधि आस्टसीलस्कप रिज़ॉल्यूशन तक सीमित है और केवल विलंब चरण पर यात्रा के कई मिलीमीटर के भीतर शून्य-विलंब स्थिति निर्धारित कर सकते हैं ।
    1. एक फास्ट photodiode डिटेक्टर खिड़की के प्रवेश के सामने कुछ सेंटीमीटर जगह तोफ-एमएस चैंबर के मार्ग में पंप और जांच मुस्कराते हुए । । एक डिजिटल आस्टसीलस्कप के लिए डिटेक्टर केबल संलग्न और स्वतंत्र रूप से पंप और जांच दालों के संकेतों का पता लगाने ।
    2. जांच लाइन पर मोटर की देरी चरण की स्थिति को समायोजित ऐसे कि आस्टसीलस्कप में पंप और जांच के संकेत अस्थाई छा रहे हैं । यदि एक संकेत लगातार सामने है (पीछे) आस्टसीलस्कप में अंय, स्थानांतरित करने के लिए मोटर की देरी चरण पकड़ mounts छोटा या जरूरत के रूप में पथ लंबाई लंबा ।
    3. photodiode डिटेक्टर निकालें ।

3. प्रारंभिक माप

नोट: हमारे प्रयोगों में सभी डेटा वाणिज्यिक साधन नियंत्रण सॉफ्टवेयर (सामग्री की तालिका) के साथ घर में लिखा कोड का उपयोग कर अधिग्रहीत किया गया. सभी साधन चालक सॉफ्टवेयर संबंधित निर्माता से प्राप्त किया गया था ।

