F 의 310 Nm 분리에 의해 설명 하는 음이온의 광전자 이미징

Chemistry

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Summary

여기, 선물이 음이온 종의 광전자 이미징에 대 한 프로토콜. 음이온 vacuo에서 생성 하 고 질량 분석으로 구분 속도 매핑된 광전자 이미징, 음이온 전자 상태의 자연과 음이온 및 중립 에너지 레벨, 음이온, 중립 구조 상세 정보 제공을 사용 하 여 조사 됩니다.

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Lyle, J., Chandramoulee, S. R., Hart, C. A., Mabbs, R. Photoelectron Imaging of Anions Illustrated by 310 Nm Detachment of F. J. Vis. Exp. (137), e57989, doi:10.3791/57989 (2018).

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Abstract

음이온 광전자 이미징 바인딩된 음이온, 중립 종 및 중립 분자/원자와 언바운드 전자의 상호 작용의 에너지 상태 연구를 위한 매우 효율적인 방법입니다. 의 상태--예술 vacuo에서 음이온 생성 기법 분자, 원자의 광범위 한 범위에 응용 프로그램을 허용 하 고 클러스터 음이온 시스템. 이들은 분리 되 고 시간의 비행 질량 분석을 사용 하 여 선택. 전자는 적외선 근처 자외선 하에서 여기 에너지에 준비 접근을 제공 하는 테이블 탑 레이저 소스를 사용 하 여 선형 편광 된 광자 (사진 부 대)에 의해 제거 됩니다. 검색 속도와 photoelectrons 이미징 렌즈 및 위치 과민 한 발견자는, 원칙적으로, 모든 광전자 감지기 도달 의미 매핑되고 검출 효율은 모든 운동 에너지에 대 한 유니폼. 광전자 스펙트럼 수학 재건 반대 아벨 변환을 사용 하 여 통해 이미지에서 추출한 음이온 내부 에너지 상태 배급 및 결과 중립 에너지 상태의 세부 사항을 공개. 낮은 전자 운동 에너지에서 일반적인 해상도 몇 millielectron-볼트, , 분자 종 또는 스핀-궤도 원자에서 분할에 대 한 다른 진동 레벨 순서 에너지 레벨 차이 나타내기 위해 충분 하다. 아벨 변환 역에서 추출 하는 광전자 각도 배포판 자세한 전자 구조의 프로 빙 수 바인딩된 전자 궤도의 서명을 나타냅니다. 스펙트럼 및 각도 배포판 또한 나가는 전자와 여기 후 잔여 중립 종 간의 상호 작용의 세부 사항을 인코딩합니다. 기술은 원자 음이온 (F), 응용 프로그램에 의해 설명 된다 하지만 그것은 또한 분자 음이온 분광학 측정, 낮은 누워 음이온 공명 (으로 산란 실험) 및 펨 (연구에 적용할 수 있습니다. fs) 시간 해결 음이온의 동적 진화의 연구.

Introduction

음이온 광전자 이미징1 광전자 분광학에 variant 이며 원자/분자 전자 구조의 강력한 프로브와 전자와 중립 종 간의 상호 작용을 나타냅니다. 얻은 정보 바운드의 이해 개발에 필수적 이며 준 (전자 분자 산란 공명) 부정적인 이온 상태, 화학 감소, 효과적인 첨부 파일 프로세스 및 이온-분자 출입구 상태 상호 작용입니다. 또한, 결과 이론적 방법 높은 수준의 ab initio 의 중요 한 테스트를 제공, 특히 높은 처리 그 설계 된 상관 시스템 및/또는 비-고정 상태.

기술 결합 이온 생산, 질량 분석 및 입자2,,34 민감하게 프로브 전자 (및 작은 분자, 진동에 대 한) 구조를 이미징 합니다. 음이온 종 작업 시간의 비행 질량 분석 (MS TOF)를 통해 좋은 대량 선택도 있습니다. 표시/근처 자외선 (UV) 광자는 충분히 초과 전자, 테이블 가기 레이저 소스를 사용할 수 있도록 제거 하 정력적 이다. 음이온의 사용의 또 다른 이점은 photoexcite 낮은, 불안정 한 음이온 상태로 에너지 정권은 전자와 중성 원자/분자 강하게 상호 작용을 대표 하는 기능입니다. 속도 매핑된 이미지5 (VMI)를 사용 하 여 균일 한 검출 효율, 낮은 전자 운동 에너지에도 월급, 모든 분출된 photoelectrons를 모니터링 하 고 그들의 속도의 방향과 크기를 동시에 보여준다.

실험 결과 광전자 스펙트럼 (부모 음이온 내부 에너지 배포판의 세부 사항)와 딸 중립 내부 상태 에너지와 광전자 각도 포함 하는 광전자 이미지 (에 관련 된 전자는 분리 이전 궤도)입니다. 기술의 특히 재미 있는 응용 fs 시간 해결 연구에서 발견 된다. 초기 초고속 레이저 펄스 (펌프) 효과적인 음이온 전자 상태에 흥분 하 고 두 번째 일시적으로 초고속 펄스 (프로브) 지연 후 흥분된 음이온에서 전자를 분리. 펌프-프로브 시간 차이의 컨트롤 원자 모션의 날짜 표시줄에 시스템의 에너지 상태와 시스템의 궤도의 변화 자연의 진화를 다음과 같습니다. 등 나의 photodissociation2 다른 interhalogen 종6,7,,89, 조각화 및 전자 숙박 난에·uracil 10,11,,1213, 내가·thymine13,14, 내가·adenine15, 난,·nitromethane16 17 그리고·acetonitrile17 클러스터 음이온과 CuO2 photoexcitation 후 Cu 원자 음이온의 생산에 대 한 지금까지 예기치 않게 긴 날짜 표시줄의 계시 18.

