Photoelectron beeldvorming van anionen geïllustreerd door 310 Nm detachement van F⁻

Anion photoelectron imaging¹ is een variant op photoelectron spectroscopy en een krachtige sonde van atomaire/moleculaire elektronische structuur en de interactie tussen elektronen en neutrale soorten vertegenwoordigt. De verkregen informatie is essentieel bij de ontwikkeling van het begrip van gebonden en metastabiele (electron-molecuul verstrooiing resonanties) negatieve deuropening staat voor chemische reductie, dissociatieve bijlage processen en ion-molecuul, ion Staten interacties. Bovendien, de resultaten bieden belangrijke tests van hoog niveau ab initio theoretische methoden, vooral die ontworpen om te gaan met sterk gecorreleerd systemen en/of niet-stationaire Staten.

De techniek combineert ion productie, massaspectrometrie en geladen deeltje imaging^2,3,4 te gevoelig sonde elektronische (en voor kleine molecules, vibrationele) structuur. Werken met anionogene soorten laat goede massa selectiviteit via tijd van flight massaspectrometrie (TOF-MS). Visible/in de buurt van ultraviolet (UV) fotonen zijn voldoende energetische te verwijderen van de overtollige elektronen, waardoor het gebruik van tabel top laser bronnen. Een bijkomend voordeel van het gebruik van anionen is de mogelijkheid om photoexcite laaggelegen, unstable anionogene staten die vormen van energie regimes waaronder de elektronen en neutrale atomen/moleculen sterk op elkaar inwerken. Het gebruik van snelheid toegewezen imaging⁵ (VMI) biedt uniforme opsporing efficiëntie, zelfs bij lage elektron kinetische energie, controleert alle uitgeworpen photoelectrons en gelijktijdig onthult de omvang en de richting van hun snelheden.

De experimentele resultaten zijn photoelectron beelden die photoelectron spectra (details van bovenliggende anion interne energiemarkt distributies) en de energieën van dochter neutrale interne toestanden en photoelectron hoekige distributies bevatten (gerelateerd aan de elektron orbitale vóór het detachement). Een bijzonder interessante toepassing van de techniek is gevonden in fs time-resolved studies. Een eerste ultrasnelle laser puls (pomp) wekt een Dissociatieve anion elektronische staat, en een tweede stoffelijk vertraagd ultrasnelle pulse (sonde) dan los van de elektronen van het opgewonden-anion. De controle van de pomp-sonde tijdsverschil volgt de evolutie van de Staten van de energie van het systeem en de veranderende aard van de orbitalen van het systeem op de tijdschaal van de atomaire resolutie. Voorbeelden zijn de fotolyse van I₂⁻ en andere interhalogen soorten^6,7,8,9, de versnippering en/of elektron accommodatie in ik⁻·uracil ^10,11,12,13, ik⁻·thymine^13,14, ik⁻·adenine¹⁵, ik⁻·nitromethane^{16, 17} en ik⁻·acetonitrile¹⁷ cluster anionen en de openbaring van de tot nu toe onverwacht lange tijdschaal voor de productie van Cu⁻ atomaire anionen na de photoexcitation van CuO₂^{− 18}.

Figuur 1 toont de Washington University in St. Louis (WUSTL) anion photoelectron beeldvormende spectrometer¹⁹. Het instrument bestaat uit drie differentieel gepompt gewesten. Ionen worden geproduceerd in de kamer van de bron die werkt bij een druk van 10⁻⁵ Torr en bevat een geen kwijting ion bron²⁰en elektrostatische ion winning plaat. Ionen zijn gescheiden door massa in een Wiley-McLaren TOF-MS²¹ (de druk in de TOF-buis is 10⁻⁸ Torr). Ion detectie en indringende plaatsvindt in de detectie-regio (druk van 10⁹ Torr) waarin een VMI lens⁵ en een geladen deeltje detector. De belangrijkste onderdelen van het instrument worden schematisch weergegeven in Figuur 1b waar het gearceerde gebied alle de elementen binnen het vacuümsysteem vertegenwoordigt. Gas is door middel van de gepulseerde mondstuk binnengebracht op het verlenen van kwijting. Ter compensatie van de hoge inlaatdruk, wordt de kamer van de bron onderhouden onder vacuüm met behulp van een olie-gebaseerde diffusie-pomp. De regio van de geen kwijting wordt geïllustreerd in Figuur 2anader. Een hoge potentieel verschil is tussen de elektroden, die zijn geïsoleerd uit het gezicht van de verstuiver door een reeks van Teflon spacers toegepast. In feite, fungeert de Teflon als de bron van fluor atomen voor de resultaten later.