  1. पंप पल्स28 के निरपेक्ष पीक तीव्रता के अंशांकन
    1. जांच बीम ब्लॉक और एक एफ = 20 सेमी लेंस जन स्पेक्ट्रोमीटर के लिए प्रवेश खिड़की से पहले सीधे एक मैनुअल रैखिक अनुवाद मंच पर घुड़सवार डालें ।
    2. वेव प्लेट (WP) रोटेशन कोण (चित्रा 1) समायोजित करने के लिए पंप लेंस से पहले मापा बीम की शक्ति को अधिकतम करने के लिए ।
    3. तोफ-एमएस चैंबर प्रवेश करने के लिए Xe गैस के एक टैंक संलग्न और इस तरह के दबाव गेज 5-10 x 10-8 torr के बीच पढ़ता है कि चैंबर में गैस प्रवाह को नियंत्रित करने के रिसाव वाल्व को समायोजित करें । दबाव spikes के कारण एमसीपी डिटेक्टर को नुकसान से बचने के लिए नमूना दबाव का समायोजन करते समय तोफ-MS बिजली की आपूर्ति वोल्टेज बंद कर रहे हैं कि यह सुनिश्चित करें ।
    4. एमसीपी डिटेक्टर से और एक डिजिटल आस्टसीलस्कप करने के लिए लेजर सिग्नल देरी जनरेटर से आउटपुट केबल कनेक्ट । लेजर सिग्नल बंद ट्रिगर करने के लिए आस्टसीलस्कप सेट करें ।
    5. तोफ-MS बिजली की आपूर्ति चालू करें और लो वोल्टेज की जांच । v1, v2, v3, और v4 (चित्रा 2) के लिए वोल्टेज की विशिष्ट मान रहे है + ४,१९० v, + ३,९१० v, 0 v, और-३,००० v, क्रमशः ।
    6. आस्टसीलस्कप में सीधे या आस्टसीलस्कप से जुड़े कंप्यूटर के माध्यम से Xe+ (और उच्च प्रभार राज्यों) के आयन संकेतों के लिए जांच करें ।
    7. कुल आयन संकेत को अधिकतम करने के लिए लेंस पकड़े मैनुअल अनुवाद चरण की स्थिति को समायोजित करें । इस चरण में यह सुनिश्चित करता है कि पंप बीम फोकस ०.५ mm भट्ठा 2 चित्रामें दिखाया के साथ ओवरलैप करता है ।
    8. Xe जन स्पेक्ट्रम डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर का उपयोग कर रिकॉर्ड ।
    9. एक बिजली प्राप्त करने के लिए WP कोण घूर्णन द्वारा लेजर शक्ति घटाएं ~ 20 मेगावाट पहले मापा बिजली से कम है ।
    10. दोहराएं कदम 3.1.8-3.1.9 जब तक लेजर शक्ति भी मध्यम श्रेणी का Xe उत्पंन करने के लिए कम+ संकेत है । अलग लेजर शक्तियों पर 10-15 मास स्पेक्ट्रा की कुल दर्ज किया जाना चाहिए ।
    11. उपयुक्त डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके, Xe+ (१.१२ x 1014 डब्ल्यू सेमी-2)28के लिए पूर्ण संतृप्ति तीव्रता करने के लिए इसी लेजर पल्स ऊर्जा की पहचान करने के लिए संदर्भ 28 में दिए गए चरणों का पालन करें । यह प्रक्रिया आगे के प्रयोगों में इस्तेमाल किसी भी पंप पल्स ऊर्जा के लिए एक निरपेक्ष तीव्रता पैमाने प्रदान करता है.
  2. जांचा नाड़ी की निरपेक्ष पीक तीव्रता का अंशांकन३३
    नोट: कमजोर जांच पल्स तीव्रता के कारण, चरण ३.१ में वर्णित Xe अंशांकन पद्धति का उपयोग नहीं किया जा सकता । इसके बजाय, प्रयोगों में जांच तीव्रता एक डिजिटल कैमरा३२के साथ फोकल प्वाइंट पर हाजिर आकार को मापने के द्वारा अनुमान लगाया जा सकता है, साथ पल्स अवधि और ऊर्जा के साथ.
    1. पंप बीम ब्लॉक और dichroic दर्पण के बाद एक सीधे रास्ते के साथ जांच बीम प्रत्यक्ष दो फ्लैट दर्पण का उपयोग कर ।
    2. चैंबर से सटे अपनी स्थिति से ध्यान केंद्रित लेंस निकालें और यह जांच बीम पथ में जगह है, यह सुनिश्चित करना है कि जांच बीम अपने केंद्र के माध्यम से गुजरता है ।
    3. जांच बीम ऊर्जा चर एन डी फिल्टर का उपयोग करने और अतिरिक्त एन डी फिल्टर जोड़ने के लिए नीचे पल्स ऊर्जा क्षीणन ~ १०० एनजे ।
    4. एक मैनुअल रैखिक अनुवाद मंच पर एक कॉंपैक्ट CMOS कैमरा प्लेस और यह उपयुक्त डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर के साथ एक कंप्यूटर से कनेक्ट । बीम के फोकल स्पॉट के पास केंद्रित कैमरे के साथ जांच बीम पथ में अनुवाद मंच माउंट । सॉफ्टवेयर प्रोग्राम का उपयोग कर बीम स्पॉट का पता लगाएँ । एनडी फ़िल्टर जोड़ें और CMOS डिटेक्टर के संतृप्ति को रोकने के लिए कैमरा अधिग्रहण सेटिंग्स समायोजित करें ।