그림 1 워싱턴 대학교 세인트루이스 (WUSTL) 음이온 광전자 이미징 분 광 계19보여줍니다. 3 차동 펌핑된 지역 계기에 의하여 이루어져 있다. 이온 소스 챔버 10−5 Torr의 압력에서 작동 하 고 방전 이온 소스20및 정전기 이온 추출 접시에서에서 생산 됩니다. 이온 질량 (TOF 튜브에 압력은 10−8 Torr)와 일리-맥 라 렌 TOF-MS21 에 의해 구분 됩니다. 이온 검출 및 프로 빙 VMI 렌즈5 와 입자 검출기를 포함 하는 탐지 지역 (10−9 Torr의 압력)에서 수행 됩니다. 악기의 주요 구성 요소는 그림 1b 음영된 지역 진공 시스템 내에 포함 된 모든 요소를 표시 하는 곳에서 개요로 설명 된다. 가스 방전에 펄스 노즐을 통해 소개 된다. 높은 입구 압력을 상쇄 하기 위해 소스 챔버 진공 오일 기반 확산 펌프를 사용 하 여에서 유지 됩니다. 방전 영역 그림 2a에서 자세히 보여 줍니다. 높은 전위차는 전극, 테 플 론 스페이서의 일련에 의해 노즐의 얼굴에서 격리 되는 사이 적용 됩니다. 사실,은 테 플 론 나중에 표시 된 결과 대 한 불 소 원자의 소스 역할을 합니다.

방전의 음이온, 양이온 및 중립 종 혼합물을 생성합니다. 아닌 격판덮개 (MCP) 검출기 (그림 1b), 잠재적인 스위치 및 이온 추출 접시, 이온 가속 스택의 형성 2 m 긴와 일리 맥 라 렌 TOF 양 이온 이온 추출 플레이트 (네거티브) 전압 펄스의 응용 프로그램에 의해 추출 되 고 다음 모든 이온은 동일한 운동 에너지를 가속. Einzel 렌즈의 이온 빔 공간 크로스 섹션을 감소 하는 동안 추출 펄스 크기의 VMI 렌즈에 도착 시간을 집중 한다. 음이온은 다시는 잠재적인 스위치22, 대량 판별자는 타이밍 역할을 사용 하 여 접지 참조. 음이온 선택 VMI 렌즈에서 음이온의 도착 시간 표시/근처 자외선 광자 펄스의 도착을 동기화 하 여 이루어집니다. 이온 분리 및 검출 지역 오일 무료 turbopumps를 사용 하 여 이미징 검출기를 보호.

음이온 및 광 양자 이온 및 레이저 광선 사이의 중복을 나타내는 Steinmetz 고체의 공간 볼륨에 걸쳐 photoelectrons 생산 작용 합니다. 목적은 모든 photoelectrons는 검출기에 도달 하 고 그는 photoelectrons의 기세 공간 분포 유지 하는 3 개의 오픈 전극 VMI 렌즈 (그림 2b)에 의하여 이루어져 있다. 이 위해 다른 전압 공간 지점에 동일한 초기 속도 벡터와 전자는 검출기에 같은 지점에서 검색 되도록 추출기 및 repeller에 적용 됩니다. 쉐 브 론 일치 MCPs 전자 승수 역할의 세트는 감지기에 의하여 이루어져 있다. 각 채널은 직경이 몇 미크론, 지역화는 이득 고 초기 충격 위치 순서. MCPs는 뒤에 인광 체 스크린 충전 결합된 장치 (CCD) 카메라를 사용 하 여 기록 되는 빛의 섬광으로 증폭 된 전자 펄스를 통해 위치를 나타냅니다.

타이밍 및 필요한 다양 한 전압 펄스의 기간 디지털 지연 발생기 (DDG, 그림 3)의 쌍을 사용 하 여 제어 됩니다. 모든 실험 10 Hz의 반복 속도 사용 하 여 쏜 총으로 반복 됩니다. 각 총에 대 한 여러 이온과 광자는 카메라 프레임 당 몇 탐지 이벤트 생산 상호 작용 합니다. 몇 천 프레임 이미지에 누적 됩니다. 이미지 센터 기세 공간 원점을 나타내고 그러므로 센터 (r)에서 거리는 전자의 속도에 비례 이다. 각도 θ (광자 편광 방향)를 기준으로 전자의 속도의 방향을 나타냅니다. 이미지 검색 이벤트 밀도의 분포를 포함합니다. 따라서, 그것은 또한 대표 하는 검색 (특정 시점) 전자의 확률 밀도로 볼 수 있습니다. 호출 하는 이미지를 나타내는 파동 함수 (ψ)의 태어난된 해석 | ψ | 광전자23에 대 한 2 .

3D 전자 확률 밀도 원통 정보의 난립 하는 결과와 방사선의 전기 벡터 (εp)의 편광에 대해 대칭입니다. 원래 분포의 재건은 수학적으로 이루어집니다24,25,,2627. 재건에서 (전자)의 방사형 배포는 적절 한 Jacobian 변환의 응용 프로그램을 통해 에너지 도메인으로 개조 되는 기세 (속도) 도메인 광전자 스펙트럼.

음이온 광전자 이미징 분 광 계 (그림 1)이이 실험에 사용 되는 맞춤식 악기28입니다. 표 1표 2 에 프로토콜에 대 한 설정은 F 의 생산 및 그것의 광전자 분포의 이미징에 대 한이 악기에 있습니다. 디자인의 몇 가지 유사한 버전은 다양 한 연구 실험실6,29,30,31,32,,3334 에 사용 됩니다. , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42, 하지만 아무 2 개의 계기는 정확 하 게. 또한, 악기 설정은 강하게 상호 의존 및 조건 및 악기 크기에 작은 변화에 매우 민감한 있습니다.

