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摘要

我们提出了一种技术，允许分子束中存在的不同构象体或星团的空间分离。静电偏转器用于按质量与偶极时比将物种分开，从而产生单一构象器或聚类气相的气相合奏。

摘要

气相分子物理和物理化学实验通常使用超音速膨胀通过脉冲阀门生产冷分子束。然而，这些光束通常包含多个构象和星团，即使在低旋转温度下也是如此。我们提出了一种实验方法，允许分子束膨胀的这些成分的空间分离。使用电动偏转器，光束按质量与偶极态的瞬时比分离，类似于弯管或电扇形质谱仪，根据质量与电荷比在空间上分散带电分子。这种偏转器利用了同质电场中的斯塔克效应，并允许分离单个物种的极性中性分子和星团。此外，它允许选择分子束中最冷的部分，因为低能旋转量子态通常经历最大的偏转。由于功能组的不同排列，物种的不同结构同构体（构造体）可以分离，从而导致不同的偶极时刻。这些被静电偏转器利用，用于从分子束中生成符合纯样品。同样，也可以选择特定的聚类测定，因为特定星团的质量和偶极时刻取决于母分子周围的沉降程度。这允许对特定的星团大小和结构进行实验，从而能够系统地研究中性分子的索尔夫。

引言

现代气相分子物理和物理化学实验通常使用目标分子的超音速膨胀在分子束内产生旋转冷分子样本。然而，即使在1K的低旋转温度下，大分子仍然可以在光束1内保持多个构象。同样，在光束源中产生分子簇不会导致单一物种，而是形成"聚类汤"，其中含有许多不同的聚类聚变，以及剩余的纯父分子。这使得对这些系统的研究变得困难，因为这些系统需要新的技术，如分子轨道2成像，分子帧光电子角分布3-5 或电子6-10 和X射线衍射11-13， 因为这些需要纯，一致，同质的样品在气体相。

虽然现在可用于在气相（如 离子移动漂移管14，15）中分离带电物种的不同构象体和带电聚类的带电聚类，但这些技术不适用于中性物种。我们最近证明，使用静电偏转装置16，17可以克服这些问题，从而能够分离分子构象器和星团，并产生旋转冷分子束。

静电偏转是一种经典的分子束技术，其起源可以追溯到18，19年。斯特恩于1926年20年提出了利用静电偏转分离量子态的第一个想法。虽然在高温下对小分子进行了早期实验，但我们证明了这项技术在16，21年低温下应用于大极分子和星团。

由于潜在能量的空间差异，极地分子在异质电场（E）内产生力。这种力 figure-introduction-732 取决于分子的有效偶极极时刻，μ eff，可以评估为

figure-introduction-882 (1)

由于不同的分子构象器通常具有不同的偶极态时刻和不同数量的溶剂分子在集群中导致不同的团团质量和偶极位，这些物种将经历不同的加速度在强大的同位素电场的存在。因此，来自同质电场的斯塔克效应力可用于构合体和量子态22的分离。这表示在图1中，显示计算的斯塔克曲线为J = 0，1，2旋转状态的cis和转符合 3 氟酚， 分别.这导致μ eff的巨大差异，如图1c和1d所示，因此两个符合者在异构电场中经历了不同的加速度。因此，静电偏转装置可用作质量与二极位的瞬间比（m/μ eff）分离器，与质谱仪类比，充当质量电荷比（m/z）滤波器23。

此外，这些技术允许旋转量子状态24，25的分离。由于地面旋转状态（ 图1a 和 1b中的蓝色曲线）显示最大的斯塔克移位，这些将偏转最多，可以在空间上从高 J 状态17的分子分离。因此，分子束中最冷的部分可以选择，显著有助于许多应用，如目标分子17、26-28的对齐和方向。

在这项贡献中，我们展示了静电偏转装置如何用于空间上分离不同种类的大型极地分子和星团。示例数据用于生成单个构象器的纯光束和定义明确的大小和比率的溶解剂集群。具体来说，我们提供3氟酚的数据，其中只含有转顺从器的纯光束，在鞋底水簇上，鞋底（H2O）1簇可以在空间上与水分离，鞋底，鞋底（H2O）2等。