    5. छोटी, सबसे तीव्र लेजर स्थान प्राप्त करने के लिए अनुवाद चरण की स्थिति को समायोजित करें । यह स्थान बीम के फ़ोकस से मेल खाती है ।
    6. फोकस पर एक कैमरा छवि प्राप्त करने और एक दो आयामी गाऊसी उपयुक्त डेटा विश्लेषण सॉफ्टवेयर का उपयोग करने के लिए बीम व्यास निर्धारित समारोह में हाजिर फिट बैठते हैं ।
    7. कैमरे के लिए जांच बीम निर्देशन दर्पण निकालें और तोफ-MS के सामने अपनी स्थिति के लिए ध्यान केंद्रित लेंस वापस ।
  3. पंप के निर्धारण-जांच स्थानिक और अस्थाई तोफ में ओवरलैप-MS
    नोट: चरण ३.१ में प्रोटोकॉल का पूरा मान लिया है । जबकि Xe गैस के नमूने के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है स्थानिक और लौकिक ओवरलैप निर्धारित करते हैं, यह अध्ययन के लिए लक्ष्य अणु का उपयोग करें क्योंकि जन स्पेक्ट्रम में परिवर्तन सकारात्मक समय के बजाय केवल शूंय समय देरी में देरी की एक सीमा पर देखा जा सकता है की सिफारिश की है , Xe के साथ के रूप में ।
    1. वांछित नमूना को तोफ-MS चैंबर से कनेक्ट करें और 1-5 x 10-7 torr की सीमा के दबाव को समायोजित करें ।
    2. पंप और जांच मुस्कराते हुए अनब्लॉक और सुनिश्चित करें कि वे तोफ-एमएस चैंबर में गठबंधन कर रहे हैं ।
    3. एनडी फ़िल्टर समायोजित करके जांच शक्ति को अधिकतम करें । waveplate के साथ पंप शक्ति सेट करने के लिए एक पर्याप्त उच्च स्तर संतोषजनक आयन संकेत प्राप्त करने के लिए ।
      नोट: जांच शक्ति पर्याप्त विखंडन प्रेरित करने के लिए उच्च होना चाहिए, लेकिन नहीं इतना उच्च के रूप में पंप पल्स के अभाव में आयनों बनाने के लिए ।
    4. dichroic मिरर माउंट (डीसी, चित्रा 1) पर knobs के साथ जांच बीम के स्थानिक स्थिति को समायोजित करें जब तक कि सभी आयनों की तीव्रता में या तो एक स्पाइक मनाया (मंच की स्थिति बिल्कुल शूंय देरी पर है) या जनक आणविक की एक महत्वपूर्ण कमी है जब तक आयन और/या टुकड़ा आयन पैदावार में वृद्धि मनाया जाता है (यदि मंच की स्थिति एक सकारात्मक समय देरी से मेल खाती है) ।
    5. यदि आयन संकेतों में कोई परिवर्तन नहीं मनाया जाता है, मंच की स्थिति नकारात्मक समय में देरी की संभावना है, यानी, जांच पंप से पहले । जांच बीम के लिए एक लंबा रास्ता और बड़े पैमाने पर स्पेक्ट्रम में परिवर्तन मनाया जब तक चरण 3.3.4 दोहराने के लिए मोटर देरी चरण समायोजित करें ।
    6. कुल आयन संकेत में एक कील का उत्पादन करने के लिए मोटर चालित देरी चरण की स्थिति को समायोजित करें । यह स्थिति शूंय समय-देरी से मेल खाती है । प्रतिनिधि व्यापक अणु DMMP शूंय समय पर ले लिया-अच्छे और गरीब स्थानिक ओवरलैप के साथ देरी, बड़े पैमाने पर केवल पंप बीम के साथ लिया स्पेक्ट्रम के साथ, चित्रा 3में दिखाया गया है ।
  4. पार-सहसंबंध6,३४
    नोट: क्रॉस-सहसंबंध माप Xe३२जैसे एक निष्क्रिय गैस पर किया जाना चाहिए । यह दोनों पल्स अवधि मेंढक के साथ मापा और देरी चरण शून्य समय देरी करने के लिए इसी स्थिति की पुष्टि करने के लिए कार्य करता है.
    1. चैंबर में Xe गैस के साथ (चरण ३.१) और बीम अनुकूलित (चरण ३.३) ओवरलैप, शून्य समय देरी का पता लगाने के लिए मोटर चालित चरण की स्थिति को स्थानांतरित (यानी, जब Xe+ संकेत बड़ा है).
    2. की देरी सीमा पर मोटर अनुवाद चरण स्कैन करें-२०० fs के लिए + २०० fs के चरणों में 5 fs. इस स्कैन १.५ µm के चरणों के लिए १२० µm की एक श्रेणी पर शूंय समय-विलंब स्थिति पर केंद्रित करने के लिए संगत है । प्रत्येक स्कैन की स्थिति में बड़े पैमाने पर स्पेक्ट्रम रिकॉर्ड और एकीकृत Xe+ पैदावार समय पर निर्भर आयन३४संकेत प्राप्त करने के लिए ।