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Protocol

참고: 일반적인 실험 프로토콜 제공 됩니다 여기, WUSTL 악기 관련. 그림 4a 에 F 이미지에 대 한 특정 악기 설정은 표 1-2에서 찾을 수 있습니다.

1. 이온 생성

  1. 음이온을 생성 하려면 백업 가스 또는 가스 혼합물 (F, 40 psig. O2의)에 대 한 펄스 노즐 뒤에 적용 하 고 10 Hz에서 노즐을 작동 합니다.
    1. 디지털 지연 발생기 1 (DDG1), 채널 (A1)에 노즐 기간을 설정 하 고 방전 가스를 주입 하는 펄스 노즐 드라이버를 방 아 쇠.
    2. 고전압 방전 펄스 v 1을 적용 합니다. 타이밍 및 펄스의 기간 채널 C (C1) DDG1에 의해 제어 됩니다.
    3. O2 가스의 탈출 증가 실험실 화재 위험으로 이어질 수 있습니다, 모든 가스 라인 꽉 누수는 확인 해야 합니다. 때문에 높은 가스 압력 가스 라인의 실패로 이어질 수 있습니다, 최대 동작 압력 아래 압력 유지 됩니다 확인 합니다. 전원 공급 장치는 올바르게 접지 하 고 케이블 되는 때 떨어져 전환 확인 연결 또는 제거.

2. 이온 추출, 분리 및 검색

  1. 소스에서 음이온을 추출, 이온 추출 접시에 높은 전압 추출 펄스 (V2)을 적용 합니다.
    1. 타이밍 및 DDG1 채널 D (D1)를 사용 하 여 이온 추출 펄스의 지속 시간을 설정 합니다.
  2. 음이온 질량 스펙트럼을 모니터링 하려면 악기 이온 모드에 넣어.
    1. 영상 검출기 MCPs에 감지기 전압 분배기를 연결 합니다.
    2. V11 전압 검출기 양극 (인광 체 스크린)에 적용 됩니다.
    3. 이온 감지기 전압 분배기 출력 오실로스코프 채널 1의 입력에 연결 합니다.
    4. MCP 전원 공급 장치 전압 분배기 입력에 연결 하 고 전압을 점차적으로 증가. 입력된 전압 v 9 항목 사이드와 V8는 MCP의 출구 측에 v 7을 제공합니다.
      주의: MCPs에 대 한 최대 허용 전압을 초과 하지 마십시오.
  3. TOF-MS에 의해 음이온을 구분 합니다.
    1. 가속 스택 전압 v 3를 설정 합니다.
    2. DDG1를 사용 하 여 채널 E (E1), 타이밍 및 잠재적인 스위치 고전압 펄스 (v 3)에 대 한 기간을 설정 합니다.
    3. 오실로스코프 DDG1 채널 F (F1) TOF MS 시간 규모를 설정 하는 외부 트리거.
  4. 방전 및 추출 펄스 크기 (V1-V2), 방전, 추출, 잠재적인 스위치 및 노즐 타이밍 및 이온 신호는 오실로스코프에서 생산 하는 DDG1에 A-E 채널을 통해 기간을 조정 합니다.

3. 이온 수확량 그리고 해상도 최적화입니다.

참고: 단계 3.1 및 3.2 최적의 해상도 이온 수율을 얻기 위해 반복적으로 반복할 수 한다. (표 1-2 표시 결과 섹션에 표시 된 F 이미지를 생성 하는 데 사용 하는 설정).

  1. 주어진된 종류의 음이온의 수를 최적화 하려면 이온 소스 설정을 조정 합니다.
    1. 가스 실린더에는 레 귤 레이 터를 사용 하 여 노즐 뒤에 O2 가스의 압력을 조정 합니다.
    2. 작업 (A1)의 펄스 노즐 기간을 조정 합니다.
    3. 출력 펄스 전압 (V1)의 크기를 조정 합니다.
    4. 타이밍 및 방전 펄스 전압 (C1)의 기간을 조정 합니다.
    5. 타이밍 및 이온 추출 펄스 (D1)의 기간을 조정 합니다.
    6. 높은 전압 (E1)에서 잠재적인 스위치는 기간을 조정 합니다.
    7. Einzel 렌즈 (V4)의 중앙 요소에 전압을 조정 합니다. 오실로스코프에 이온 봉우리는 강렬에서 증가 한다.
      주의: 보장 O2 압력 최대 동작 압력 아래 유지 됩니다.
  2. 질량 스펙트럼 해상도 이온 분리 최적화 TOF MS 설정을 조정 합니다
    1. 와 일리-맥 라 렌 초점을 달성 하기 위해 이온 추출 전압 (V2)를 조정 합니다. 오실로스코프에 이온 봉우리를 좁혀 해야 합니다.
    2. 가속 스택 전압 v 3를 조정 합니다.

