F− 의 310 Nm 분리에 의해 설명 하는 음이온의 광전자 이미징

요약

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.

초록

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, 즉, 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.

서문

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 입자^2,,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 종^6,7,,89, 조각화 및 전자 숙박 난에⁻·uracil ^10,11,,1213, 내가⁻·thymine^13,14, 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 (ε_p)의 편광에 대해 대칭입니다. 원래 분포의 재건은 수학적으로 이루어집니다^24,25,,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 악기^28입니다. 표 1 과 표 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 실험실^{6,29,30,31,32,,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.

프로토콜

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.
      
      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/r_cal)²
      어디 안에서_ref 참조 스펙트럼에서 알려진된 전환의 운동 에너지는, r_ref 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 r_0-모든 반지름 FWHM/2 + FWHM/2.
      
      여기서 I(θ)는 각 강도, r0 최대 전환의 반지름 값 이며 FWHM 전환의 방사형 범위에 걸쳐 절반 최대에 가득 차 있는 폭은.

결과

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 이기?...

토론

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 조?...

자료

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