4. पंप-जांच माप

  1. माप लेने से पहले प्रारंभिक जांच
    1. प्रयोगात्मक सेटअप की जांच करने के लिए पुष्टि करें कि दोनों मुस्कराते हुए चैंबर की खिड़की के माध्यम से collinearly प्रचार कर रहे है (चित्रा 1) ।
    2. वांछित नमूना संलग्न करने के लिए तोफ-एमएस चैंबर और धीरे-2 x 10-7 torr का लक्ष्य दबाव प्राप्त करने के लिए चर रिसाव वाल्व (ओं) का उपयोग कर चैंबर में नमूना जारी. दबाव spikes के कारण एमसीपी डिटेक्टर को नुकसान से बचने के लिए नमूना दबाव का समायोजन करते समय तोफ-MS बिजली की आपूर्ति वोल्टेज बंद कर रहे हैं कि सुनिश्चित करें.
    3. यदि अणु की भाप दबाव भी वांछित दबाव उत्पादन कम है, धीरे नमूना धारक गर्मी जब तक वांछित दबाव हासिल की है ।
    4. चालू करा आणि तोफ-MS वोल्टेज (step 3.1.5) चेक करा. दोनों मोटर चालित देरी चरण और आस्टसीलस्कप के साथ संचार के संबंध में डेटा प्राप्ति सॉफ़्टवेयर के अंतर की जाँच करें ।
    5. चैंबर के सामने (चरण 3.1.7) और पंप जांच स्थानिक संरेखण (कदम 3.3.4) आयन संकेत और स्थानिक ओवरलैप का अनुकूलन करने के लिए लेंस समायोजित करें ।
  2. डेटा प्राप्ति
    1. पंप और जांच पल्स ऊर्जा वांछित आयन संकेतों को प्राप्त करने के लिए समायोजित करें ।
    2. डेटा प्राप्ति सॉफ़्टवेयर में, स्कैन लंबाई और चरण आकार निर्दिष्ट करें ।
      नोट: हमारे प्रयोगों में ठेठ स्कैन लंबाई से लेकर 1000-5000 fs और चरण आकार सीमा से 5-20 fs19,20.
    3. प्रत्येक पंप पर बड़े पैमाने पर स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर भागो-जांच देरी ।
      नोट: आमतौर पर, एक स्कैन में हर समय देरी पर दर्ज बड़े पैमाने पर स्पेक्ट्रम १००० लेजर शॉट्स पर औसत है । पर्याप्त रूप से उच्च सिग्नल से शोर अनुपात प्राप्त करने के लिए, 10-20 स्कैन वांछित सेटिंग्स (यानी, स्कैन लंबाई, चरण आकार, पंप और जांच शक्तियों) और औसत पर लिया जाता है । लेजर शक्ति बहाव के प्रभाव को कम करने के लिए, स्कैन देरी चरण यात्रा के दिशाओं बारी में लिया जा सकता है । सभी डेटा टैब-सीमांकित पाठ फ़ाइलों के रूप में सहेजे जाते हैं । प्रतिनिधि कच्चे मास वर्णक्रमीय डेटा से एक DMMP पर लिया स्कैन की लंबाई के लिए १२५० एफएस के चरण आकार के साथ 5 एफएस चित्रा 4में दिखाए जाते हैं.
  3. डेटा प्रोसेसिंग
    1. ( 4 चित्रामें ब्रैकेट क्षेत्रों द्वारा सचित्र) ब्याज की प्रत्येक जन चोटी के लिए उड़ान समय सीमा की पहचान और प्रत्येक बड़े पैमाने पर स्पेक्ट्रम में इन श्रेणियों पर एकीकृत । outputs ब्याज की प्रत्येक आयन के समय का समाधान संकेतों का प्रतिनिधित्व करते हैं । उदाहरण के लिए, अच्छे और गरीब पंप के साथ DMMP जनक आणविक आयन की समय-हल आयन संकेतों-जांच स्थानिक एक पंप से प्राप्त ओवरलैप-जांच स्कैन चित्रा 5में दिखाया गया है ।
    2. दोहराएँ चरण 4.3.1 स्कैन की इच्छित संख्या प्राप्त करने के लिए (उदा., 10-20)19,20 एक ही स्कैन सेटिंग्स पर. हर समय औसत संकल्प लिया सभी स्कैन पर आयन संकेत । प्रतिनिधि औसत आयन संकेत चित्रा 6में दिखाए जाते हैं ।