4. 광전자 생산 및 탐지

  1. 이미지 모드에는 분석기를 전환 합니다.
    1. 이온 감지기 전압 분배기 (V9)를 0에 적용 되는 전압을 줄일 수 있습니다.
    2. MCPs에서 이온 감지기 전압 분배기를 분리 합니다.
    3. MCP 및 이미징 이미징 고전압 펄스 전원 공급 장치를 연결 합니다.
    4. 이미징 MCPs에 이미징 고전압 펄스를 연결
  2. 형광체 (V11) 화면과 MCPs (V9)를 영구 전압을 적용 합니다.
  3. VMI 렌즈 내 관심의 이온의 도착 시간 나노초 (ns) 염료 레이저에서 레이저 펄스의 도착 시간을 동기화 합니다.
    1. 빠른 포토 다이오드 오실로스코프 채널 2에 연결 합니다.
    2. Nd: yag 레이저 플래시 램프와 Q 스위치 DDG2 채널 H (H2)를 사용 하 여 외부 트리거 및 G (G2). 레이저 트리거 (H2) 포토 다이오드의 출력 될 때까지 가까이의 타이밍 하지만 앞의 이온 신호를 조정 합니다.
    3. 이미징 repeller (V5)와 추출기 (V6) 전극에 전압을 적용 합니다.
    4. 긴 노출으로 카메라를 설정 하 고 레이저 트리거 (H2)를 PC 화면에 관찰 하는 전자 감지 이벤트의 수를 최대화 하려면 타이밍을 조정 합니다.
      주의: 클래스 4 레이저 방사선 영구적으로 시력을 손상 됩니다. 적절 한 눈 보호를 착용 하십시오. 입고 하는 경우에 빔에 직접 보이지 않는 눈을 보호. 반사 반사를 하지 마십시오.
  4. 고전압 펄스 광전자 생산 창 내에서 전자 신호를 증폭 하는 MCP 광자 펄스의 도착에 맞춰 타임에 적용 됩니다.
    1. 이미징 펄스 전압 (V10)을 설정 합니다.
    2. 이미징 펄스 타이밍 및 이미징 펄스 중심 광자 펄스의 도착 시간에는 DDG2 채널 F (F2)를 사용 하 여 기간을 설정 합니다.

5. 이미지 초점

  1. 짧은 노출으로 카메라를 설정 합니다.
    1. DDG2 채널 E (E2)를 사용 하 여 실험적인 사이클의 시작에서 열려는 트리거는 CCD 카메라.
  2. 배경 빼고 이미지 수집
    1. 여러 프레임의 음이온 일치 레이저 펄스를 수집 합니다.
    2. 어떤 음이온 하지 일치 레이저 펄스와 함께 여러 프레임을 수집 합니다.
    3. 우연의 일치에 수집 된 프레임에서 우연에서 수집 하는 프레임을 뺍니다.
    4. 5.2 단계를 반복 하 고 이미지를 축적.
  3. 이미징 repeller (V5)와 추출 (V6) 전극 전압을 조정 합니다. 5.2 단계를 반복 하 여 새로운 이미지를 생성 합니다. 때 이미지 기능에서 그들의 좁은 초점 상태 최고가 이루어집니다.

6. 이미지 모음

  1. 짧은 노출 모드에서 카메라와 함께 centroided 컬렉션으로 전환 합니다.
  2. 누적 하위 픽셀 해상도 이미지를 최적의 초점 상태에서 5.2 단계를 반복 합니다.

7. 데이터 추출

참고:이 섹션에서 수행 하는 데이터 조작 MatLab 플랫폼에서 구체적으로 작성 된 프로그램을 사용 하 여 수행 됩니다.

  1. 반전의 센터를 찾을 수 이미지의 고유한 대칭을 사용 하 여 이미지의 센터의 질량 (강도)를 확인 하 여 이미지의 중심을 찾아 (소음에 낮은 신호)의 경우 반복적으로 스펙트럼에 전환의 폭을 최소화 또는 다른 재판을 선택 하 여 센터.
    1. 역 아벨 3D 속도 분포를 복구할 이미지를 변환 합니다.
  2. 광전자 스펙트럼 생성
    1. 모든 반지름에 대 한 각도의 함수로 강도 통합 (이 방사형에서 스펙트럼은 따라서 기세 또는 속도 도메인). 실제로이 모든 반지름에 합계에 의해 달성 된다.
      Equation 1
      여기서 I(r)는 방사형 강도 하 고 I(r,θ)는 포인트 r, θ에서 강도.
    2. 알려진된 eBE의 전환으로 동일한 조건 하에서 기록 된 이미지를 비교해보면 전자 운동 에너지에 대 한 스펙트럼을 보정.
      안에서 = eKEcal × (r/rcal)2
      어디 안에서ref 참조 스펙트럼에서 알려진된 전환의 운동 에너지는, rref 이 전환 해당 참조 이미지에 링의 반경 안에서 실험에 반경 r과 관련 된 운동 에너지는 이미지입니다.
    3. Jacobian 변환을 통해 에너지 도메인에 방사형 스펙트럼을 변환 합니다. 7.2.2에서 주어진 r에 해당 하는 에너지 결정 됩니다. I(r) 강도 √eKE로 나눕니다.
  3. 전자의 각도 분포입니다.
    1. 스펙트럼에서 전환을 선택 합니다.
    2. 다른 작은 모 난 범위에 대 한 전환 및 θ에 대 한 음모와 관련 된 방사형 범위를 통합 합니다. 실제로 통합은 달성 합계에 의해 범위 r0-모든 반지름 FWHM/2 + FWHM/2.
      Equation 2
      여기서 I(θ)는 각 강도, r0 최대 전환의 반지름 값 이며 FWHM 전환의 방사형 범위에 걸쳐 절반 최대에 가득 차 있는 폭은.

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Representative Results

Centroiding43 카메라의 640 × 480 픽셀 CCD 배열에 데이터 기록, 6400 × 4800의 격자 해상도 가능 하다. 그러나, 스펙트럼 및 각 배포판의 추출 반전을 상대적으로 원활 하 게 다를 이미지 강도 필요로 하는 데이터의 아벨 변화를 포함 한다. 타협로 centroided 데이터는 "범주화" n × n 블록의 포인트를 합산 하 여. 비슷한 치료 결과 이미지의 디스플레이에 필요한 이기도 합니다.