Het verlenen van kwijting produceert een mengsel van anionen en kationen neutrale soorten. De ion winning plaat, de ion versnelling stack, de potentiële schakelaar en de microchannel plaat (MCP) detector (Figuur 1b) vormen de 2 m lange Wiley McLaren TOF-MS. ionen worden geëxtraheerd door de toepassing van een puls (negatieve) spanning op de ion winning plaat en Daarna worden alle ionen versneld om de zelfde kinetische energie. Variatie van de omvang van de puls extractie richt zich de aankomsttijd in de lens VMI terwijl de lens abgewohnt de ruimtelijke dwarsdoorsnede van de ion beam vermindert. Anionen zijn opnieuw waarnaar wordt verwezen aan de grond met behulp van een potentiële schakelaar²², de timing van die als een massa discriminator fungeert. Anion selectie wordt bereikt door de komst van een zichtbaar/in de buurt van UV-foton puls synchroniseren met de aankomsttijd van het anion in de VMI lens. De ion scheiding en opsporing regio’s gebruik olie gratis turbopumps ter bescherming van de beeldvorming detector.

Anionen en fotonen interactie voor de productie van photoelectrons in de ruimtelijke omvang van de Steinmetz-solid, vertegenwoordigen de overlap tussen de balken ion en laser. De VMI lens (Figuur 2b) bestaat uit drie open elektroden, waarvan het doel is om ervoor te zorgen dat alle photoelectrons de detector bereiken en dat de verdeling van de ruimte dynamiek van de photoelectrons wordt gehandhaafd. Om dit te bereiken, worden verschillende spanningen toegepast op de dampkap en repeller dusdanig dat, ongeacht het ruimtelijk punt van oorsprong, elektronen met de dezelfde beginsnelheid vector worden gedetecteerd op hetzelfde punt op de detector. De detector bestaat uit een set van chevron-matched MPPs die electron multiplicatoren fungeren. Elk kanaal heeft een doorsnede over de volgorde van een paar microns, het lokaliseren van de winst en het behoud van de positie van de eerste botsing. Een fosfor scherm achter de MPPs geeft de positie via de versterkte elektron pols als een flits van licht die is opgenomen met behulp van een gratis gekoppelde apparaat (CCD) camera.

Het tijdschema en de duur van de verschillende spanning pulsen vereist worden gecontroleerd met behulp van een paar digitale vertraging generatoren (DDG, Figuur 3). Het hele experiment wordt herhaald op basis van schot door schot met een herhaling van 10 Hz. Voor elk schot interactie verschillende ionen en fotonen produceren een paar detectie-evenementen per camera frame. Verschillende duizend frames worden verzameld in een afbeelding. Het midden van de afbeelding vertegenwoordigt de dynamiek ruimte oorsprong en vandaar de afstand van het centrum (r) is evenredig met de snelheid van een elektron. Hoek θ, (ten opzichte van de richting van de polarisatie foton) Hiermee geeft u de richting van de snelheid van het elektron. Een afbeelding bevat de verdeling van de detectie gebeurtenis dichtheden. Het kan dus ook worden bekeken als het vertegenwoordigen van de dichtheid van de waarschijnlijkheid voor detectie (op een bepaald punt) van een elektron. Inroepen van de geboren interpretatie van de golffunctie (ψ) een beeld vertegenwoordigt | ψ | ² voor de photoelectron²³.

De dichtheid van de waarschijnlijkheid 3D elektron is cilindrisch symmetrische over de polarisatie van de elektrische vector (ε_p) van de straling met het daaruit voortvloeiende versluiering van informatie. Wederopbouw van de oorspronkelijke verdeling wordt wiskundig bereikt^24,25,26,27. De radiale verdeling (van elektronen) bij de wederopbouw is het tempo (snelheid) domein photoelectron spectrum die wordt omgezet in het domein van energie via de toepassing van de juiste Jacobiaan transformatie.

Het anion photoelectron imaging spectrometer (Figuur 1) gebruikt in deze experimenten is een op maat gemaakte instrument²⁸. De instellingen in tabel 1 pt tabel 2 voor het protocol zijn specifiek voor dit instrument voor de productie van F⁻ en beeldvorming van haar photoelectron distributie. Verschillende vergelijkbare versies van het ontwerp worden gebruikt in verschillende onderzoek laboratoria^{6,29,30,31,32,33,34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42}, maar geen twee instrumenten zijn precies gelijk. Bovendien een instrumentele instellingen zijn sterk van elkaar afhankelijk en zeer gevoelig voor kleine veranderingen in de omstandigheden en de afmetingen van het instrument.