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Representative Results

अणु DMMP21 के लिए प्राप्त परिणाम प्रस्तुत कर रहे हैं । चित्रा 3 से पता चलता है DMMP जन स्पेक्ट्रा शूंय समय पर लिया-१५०० एनएम पंप और ८०० एनएम जांच दालों की चोटी तीव्रता के साथ देरी 8 x 1013 और 8 x 1012 डब्ल्यू सेमी-2, क्रमशः जा रहा है । संदर्भ के लिए, केवल पंप पल्स के साथ लिया जन स्पेक्ट्रम भी दिखाया गया है । स्पेक्ट्रा १०,००० लेजर शॉट्स (कुल अधिग्रहण समय 12 एस) से अधिक औसत रहे हैं । के साथ चिह्नित आयन संकेतों में वृद्धि * स्पष्ट है जब स्थानिक पंप और जांच मुस्कराते हुए के बीच ओवरलैप (हरी स्पेक्ट्रम) अनुकूलित है । वहां खराब-छा और पंप केवल स्पेक्ट्रा के बीच थोड़ा प्रत्यक्ष अंतर है । ये परिणाम वर्णन कैसे पंप और जांच मुस्कराते हुए (कदम ३.३) के इष्टतम स्थानिक ओवरलैप का निर्धारण करने के लिए सीधे आयन संकेतों का उपयोग कर ।

चित्रा 4 मास वर्णक्रमीय एक पंप से प्राप्त डेटा से पता चलता है-जांच स्कैन (१००० लेजर शॉट्स/5 एफएस समय कदम; १२५० एफएस स्कैन लंबाई), abscissa और पंप पर उड़ान के समय के साथ-तालमेल पर जांच देरी । कुल डेटा प्राप्ति समय लगभग 16 मिनट था । रॉ डेटा कैसे पंप के साथ आयन संकेतों में परिवर्तन-इन प्रयोगों में जांच देरी अतिरिक्त डेटा workup बिना visualized किया जा सकता है दिखाता है ।

चित्रा 5 समय से पता चलता है हल DMMP+ एक पंप से संकेत-जांच स्कैन (१००० लेजर शॉट्स/5 एफएस समय कदम; २२०० एफएस स्कैन लंबाई; कुल अधिग्रहण समय 16 मिनट) के साथ अनुकूलित (हरा) और गरीब (लाल) स्थानिक पंप और जांच मुस्कराते हुए ओवरलैप । इन परिणामों पंप-जांच स्थानिक ओवरलैप (चरण ३.३) के अनुकूलन के महत्व को समझाने के लिए संसाधित डेटा में उच्च गुणवत्ता वाले क्षणिक आयन संकेत प्राप्त ।

चित्रा 6 दिखाता है DMMP+ और टुकड़ा PO2सी2ज4+ क्षणिक आयन संकेतों ८०० एनएम और १५०० एनएम पंप तरंग दैर्ध्य का उपयोग कर लिया (चित्रा 6a और बी, क्रमशः) । सिग्नल पर औसत थे 10 स्कैन (१००० लेजर शॉट्स/5 एफएस समय कदम; १२५० एफएस स्कैन लंबाई); कुल अधिग्रहण समय प्रत्येक माप के लिए लगभग 3 एच था । चित्रा 6c ८०० एनएम और १५०० एनएम पंपों के साथ लिया DMMP+ आयन संकेतों के तेजी से रूपान्तर रूपांतर (FFT) दिखाता है । १५०० एनएम पंप के लिए दृश्यमान ७५० एनएम पर पीक स्कैन सेटिंग्स का इस्तेमाल के तहत आवृत्ति संकल्प दिखाता है । FFT के साथ प्राप्य आवृत्ति संकल्प स्कैन लंबाई बढ़ाने के द्वारा सुधार किया जा सकता है. इन परिणामों को समझाने कैसे पंप तरंग दैर्ध्य चौकस आयन गतिशीलता निर्धारित करता है ।