표시 된 이미지와 그림 4a 의 재건은 4.00 eV의 광자 에너지에 F 에서 photodetachment의 결과 (310 nm). 광전자 분포의 원통형 대칭 기세 공간 포인트의 4 개의 동등한 측정 각 실험 이미지에 포함 되어 있음을 의미 합니다. 그림 4a 보여줍니다 왼쪽 n 범주화 실험적으로 측정 된 이미지의 절반 = 8, 그림 4a 의 오른쪽 절반은 반대 같은 해상도에 표시 되는 데이터의 아벨 변환 하는 동안. 이미지 F 이온 및 뺀 배경 프레임의 동등한 수와 함께 일치에서 레이저로 기록 된 50, 000 프레임의 총 구성 되어 있습니다. 레이저 전기 벡터 (εp)의 방향으로 두 배 이끌린된 화살표에 표시 된 대로 이미지의 평면에 수직입니다.

이미지는 두 개의 동심원을 보여줍니다. 이러한 두 개의 좁은 전환 광전자 스펙트럼에 해당 합니다. 이것은 n 범주화 centroided 데이터에서 추출 센터에서 각 방사형 거리 (r)에 대 한 모든 각도 (θ)에 강도 통합 하 여 역 아벨 변환 후 = 4. 전자 운동 에너지 (안에서) 규모 전환 r 교정 알려진된 운동 에너지의 전환에 의해 영향을 받습니다 (안에서) 어디 은 교정 전환의 중심으로 방사형 거리.

Equation 3

강렬 스펙트럼 그림 4b에 표시를 적절 한 Jacobian 변환을 통해 축척 됩니다. 강도 규모 추가 전환의 가장 강한 상대 농도 표시 하도록 조정 되었습니다.

낮은 전자 상태에 따르면 그들의 전자 각 결합체 중립 F. Labelling의 거짓말 2의 존재를 반영 하는 두 전환, 이들은 불린다 2P3/22P1/2. 2 개의 F 원자 상태는 1s에서 발생2222 p5 전자 구성. 간단한 언어에서 2 개의 홀된 전자의 회전 급강하에 차이가 있습니다. 스핀과 궤도 각 결합체 사이 상호 작용의 강도 두 경우 모두 다릅니다. 전자 운동 에너지는 광자 에너지 ()와 최종 중립 상태 (전자 결합 에너지, eBE)를 생산 하는 데 필요한 에너지에 따라 다릅니다. 이러한 속성 안에서 에너지의 보존에 의해 연결 된다 hν-eBE=. 따라서, 높은 eKE 전환 (0.598 eV)44불 소 원자 전자 친 화력은 낮은 바인딩 에너지 (3.402 eV)를 나타냅니다. 전환 운동 에너지에서 차이 (0.598 eV − 0.548 eV) F 원자의 첫번째 흥분된 상태는 그냥 50 meV 바닥 상태, 스핀-궤도 상호 작용의 힘의 측정 보다는 에너지에서. 두 개의 전환 (2:1 비율)의 상대적 강점 2 개의 F 원자 전자 국가의 degeneracies 반영 합니다.

그림 4a 의 이미지에 전자의 배포는 특정된 전환에 대 한 유니폼. 이것은 더 많은 양적에서 그림 4 c표시 됩니다. 줄거리를 보여주는 각 전환 (→2P3/2, 빨간색 오픈 원, →2P1/2, 블루 채워진된 원형)에 대 한 전자 강도 위대한 θ = 90 °, 따라서에 수직으로 분출된 되도록 전자에 대 한 기본 설정 Ε p.이 궤도, p 에서 전자 제거에 대 한 예상된 (에 따라 개의 인수 각 운동량 보존을 포함) 그리고 결과 전자는 s 궤도45, 에서 분리 된 경우 매우 다른 것 46. 각 배포판은 특정 부모 궤도의 공간 부분의 진단. 경우 그림 4 d와 같이 그림 4 c 의 데이터 (각 전환에 대 한 각도 맥시 마) 기준 rescaled는, 그것의 한계 내에서 실험 잡음, 배포판은 거의 동일을 볼 수 있습니다.

달성 속도 해상도 설계 및 실험의 세부 사항에 의해 강하게 좌우 된다. 속도 매핑, 공간 볼륨 있는 전자는, 생성에 관한 이미징 렌즈와 이미징 전극에 적용 된 전압에 내에서이 볼륨의 위치는 모두 중요 합니다. 최고의 해상도 대 한 음이온과 레이저 광선의 교차로 표현 되는 볼륨을 최소화 한다. 실제로이 레이저와 이온 빔, 준 또는 초점의 폭을 줄여 이루어집니다. 속도 매핑 이미징 전극 전압에 아주 과민 하다. 그림 5a 의 이미지 최적의 초점 상태를, 0.700 repeller 사이의 갈 퀴의 비율을 나타냅니다. 심지어 작은 변경 (repeller 또는 추출기 전극 전압을 변경) 하 여이 비율에는 속도 해상도에 해로운입니다. 그림 5b 0.686 비율 감소 후 얻은 이미지를 보여줍니다 (., 좀 더 보다 3%). 그것은 이미지와 구별 스펙트럼에 두 전환 수는 더 이상 동반 스펙트럼에 분명. 사실, 정밀도 전원의 공급 이미징 전극 위치로 제한 매핑의 효과에.