研究方案

1. 实验设置的描述

气相分子束设置和偏转器的示意图显示在 图221中。它包括

  1. 含有分子样本的脉冲偶拉维阀29。 只要形成冷分子束（O（1 K），其他脉冲分子束阀就可以同样使用。以下参数是特定于使用偶拉维阀门的。在此处介绍的实验中，阀门以 20 Hz 重复率运行，背压高（氦在 50 酒吧），并扩展到真空室，疏散到< 10-6 mbar。
  2. 分子束掠过器（直径2毫米）位于阀门下游22厘米处，将分子束合在一起，导致脉冲阀阀与真空系统其他部分之间的差别泵送条件。
  3. 掠过后，分子立即进入静电偏转装置。这包括一根杆（半径3.0毫米）和一个槽（曲率3.2毫米的半径），每个24厘米长。设备中心电极之间的垂直间隙为 2.3 mm。0-26 kV 之间的潜在差异应用在杆和槽之间，产生一个强大的异构电场，几乎恒定的场梯度30，如 图 2的开始所示。
  4. 直接在偏转分子通过第二次掠过进入相互作用区域后，提供进一步的差分泵送阶段。
  5. 交互区域（疏散到压力<10-9 毫巴）包含标准的威利-麦克拉伦飞行时间（TOF）设置。分子通过在提取区域中心、转速器和提取器电极之间的聚焦激光脉冲电电化。产生的离子加速向多通道板 （MCP） 探测器移动，该探测器记录到质量谱。
  6. 激光脉冲来自 Nd：YAG 泵染料激光器，提供大约 283 nm（鞋底实验）或 272 nm（3 氟酚实验）的典型输出波长以及几 mJ 的脉冲能量。脉冲持续时间在 10 nsec 的顺序上，脉冲以 f = 750 mm 镜头聚焦，在交互区域的点大小为 +100 μm。
  7. 正时序列由提供主时钟的数字延迟生成器控制。这触发了 Nd：YAG 激光（闪光灯和 Q 开关）、脉冲阀和用于记录质谱的数字化卡。
  8. 质谱记录在数字化卡上，与激光 Q 开关同时触发。分子束密度从记录的飞行时间光谱中适当的质量门中提取。

2. 符合者选定分子束的生产和特征

  1. 目标分子的冷分子束 是通过 超音速膨胀产生的，其特征是使用空间（x，y方向）和时间（z方向）分析。
  2. 用化学样品装载脉冲阀的样品储液。将固体样品溶解在适当的溶剂中，并在插入样品盒的一小块滤纸上放置几滴。将液体样品直接放在滤纸上。
  3. 使用高纯度高压背气生产超音速膨胀。调整阀内样品储层的温度，使样品的部分压力约为10毫巴。
    注意：对于液体样品，通常无需加热。阀门打开时间取决于所使用的脉冲阀的确切模型，因为这里介绍的实验中，Even-Lavie 阀的电动脉冲持续时间为 10 μsec。
  4. 将产生的分子束与静电偏转器关闭进行特征。将电流激光器设置为已知波长，以便样品特定构象器的共振增强多光子电电增电 （REMPI）。通过监测 MCP 探测器上的总母离子产量，作为阀-激光延迟的函数，记录分子束脉冲的时间轮廓。
  5. 修复阀门激光延迟在最大强度的位置，为所有后续测量。
  6. 通过监测总母离子产量作为激光对焦 y 位置的函数，记录分子束的横向空间剖面。通过将对焦镜头垂直于激光传播方向来达到此目标，使对焦相对于分子束朝 y 方向移动。
  7. 重复对光束中所有感兴趣的构象体的时间和空间分析。
    注意：这些通常具有明显的 REMPI 共振，因此每个符合者都可以单独进行探测。但是，在没有偏转场的情况下，所有构象器的时间和空间轮廓是相同的。
  8. 偏转光束的特征。打开偏转器的高压电源，并记录所有等位器的空间配置文件。现在，这些应根据质量与二极位的瞬间比率进行偏转。
    注意：对于出现大偏转的物种，可能需要立即在偏转器之后移动掠过物，以确保偏转光束向检测区域的良好传输。
  9. 通过确保相互作用（例如交叉激光束）在分子束中只包含感兴趣的物种的一部分内进行对分子束的构合体或大小选择部分的实验。

结果

静电偏转技术已成功地应用于结构同构体16和中性星团21的分离，以及生产旋转量子态选定的分子样本31。我们用具有代表性的结果来证明这一点，即分离3氟酚的顺从和反式符合物，以及选定的尺寸（H2O）n集群。

3-氟酚符合者在分子束中与50根氦气的超音速膨胀分离。个别物种通过其独特的REMPI共振约272纳米32

讨论

在整个手稿中，假设熟悉超高真空组件、脉冲分子束阀门和激光源，并始终遵守相关的安全程序。在为偏转器处理高压电极时，需要特别小心。它们的表面需要抛光到高标准，并且必须绝对清洁，以避免在真空室内弧形。在首次使用之前，电极应在真空下调节。施加的电压缓慢增加，电流通过电极测量。电极不应绘制电流（最多按几个 nA 的顺序），与施加的电压无关。逐步增加应用电压的典型调理时间表如下：...

披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

这项工作得到了德国福雄斯格梅因沙夫特的卓越集群"汉堡超高速成像中心——原子尺度上的物质结构、动力学和控制"和赫尔姆霍尔茨虚拟研究所的"多维景观中的动态路径"的支持。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Vacuum systemvarious, e.g. Pfeiffer Vacuum, Varian, Edwards, Leybold
Dye laser systemvarious, e.g. Coherent, Spectra Physics, Syrah, LIOP-TEC, Radiant Dyes…
Pulsed valveEven-Lavie
High voltage power supplyeg. FUGHCP 14-20000
DeflectorCustom made
Time-of-flight spectrometerJordan TOFC-677
TOF power supplyJordan TOFD-603
Focusing lensThorlabsLA4745
Translation stagee.g. Vision Lasertechnik8MT167-25
Digitizere.g. AgilentAcquiris DC440
Digital delay generatorStanford SystemsSRS DG645
Molecular beam skimmerBeam Dynamics Inc.http://www.beamdynamicsinc.com/

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