Figure 1
चित्रा 1: ऑप्टिकल पंप-जांच सेटअप । पंप और जांच बीम रास्तों क्रमशः पीले और लाल बीम के रूप में दिखाया गया है । ऑप्टिकल रास्तों और तोफ में मार्गदर्शन के योजनाबद्ध आरेख-MS दिखाया जाता है । संक्षिप्त रूप इस प्रकार हैं । बी एस: बीम अलगानेवाला (90:10,% R:%T) । OPA: ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर. WP: λ/ पी: ध्रुवर घन । एन डी: तटस्थ घनत्व । डीसी: dichroic । TMP: turbomolecular पंप । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2: लेजर नमूना संपर्क क्षेत्र के योजनाबद्ध आरेख । पंप और जांच मुस्कराते हुए उत्तेजित (v1) और चिमटा (v2) प्लेटों के बीच केंद्रित कर रहे हैं । दोनों मुस्कराते हुए ध्रुवीकरण तोफ धुरी के साथ गठबंधन है । रिउत्तेजित करनेवाला प्लेट की वोल्टेज (v1 = + ४१९० v), चिमटा प्लेट (v2 = + ३९१० v), जमीन प्लेट (v3 = 0 v), और एमसीपी डिटेक्टर पूर्वाग्रह (v4 =-३००० v) तोफ बिजली की आपूर्ति में स्थापित कर रहे हैं. चिमटा प्लेट पर ०.५ mm भट्ठा दोनों लेजर और आयन रास्तों के लिए सीधा उन्मुख है केवल लेजर फोकस28का सबसे तीव्र क्षेत्र से आयनों का संग्रह सुनिश्चित करने के लिए । नमूना प्रवेश ट्यूब प्लेट v1 और वी227के बीच रखा गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: DMMP के मास स्पेक्ट्रा । नमूना अणु DMMP है और स्पेक्ट्रा शून्य समय देरी पर अच्छा ओवरलैप के साथ लिया जाता है (हरा) और गरीब स्थानिक ओवरलैप (लाल). संदर्भ के लिए, केवल पंप पल्स (नीला) के साथ लिया स्पेक्ट्रम दिखाया गया है । चोटियों * निरूपित आयन संकेत है कि बढ़ाया जब स्थानिक ओवरलैप अनुकूलित है के साथ चिह्नित । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: कच्चे पंप-जांच स्कैन डेटा । मास वर्णक्रमीय डेटा एक पंप के दौरान आस्टसीलस्कप में दर्ज-जांच से देरी पर स्कैन-१५० fs + ११०० fs । उड़ान का समय abscissa और पंप-तालमेल पर जांच देरी पर लेबल है । DMMP जनक आणविक आयन और चार टुकड़ा आयन संकेतों लेबल कर रहे हैं । प्रत्येक आयन संकेत के लिए एकीकरण पर्वतमाला कोष्ठक द्वारा संकेत कर रहे हैं. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: पंप-जांच अच्छे और गरीब स्थानिक ओवरलैप के साथ डेटा स्कैन । DMMP जनक आणविक आयन के एकीकृत संकेतों एक एकल अच्छा ओवरलैप के साथ लिया स्कैन से प्राप्त (हरे) और गरीब ओवरलैप (लाल) पंप की एक समारोह जांच देरी के रूप में रची जाती हैं. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: पंप तरंग दैर्ध्य का प्रभाव । सामान्यीकृत DMMP+ (लाल) और पीओ2CH4+ (नीला) आयन संकेतों पंप के एक समारोह के रूप में-जांच देरी ८०० एनएम के पंप तरंग दैर्ध्य (ए) और १५०० एनएम (बी) का उपयोग कर प्रयोगों के लिए प्राप्त की । प्रत्येक DMMP+ आयन सिग्नल के FFT को पेनल (c) में दिखाया गया है । यह आंकड़ा PCCP स्वामी समाज से अनुमति के साथ संदर्भ 19 से अनुकूलित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

इस प्रोटोकॉल हमें जमीन इलेक्ट्रॉनिक राज्य में आयनों की चयनात्मक तैयारी के माध्यम से polyatomic कट्टरपंथी cations में ultrafast कंपन गतिशीलता को हल करने के लिए सक्षम बनाता है । जबकि मानक मजबूत क्षेत्र ionization प्रक्रिया ८०० एनएम का उपयोग कर जमीन में कंपन जुटना तैयार कर सकते है इलेक्ट्रॉनिक राज्य के कट्टरपंथी cations के प्रथम पंक्ति diatomics10,11,12,13 और सह 2 14 , 15, एकाधिक ईओण polyatomic आयनों में उत्तेजित राज्यों की आबादी ८०० एनएम का उपयोग काफी संपति गतिशीलता17,19को सीमित करता है । DMMP में (चित्रा 6), ४५ के आयाम-fs मूल आणविक आयन उपज में सुसंगत दोलनों के एक कारक से बड़ा है ~ 10 जब १५०० एनएम ionization के लिए प्रयोग किया जाता है (लाल वक्र, चित्रा घमण्ड) ८०० एनएम (लाल वक्र, चित्रा 6a) की तुलना में । इसके अलावा, टुकड़ा आयन पीओ2CH4+ में बड़े आयाम दोलनों एक १५०० एनएम पंप (नीला वक्र, चित्रा घमण्ड) के साथ दिखाई दे रहे हैं, लेकिन ८०० एनएम पंप के लिए पूरी तरह से अनुपस्थित (ब्लू वक्र, चित्रा 6a) । इसके अलावा, DMMP के FFT+ आयन संकेतों (चित्रा 6c) ७५० सेमी-1 पर एक चोटी से पता चलता है ~ ४० cm-1 जब पंप तरंग दैर्ध्य १५०० एनएम है, जबकि कोई चोटी दिखाई है जब पंप तरंग दैर्ध्य ८०० एनएम है । ये परिणाम अच्छी तरह से परिभाषित कंपन जुटना के साथ जमीन इलेक्ट्रॉनिक राज्य में कट्टरपंथी cations की तैयारी के लिए मजबूत क्षेत्र adiabatic ionization की प्रभावकारिता उदाहरण देकर स्पष्ट करना ।