이미지 4 방향 대칭을 표시 한다. 어떤 실험에서 전자 탐지의 확률적 특성 이어질 것입니다 항상 작은 편차가이 기대에서. 그러나, 다른 입자 (전자, 이온 또는 중립국) 검출기에의 영향 심각한 편차를 이어질 수 있습니다. 예를 들어 그림 5 c 상단 오른쪽 사분면에 높은 강도의 매우 눈에 띄는 영역을 보여 줍니다. 이것은 이온 또는 중립 (photodetachment 또는 autodetachment 생산)의 결과 검출기에 impinging. 0.1과 0.2 eV 사이의 스펙트럼에서 광범위 한, 상대적으로 낮은 강도 기능이 아닌 전자 영향의 결과 이다. 현재의 경우에서 문제 수 처리 수학적으로 분석에서 상단 오른쪽 사분면 데이터를 제거 하 여 간단히. 실험 요인 또한 스 퓨 리 어스 신호를 제거 하기 위해에서 변경할 수 있습니다. 예로 정전 검출에서 원치 않는 이온 편향 판 청구 잠재적인 스위치 (E1)의 타이밍 또는 (펄스) 도입을 통해 대량 차별 전자 이미징 펄스 (F2)의 타이밍의 주의 조작 지역입니다.

게시물 컬렉션 이미지 처리도 영향을 미칠 수 속도 (및 그러므로 운동 에너지) 스펙트럼 및 각 배포판의 정량 분석의 해상도. 그림 6a 역 아벨 변환 하기 전에 이미지의 정확한 센터를 선택의 중요성을 보여 줍니다. 빨간 스펙트럼은 n 범주화 F 이미지에서 추출 = 10과 최고의 센터를 사용 하 여. 다른 스펙트럼 분석을 1 (파란색), 2 (녹색) 또는 3 (오렌지) 픽셀 증가 지정된 된 중심의 y 좌표와 함께 센터를 사용 하 여이 범주화 된 이미지를 나타냅니다. 선택한 센터 트루 이미지 센터에서 더 많은 다른 스펙트럼을 확대, 전환의 기지에서 특히 고 두 봉우리 합체 하기 시작. 또한, 외부 필드 (전기 및 자기) 이탈 전환 기능을 완벽 하 게 원형으로 존재 하지 않는 그런 카메라 렌즈에도 결점 이미지의 왜곡으로 이어질. 특정 반지름에 대 한 모든 각도에 통합 전환의 명백한 확대로 이어질 것입니다. 예제 그림 6b, c F 이미지에 표시 됩니다 (범주화 n = 4) 그림 1a의. 각도 범위 (5 ° 정도 조각 36.5 ° (빨간색)와 86.5 ° (블루)에 대 한)의 두 가지 분야에 걸쳐 통합 하 여 생산 하는 방사형 스펙트럼의 비교 그림 6b에 나와 있다. 스펙트럼의 두 가지 기능 명확 하 게 인지할 수는 있지만 그것은 또한 그들의 맥시 마는 약간 다른 반지름에 명백한 (302, 306 2P3/2 에 대 한 전환 36.5 °와 86.5 ° 각각). 또한 전체 각도 범위 (그림 6b 회색 음영된 있는 스펙트럼 보기 쉽도록 조절)에 걸쳐 통합 방사형 도메인 스펙트럼과 비교 확대 스펙트럼에 왜곡의 효과 보여줍니다. 그림 6 c (레드) eKE 도메인, 왜곡 된 이미지의 완전히 통합 된 스펙트럼을 보여준다. 방사형 크기 조정 (각도의 함수로) 에너지 도메인으로 변환 하기 전에 교정을 결과 그림 6 c42,47의 완전히 통합 된 청색 스펙트럼에서 훨씬 좁은 전환에 있습니다. 이것은 원래 그림 4b 에서 표시 하는 스펙트럼입니다 하지만 더 나은 확장 에너지 규모와 각 종속 방사형 왜곡의 결과 보여 줍니다.

Figure 1
그림 1입니다. 분석기를 이미징 WUSTL 음이온 광전자. 진공 시스템의 외부 보기는 상단에 표시 됩니다. 회로도 실험에서 중요 한 구성 요소의 레이아웃을 보여 줍니다. 음영 처리 된 영역 내에서 거짓말 하는 요소는 진공을 받고 있다. 자세한 내용은 텍스트를 참조 하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2입니다. DC 방전 및 VMI 렌즈 어셈블리의 도식 일러스트. (a) 음이온 가스 펄스 방전 소스를 통해 여행 하는 때 생성 됩니다. (b) 전자는 이온의 교차로에서 생산과 레이저 광선 초점을 맞추고 있다 (모멘텀 공간에서) MCP 검출기에 추출기 및 Repeller 전압의 제어에 의해. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3입니다. 제어 실험. 두 개의 디지털 지연 발생기 (DDG) 실험 타이밍 시퀀스의 정밀한 제어를 허용합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4입니다. 대표 결과입니다. (a) 광전자 이미지 (절반 왼쪽)와 반전 4.00 eV에서 F 분리에 대 한 아벨 변환 (오른쪽 절반). (b) 광전자 스펙트럼에는 해당 이미지에서 두 개의 링 하는 두 개의 전환을 포함 되어 있습니다. (c) 스펙트럼 (빨간색 원 →2P3/2, 파란색 동그라미 →2P1/2)에서 각 전환에 대 한 광전자 각도 분포 표시 전자 메일 각각의 경우에는 전기에 수직으로 편광된 방사선 (εp)의 벡터입니다. (d) 때 그들의 각각 맥시 마를 기준으로, 각 채널에 대 한 각도 분포는 거의 동일 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5입니다. 최적 및 4.00 eV에서 F 분리에 대 한 최적의 광전자 이미지. 표시 된 이미지는 n 범주화 = 10. (a) 스펙트럼에서 조건 (0.700의 비율) 보여주는 좁은, 잘 해결 봉우리 초점 최적의 VMI에 이미지. (b) 이미지 0.686-의 VMI 초점 비율 두 전환 스펙트럼 또는 이미지에서 구별할 수 이상 없습니다. (c) photoelectrons 일치 검출기에 impinging 처진 이온의 효과. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 6
그림 6입니다. 이미지 분석/처리 효과. (a) 광전자 스펙트럼 표시 됩니다 이미지 센터의 다른 견적을 가진 그림 4a 의 이미지에서 추출. (b) 이미지에 순환에서 편차 해상도의 손실에 지도 한다. 완전히 각도 통합된 스펙트럼 (회색 음영된)에 특징은 상당히 이미지의 개별 각 세그먼트에 대 한 보다 광범위 한. (c) 왜곡 (빨간 스펙트럼)의 효과 (블루 스펙트럼) 검출기의 전체 해상도 복구 수학적으로 수정 될 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

설명 기간 (μ) 지연 (μ) 기준으로
A 1 펄스 노즐 700 0 DDG1
B1 DDG2 트리거 0 DDG1
C1 방전 70 640 A 1
D1 이온 추출 7 235 C1
E1 잠재적인 스위치 6 0 D1
F1 오실로스코프 트리거 0 D1
E2 카메라를 트리거 0 B1
F2 펄스를 이미징 1 180.13 H2
G2 레이저 출력 (Q 스위치) 180.94 H2
H2 레이저 트리거 (플래시 램프) 590 B1

표 1입니다. 실험 펄스 타이밍입니다. 그림 4a에서 이미지의 컬렉션에서 사용 하는 DDGs에 의해 제어 하는 펄스 시퀀스의 타이밍.

설명 전압 (kV)
V1 고전압 펄스 방전 −2.4
V2 이온 추출 펄스 고전압 −1.48
V 3 이온 가속 전압 2.45
Einzel 렌즈 외부 요소
잠재적인 스위치 높은 전압
V4 이온 Einzel 렌즈 중앙 요소 1.4
V5 전자 화상 진 찰 렌즈 Repeller −0.700
V6 전자 화상 진 찰 렌즈 추출기 −0.497
이온 모드
V7 MCP 항목 0.95
V8 MCP 출구 2.51
V9 MCP 전원 공급 전압 3.0
영상 모드
V7 MCP 항목 0.0
V8 MCP 출구 1.0
V9 MCP 전원 공급 전압 1.0
V10 MCP 펄스 고전압 1.75
V11 인광 체 스크린 이온 모드 3.2
영상 모드 6.0

표 2입니다. 적용 되는 전압 특정 전압 그림 4a에서 이미지의 생성에 대 한 기기 부품에 적용.

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Discussion

두 가지 요소는 특히 설명된 프로토콜의 성공에 중요 합니다. 최상의 가능한 속도 매핑 조건을 결정 해야 합니다 그리고 더 결정적으로, 원하는 음이온의 충분 하 고 상대적으로 시간이 고정 수익률을 생산 해야 합니다. 단계를 집중 하는 VMI에 관한 단계 5.2와 5.3 날카로운 (좁은) 이미지 기능을 주는 상태를 결정 하기 위해 이미지 분석 함께에서 반복 한다. 비록 주어진된 시스템에 대 한 최적의 조건을 달성 되었습니다 일단 악기 안정적으로 유지 전극 전압 (V5 및 V6)의 미세 조정 크기와 이온 및 레이저 빔 교차점의 위치에 의해 좌우 된다. 가장 중요 한 특정 음이온을 생성 하는 기능이입니다. 반복적으로 정제 이온 소스 조건에 주의 지불 (입구 가스 압력 및 구성, 전극 재료, 진공 챔버 압력, 가스 맥 박 내구, 노즐 직경 방전, 방전 펄스 전압, 방전 펄스 타이밍 및 방전 펄스 기간) 단계에서 1-3 키입니다. 이것은 주어진된 이온의 연구를 시작할 때 매개 변수는 많은 수의 조작 필요. 그러나,이 또한 수 있습니다 유연성의 큰 학위를 방전 소스를 사용 하 여 생성 될 수 있다 이온의 종류에. 레이저 제거40, 전자 충격 이온화19, 및 유입41 일반적으로 사용 되는 다른 많은 함께 소스 대량 spectrometric 기술의 응용은 비교적 간단 합니다만 사소한 경 음악으로 수정입니다. 특히, 분무 방법 생산 높은 대량 종이 고 이중 청구 음이온10,48성공적으로 고용 되어 있다.

음이온 광전자 분광학 적외선 흡수 분광학 등 기술에 액세스할 수 있는 중립 퍼텐셜 에너지 표면 영역을 일반적으로 사용 됩니다. Photodetachment에 대 한 선택 규칙은 덜 제한적인, 중립 vibronic 상태의 범위에 액세스할 수 있도록. 또한, 음이온에 고유의 충전 종 선택도 및 전자 일반적으로 제거할 수 있습니다 상용 표시/UV 광원을 사용 하 여 수 있습니다. 일반적으로 적용 된 광전자 감지 체계의 (자기 병 분석기49,50, 반구형 분석기51,52, 광전자 이미징) 이미징 접근 여러 수 여 장점입니다. 검출 감도 매우 낮은 전자 운동 에너지에도 유니폼, 이미징 기술은 본질적으로 효율적 이다 (원리에서 모든 photoelectrons 도달 검출기)의 광전자 각도 분포를 기록 동시에 이미징 단일 측정에 스펙트럼에서 각 과도. 가변 광자 소스와 결합 하면 음이온 광전자 이미징 전자 산란 실험 한다 음이온 (전자 산란 공명)의 연구에 다른 접근 방법을 또한 제공 한다.