प्रोटोकॉल में एक महत्वपूर्ण कदम के लिए स्थानिक पंप और जांच के बीच ओवरलैप के लिए सीधे प्रतिक्रिया के लिए आयन संकेतों का उपयोग मुस्कराते हुए (३.३ कदम) का अनुकूलन है । अच्छा और गरीब ओवरलैप का उपयोग कर अधिग्रहीत आयन संकेतों में अंतर चित्रा 3 और चित्रा 5में सचित्र हैं. जबकि विखंडन पैटर्न प्रत्येक अणु के लिए अलग हो जाएगा, अच्छा स्थानिक ओवरलैप का एक विश्वसनीय संकेतक बड़े पैमाने पर स्पेक्ट्रम में छोटे पैमाने पर टुकड़े की वृद्धि है, के रूप में 3 चित्रा में हरी स्पेक्ट्रम में एक स्टार के साथ चिह्नित चोटियों में देखा (अच्छा ओवरलैप) के रूप में लाल स्पेक्ट्रम (गरीब ओवरलैप) की तुलना में. अच्छा और गरीब स्थानिक ओवरलैप के साथ पंप-जांच स्कैन (चरण ४.२) प्रदर्शन के परिणाम चित्रा 5में सचित्र हैं । जब ओवरलैप अच्छा है (ग्रीन ट्रेस), DMMP में छह अच्छी तरह से परिभाषित दोलनों+ उपज दिखाई देते हैं, के साथ एक सापेक्ष कमी पर २००० fs देरी से 12% की उपज पर नकारात्मक देरी. जब ओवरलैप (लाल ट्रेस) गरीब है, केवल दो या तीन DMMP में दोलनों+ उपज दिखाई दे रहे हैं और २००० fs देरी पर आयन संकेत के सापेक्ष कमी नकारात्मक देरी पर उपज का केवल 5% है. इन परिणामों को सही आयन गतिशीलता रिकॉर्ड करने के लिए अनुकूलित स्थानिक ओवरलैप के साथ संचालन के महत्व को प्रदर्शित करता है ।

प्रोटोकॉल यहां वर्णित के साथ दो सीमाएं है अणुओं है कि आसानी से अध्ययन किया जा सकता है का संबंध है । सबसे पहले, असंयत आणविक बीम प्रवेश करने के लिए तोफ-एमएस की आवश्यकता है कि लक्ष्य अणुओं एक पर्याप्त उच्च वाष्प दबाव गैस चरण में जाने के लिए है. ऐसे 4-nitrotoluene के रूप में एक कम भाप दबाव, के साथ अणुओं, धीरे से चैंबर में पर्याप्त उच्च दबाव का उत्पादन करने के लिए संतोषजनक आयन20संकेत प्राप्त गरम हो सकता है । दूसरा, कई polyatomic अणुओं कम झूठ बोल ईओण उत्तेजित राज्यों है कि पंप पल्स के दौरान गुंजयमान अवशोषण के माध्यम से आबादी हो सकती है, यहां तक कि adiabatic ionization शर्तों के तहत । उदाहरण के लिए, acetophenone एक ईओण का प्रदर्शन १३७० एनएम24,25, जो इस प्रोटोकॉल17का उपयोग कर आयन पैदावार में सुसंगत दोलनों में काफी कम आयाम में परिणाम में अनुनादों । इस प्रकार, पंप के लिए उत्तेजना तरंग दैर्ध्य सावधानी से चुना जाना चाहिए एक पर्याप्त उच्च माता पिता आयन संकेत सुनिश्चित करने के लिए जब केवल पंप लागू किया जाता है । अधिकतम लचीलेपन के लिए, 1150-2500 एनएम के तरंग दैर्ध्य रेंज के साथ एक वाणिज्यिक OPA के उपयोग की सिफारिश की है ।

इस प्रोटोकॉल रासायनिक युद्ध एजेंट और विस्फोटक का पता लगाने के लिए संभावित आवेदन किया है, के रूप में19 DMMP और20nitrotoluenes पर हमारी पढ़ाई में सचित्र । कट्टरपंथी cations में सुसंगत गतिशीलता के अध्ययन के अलावा, ionization के लिए लगभग अवरक्त तरंग दैर्ध्य के उपयोग के लिए पंप में इस्तेमाल किया गया है-जांच प्रयोगों aminobenzonitriles३५, जहां के उपयोग में तटस्थ उत्तेजित राज्यों पर ultrafast गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए 1300-2100 एनएम जांच दालों ultrafast आयन पैदावार में सुसंगत दोलनों के संकल्प में सुधार हुआ । इस प्रकार, मजबूत क्षेत्र adiabatic ionization तकनीक दोनों तटस्थ और polyatomic अणुओं के आयनों में ultrafast गतिशील प्रक्रियाओं की एक विस्तृत श्रृंखला के अध्ययन की सुविधा हो सकती है ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को अमेरिकी आर्मी रिसर्च ऑफिस ने कॉन्ट्रैक्ट W911NF-18-1-0051 के जरिए सपोर्ट किया था ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Mass spectrometer components
TOF lens stack and flight tube assembly Jordan TOF Products, Inc. C-677
18 mm Z-gap detector assembly Jordan TOF Products, Inc. C-701Z
TOF high voltage power supply Jordan TOF Products, Inc. D-603
Vacuum system components
Rotary vane backing pump Edwards Vacuum LLC RV12
Turbomolecular pumps (2) Edwards Vacuum LLC EXT255H
Turbomolecular pump controllers (2) Edwards Vacuum LLC EXC300
Pressure gauge Edwards Vacuum LLC AIGX-S-DN40CF
Chiller for water cooling Neslab CFT-25
Femtosecond laser system
Ti:Sapphire regenerative amplifier Coherent, Inc. Astrella oscillator and amplifier in a single integrated system
Optical Parametric Amplifer (OPA) Light Conversion TOPAS Prime
Motion control
Motorized linear translation stage 1" travel Thorlabs Z825B
controller for linear translation stage Thorlabs KDC 101
USB controller hub and power supply Thorlabs KCH 601
Manual linear translation stage 1" travel Thorlabs PT1
Detectors
Pyroelectric laser energy meter Coherent, Inc. 1168337
Thermal laser power meter Coherent, Inc. 5356E16R
Si-biased detector 200-1100 nm Thorlabs DET10A
Compact USB CMOS Camera Thorlabs DCC1545M
USB spectrometer Ocean Optics HR4000
1 GHz digital oscilloscope  LeCroy WaveRunner 610Zi
Optics
Type 1 BBO crystal Crylight Photonics BBO007 aperture and thickness may be customized
Achromatic half wave plate, 1100-2000 nm Thorlabs AHWP05M-1600
Wollaston prism polarizer Thorlabs WPM10
Hollow retro-reflector PLX, Inc. OW-20-1C
Variable neutral density filter Thorlabs NDC-100C-2
Longpass dichroic mirror 2" diameter Thorlabs DMLP950L
Software
Digital Camera image software Thorlabs ThorCam
Instrument communication interface National Instruments NI-MAX
Graphical development environment for measurement programs National Instruments LabVIEW
Data processing software Mathworks MATLAB

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References

  1. Letokhov, V. S. Photophysics and Photochemistry. Physics Today. 30 (5), 23-32 (1977).
  2. Bloembergen, N., Yablonovitch, E. Infrared laser induced unimolecular reactions. Physics Today. 31 (5), 23-30 (1978).
  3. Zewail, A. H. Laser selective chemistry-is it possible? Physics Today. 33 (11), 25-33 (1980).
  4. Brif, C., Chakrabarti, R. L., Rabitz, H. Control of quantum phenomena: past, present and future. New Journal of Physics. 12, 075008 (2010).
  5. Bloembergen, N., Zewail, A. H. Energy redistribution and the question of mode selective laser chemistry revisited. The Journal of Physical Chemistry. 88 (23), 5459-5465 (1984).
  6. Rosker, M. J., Dantus, M., Zewail, A. H. Femtosecond real-time probing of reactions. I. The technique. The Journal of Chemical Physics. 89 (10), 6113-6127 (1988).
  7. Zewail, A. H. Femtochemistry: Recent progress in studies of dynamics and control of reaction and their transition states. The Journal of Physical Chemistry. 100 (31), 12701-12724 (1996).
  8. Warren, W. S., Rabitz, H., Dahleh, M. Coherent Control of Quantum Dynamics: The Dream Is Alive. Science. 259 (5101), 1581-1589 (2003).
  9. Kosma, K., Trushin, S. A., Fuß, W., Schmid, E. E. Cyclohexadiene ring opening observed with 13 fs resolution: coherent oscillations confirm the reaction path. Physical Chemistry Chemical Physics. 11 (1), 172-181 (2009).
  10. De, S., Magrakvelidze, M., Bocharova, I. A., Ray, D., Cao, W., Znakovskaya, I., Li, H., Wang, Z., Laurent, G., Thumm, U., Kling, M. F., Litvinyuk, I. V., Ben-Itzhak, I., Cocke, C. L. Following dynamic nuclear wave packets in N, O and CO with few-cycle infrared pulses. Physical Review A. 84 (4), 043410 (2011).
  11. Bryan, W. A., McKenna, J., English, E. M. L., Wood, J., Calvert, C. R., Torres, R., Murphy, D. S., Turcu, I. C. E., Collier, J. L., McCann, J. F., Williams, I. D., Newell, W. R. Isolated vibrational wavepackets in D: Defining superposition condition and wavepacket distinguishability. Physical Review A. 76 (5), 053402 (2007).
  12. Calvert, C., Bryan, W., Newell, W., Williams, I. Time resolved studies of ultrafast wavepacket dynamics in hydrogen molecules. Physics Reports. 491 (1), 1-28 (2010).
  13. Kelkensberg, F., Lefebvre, C., Siu, W., Ghafur, O., Nguyen-Dang, T. T., Atabek, O., Keller, A., Serov, V., Johnsson, P., Swoboda, M., Remetter, T., L'Huillier, A., Zherebtsov, S., Sansone, G., Benedetti, E., Ferrari, F., Nisoli, M., Lépine, F., Kling, M. F., Vrakking, M. J. J. Molecular dissociative ionization and wave-packet dynamics studied using two-color XUV and IR pump-probe spectroscopy. Physical Review Letters. 103 (12), 123005 (2009).
  14. Erattupuzha, S., Larimian, S., Baltuska, A., Xie, X., Kitzler, M. Two-pulse control over double ionization pathways in CO. The Journal of Chemical Physics. 144 (2), 024306 (2016).
  15. Rudenko, A., Makhija, V., Vajdi, A., Ergler, T., Schurholz, M., Kushawaha, R. K., Ullrich, J., Moshammer, R., Kumarappan, V. Strong field-induced wave packet dynamics in carbon dioxide molecule. Faraday Discussions. 194, 463-478 (2016).
  16. Pearson, J. B., Nichols, S. R., Weinacht, T. Molecular fragmentation driven by ultrafast dynamic ionic resonances. The Journal of Chemical Physics. 127 (13), 131101 (2007).
  17. Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D. A., Matsika, S., Levis, R. J. Strong field adiabatic ionization prepares a launch state for coherent control. The Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (24), 4305-4309 (2014).
  18. Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Bohinski, T., Romanov, D. A., Matsika, S., Levis, R. J. Controlling the dissociation dynamics of acetophenone radical cation through excitation of ground and excited state wavepacket. The Journal of Physics B: Atomic, Molecular, and Optical Physics. 48 (16), 164002 (2015).
  19. Ampadu Boateng, D., Gutsev, G. L., Jena, P., Tibbetts, K. M. Ultrafast coherent vibrational dynamics dynamics in dimethyl methylphosphonate radical cation. Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (7), 4636-4640 (2018).
  20. Ampadu Boateng, D., Gutsev, G. L., Jena, P., Tibbetts, K. M. Dissociation dynamics of 3- and 4-nitrotoluene radical cations: Coherently driven C-NO bond homolysis. The Journal of Chemical Physics. 148 (13), 134305 (2018).
  21. Markevitch, A. N., Romanov, D. A., Smith, S. M., Schlegel, H. B., Ivanov, M. Y., Levis, R. J. Sequential non adiabatic excitation of large molecules and ions driven by strong laser fields. Physical Review A. 69 (1), 013401 (2004).
  22. Lezius, M., Blanchet, M., Rayner, D. M., Villeneuve, D. M., Stolow, A., Ivanov, M. Y. Nonadiabatic multielectron dynamics in strong field molecular ionization. Physical Review Letters. 86 (1), 51 (2001).
  23. Lezius, M., Blanchet, V., Ivanov, M. Y., Stolow, A. Polyatomic molecules in strong laser fields: Nonadiabatic multielectron dynamics. The Journal of Chemical Physics. 117 (4), 1575 (2002).
  24. Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D., Matsika, S., Levis, R. J. Measurement of an electronic resonance in a ground-state, gas-phase acetophenone cation via strong-field mass spectrometry. The Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (10), 1587-1591 (2013).
  25. Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D., Matsika, S., Levis, R. J. Measurement of ionic resonances in alkyl phenyl ketone cations via infrared strong field mass spectrometry. The Journal of Physical Chemistry A. 117 (47), 12374-12381 (2013).
  26. Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 26, 1150-1156 (1955).
  27. Gutsev, G. L., Ampadu Boateng, D., Jena, P., Tibbetts, K. M. A Theoretical and Mass Spectrometry Study of Dimethyl Methylphosphonate: New Isomers and Cation Decay Channels in a Femtosecond Laser Field. The Journal of Physical Chemistry A . 121 (44), 8414-8424 (2017).
  28. Hankin, S. M., Villeneuve, D. M., Corkum, P. B., Rayner, D. M. Intense-field laser ionization rates in atoms and molecules. Physical Review A. 64 (1), 013405 (2001).
  29. Amitay, Z., Zajfman, D. A new type of multiparticle three-dimensional imaging detector with subnanosecond time resolution. Review of Scientific Instruments. 68 (3), 1387-1392 (1997).
  30. Trebino, R., Kane, D. J. Using phase retrieval to measure the intensity and phase of ultrashort pulses: frequency-resolved optical gating. Journal of the Optical Society of America A. 10 (5), 1101 (1993).
  31. DeLong, K. W., Trebino, R., Hunter, J., White, W. E. Frequency-resolved optical gating with the use of second harmonic generation. Journal of the Optical Society of America B. 11 (11), 2206 (1994).
  32. Trebino, R. Frequency Resolved Optical Gating. , Kluwer Academy Publishers. Boston. (2000).
  33. Ruff, J. A., Siegman, A. E. Single-pulse laser beam quality measurements using a CCD camera system. Optics Letters. 31 (24), 4907-4909 (1992).
  34. Trushin, S. A., Kosma, K., Fuß, W., Schmid, W. E. Sub-10-fs supercontinuum radiation generated by filamentation of few-cycle 800 nm pulses in argon. Optics Letters. 32 (16), 2432-2434 (2007).
  35. Fuß, W., Schmid, W. E., Pushpa, K. K., Trushin, S. A., Yatsuhashi, T. Ultrafast relaxation and coherent oscillations in aminobenzonitriles in the gas phase probed by intense-field ionization. Physical Chemistry Chemical Physics . 9 (10), 1151-1169 (2007).

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रसायन विज्ञान अंक १३८ Femtochemistry पंप-जांच प्रयोग मास स्पेक्ट्रोमेट्री सुसंगत नियंत्रण कंपन वेव पैकेट मजबूत क्षेत्र ionization कट्टरपंथी कटियन आणविक भौतिकी
मजबूत क्षेत्र Adiabatic Ionization के साथ Polyatomic कट्टरपंथी Cations में Ultrafast कंपन जुटना की माप
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Ampadu Boateng, D., Tibbetts, K. M.… More

Ampadu Boateng, D., Tibbetts, K. M. Measurement of Ultrafast Vibrational Coherences in Polyatomic Radical Cations with Strong-Field Adiabatic Ionization. J. Vis. Exp. (138), e58263, doi:10.3791/58263 (2018).

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