이 실험에서 입자 이미징 탐지 방법 종 가스 단계에서 (또는 적어도 vacuo)의 연구에 기본적으로 제한 됩니다. MCP 검출기 저압 조건 필요 하 고, 광자와 이온 사이 상호 작용의 지역 가능한 작게 해야 하 고, 음이온 평균 자유 경로 TOF 길이 보다 큰 요구 하 고 나가는 전자 요구 평균 자유 경로 상호 작용 영역 분리 이벤트와 감지 전자 분포 간의 상관 관계를 유지 하기 위해 검출기 사이의 거리는 크게 초과 합니다. 그럼에도 불구 하 고, 클러스터 음이온의 연구 더 압축된 단계에 관련성의 인 사이트를 얻을. 예를 들어 solvation는 음이온 X및 중립 분자 M 사이의 상호 작용의 강도 및· X 비교에 의해 측정 될 수 있다 Mn 스펙트럼,· X 어디 Mn 은 이온-분자 상호 작용을 통해 바인딩된 시스템입니다.

실험은 TOF-MS를 사용 하 여 방전 소스에서 생산 하는 음이온을 분리. 그러나 상황 발생 하는, 원자의 주어진된 세트에 대 한 퍼텐셜 에너지 표면에 여러 최소 있다. 이온 생산의 메커니즘은 매우 복잡 하 고 키네틱 트래핑 이상의 안정적인 분자 음이온이 성체, 또는 우리의 악기에 질량 분리 되지 않은 클러스터 음이온 conformer 존재 발생할 수 있습니다. 이러한 종 일반적으로 다른 스펙트럼 서명을 하거나 식별 및이 성체/conformers의 특성을 허용 하지만 또한 수 있습니다 수 있습니다 다른 광전자 각도 분포 분석을 복잡 하 게 합니다.

EKE, 측면에서 상대적으로 낮은 해상도 기술 경향이 있다 광전자 분광학 고 이미징의 단점은 에너지 도메인 해상도 eKE 증가할수록 악화. 다른 광전자 기술에 관하여이 유니폼으로 모든 photoelectrons (반구형 에너지 분석기의 작은 입체각 컬렉션 창에 비해)51,52 를 감지 하는 능력에 대 한 무게가 될 필요가 모든 운동 에너지 (자기 병 분석기49,50 낮은 운동 에너지에 대 한 효율 감소와 비교) 통해 효율성. 설계, 실험의 제어 조건32,42, centroiding43 및 왜곡 보정42,47 달성할 수 있는 해상도 (ΔeKE/안에서) < 0.532, 견 디 다 36,,4253, 그리고 절대 해상도에서 < 1.5 cm− 1 의 매우 낮은 안에서 밀접 하 게 관련된 SEVI (느린 전자 속도 매핑된 영상) 기술54에 달성 되었습니다. 분자 종의 이온 생산 단계에 냉각 이온 트랩의 설립에 대 한 또한 크게 향상 시킬 수 있습니다 달성된 스펙트럼 분해능 채워진된 부모 음이온 내부 상태55,56의 분포를 좁혀서 .

광전자 분광학에서 VMI의 가장 유망한 응용 프로그램 중 하나입니다 가변 레이저 소스와 함께에서 사용. 스펙트럼 및 각 배포판의 광자 에너지 의존도 흥분된 음이온 상태에 관련 된 정보를 전달할 수 있습니다. 일반적으로, 이러한 상태는 전자 산란을 사용 하 여 조사 됩니다. Photodetachment 접근 전자 에너지와 결정적인 사건 전자 궤도 각 운동량 전자 중립 상호 작용에 관한 세부의 고차를 계시 하는 어떤 좋은 제어할 수 있도록 하는 대안 이다. 비 영상 photodetachment에 대 한 그러한 실험은 매우 시간 집중. 그러나, VMI의 효율은 같은 실험 가능 합니다. O2 접근의 응용 프로그램의 각도 분포57,58진동 의존도 보이고 있다. 아마도 더 글, 광자 에너지를 조정 하는 능력 수 여기를 하 고 이후에 autodetachment 통해 전자를 잃고 흥분된 음이온 상태 있습니다. 이들은 전자 중립 산란 상태입니다. 때 광자 에너지 광전자 수율에 영향을 미치는 흡수 확률 변화는 내부 레벨 (rovibronic) 흥분된 음이온의 공명으로 온다. 작업 스펙트럼 (광자 에너지의 기능으로 광전자 수율) 흥분 상태의 내부 레벨의 세부 사항을 계시 한다. 또한, 작업 스펙트럼의 해상도 레이저 해상도, 아니라 VMI 검출기에 의해 제한 됩니다. 그것은 따라서 (적어도 부분적으로) rovibronic 전환 해결 수 있습니다. 기술의 개발이 응용 프로그램 공개 위치와 자연의 다양 한 흥분, 준 AgF의 와 CuF59,60 (를 통해 각 배포판)와 회전 구조 채널2CN autodetaching 진동 수준 연관 쌍 극 자 상태61바인딩됩니다. 같은 실험에서 얻은 정보는 필수적인 바운드의 이해를 개발 하 고 준 (전자 분자 산란 공명) 부정적인 이온 상태, 문 화학 감소, 효과적인 첨부 파일 프로세스에 대 한 상태 및 이온 분자의 상호 결과 나타내는 높은 수준의 ab initio 이론적인 방법의 중요 한 테스트, 특히 그 높은 치료 어떤 상관 시스템 및/또는 비-고정 상태.

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Disclosures

저자는 아무 경쟁 금융 관심사 또는 다른 충돌 있다.

Acknowledgements

이 자료는 체-1566157에서 국립 과학 재단에서 지 원하는 작업 기반

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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