La proyección de imagen del fotoelectrón de aniones ilustrado por 310 Nm la separación de F−
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para la proyección de imagen del fotoelectrón de especies aniónicas. Aniones genera en vacío y separados por espectrometría de masas son sondeados con fotoelectrón velocidad asignada la proyección de imagen, proporcionando detalles de aniones y niveles de energía neutrales, anión y estructura neutral y la naturaleza del estado electrónico del anión.
Abstract
La proyección de imagen de fotoelectrones del anión es un método muy eficiente para el estudio de Estados de energía de iones negativos encuadernados, especie neutral y las interacciones de los electrones no enlazados con átomos de las moléculas neutrales. De vanguardia en vacío técnicas de generación de aniones permiten la aplicación a una amplia gama de atomic, molecular y sistemas del anión del racimo. Estos se separan y seleccionaron con tiempo de vuelo espectrometría de masas. Se eliminan electrones por fotones linealmente polarizadas (desprendimiento de la foto) con fuentes de láser de sobremesa que ofrecen acceso a energías de excitación desde el infrarrojo al ULTRAVIOLETA cercano. Detectar los fotoelectrones con una velocidad de trazado imagen objetivo y la posición detector sensible significa que, en principio, cada fotoelectrón alcanza el detector y la eficacia de la detección es uniforme para todas las energías cinética. Espectros del fotoelectrón extraídos de las imágenes vía reconstrucción matemática usando una inversa transformación Abel revelan detalles de la distribución de estado de energía interna del anión y los Estados de energía neutro resultante. En energía cinética de electrones baja, resolución típica es suficiente para revelar las diferencias de nivel de energía del orden de algunos millielectron-voltios, es decir, diferentes niveles vibracionales de especies moleculares o spin-órbita partir en átomos. Distribuciones angulares del fotoelectrón, extraídas de la inversa de transformación Abel representan las firmas de los orbitales de electrones enlazados, permitiendo más detallado sondeo de estructura electrónica. Los espectros y distribuciones angulares también codifican detalles de las interacciones entre los electrones salientes y la especie neutral residual después de la excitación. La técnica se ilustra mediante la aplicación a un anión atómico (F−), pero también puede ser aplicado a la medición de la espectroscopia molecular del anión, el estudio de resonancias bajo mentira de aniones (como alternativa a la dispersión de experimentos) y femtosegundo ( FS) tiempo resuelve los estudios de la evolución dinámica de aniones.
Introduction
Anión del fotoelectrón imagen1 es una variante de la espectroscopia del fotoelectrón y representa una potente sonda de estructura electrónica atómico/molecular y las interacciones entre electrones y especies neutras. La información obtenida es esencial en el desarrollo de la comprensión del límite metaestable (resonancias de dispersión del electrón-molécula) negativo ion Estados, Estados de entrada de reducción química, procesos disociativos accesorio y molécula de ion interacciones. Además, los resultados proporcionan pruebas vitales de alto nivel ab initio métodos teóricos, particularmente ésos diseñados para ocuparse altamente correlacionaron y Estados no estacionarios.
La técnica combina la producción de iones, espectrometría de masas y partículas cargadas2,3,4 sensible sonda electrónica (y para moléculas pequeñas, vibracionales) estructura de la proyección de imagen. Trabajar con especies aniónicas permite buena selectividad total a través del tiempo de la espectrometría total de vuelo (TOF-MS). Visible/cerca de ultravioleta (UV) fotones son suficientemente enérgicos para eliminar el electrón sobrante, permitiendo el uso de fuentes de láser superior de tabla. Un beneficio adicional del uso de aniones es la capacidad de photoexcite bajas, inestable aniónicos Estados que representan los regímenes de energía que los electrones y átomos/moléculas neutrales interactuan fuertemente. El uso de la proyección de imagen de velocidad asignada5 (VMI) ofrece eficiencia de detección uniforme, incluso en energías cinéticas de electrones baja, controla todos los fotoelectrones expulsados y simultáneamente revela la magnitud y dirección de sus velocidades.
Los resultados experimentales son imágenes del fotoelectrón que contienen espectros del fotoelectrón (detalles de las distribuciones de energía interna de anión padres) y las energías de los Estados internos neutrales hija y distribuciones angulares del fotoelectrón (relacionados con la electrón orbital antes de la separación). Una aplicación particularmente interesante de la técnica se encuentra en estudios de tiempo-resolved de fs. Un pulso de láser ultrarrápida inicial (bomba) se excita a un estado electrónico de anión disociativos, y un segundo retrasado pulsos ultrarrápidos (sonda) temporal luego desprende electrones del anión emocionado. El control de la diferencia de tiempo de bomba sonda sigue la evolución de Estados de energía del sistema y la naturaleza cambiante de los orbitarios del sistema en la escala de tiempo del movimiento atómico. Ejemplos incluyen el photodissociation de I2− y otra especies interhalogen6,7,8,9, la fragmentación o electrón alojamiento en I−·uracil 10,11,12,13, I−·thymine13,14, I−·adenine15, I−·nitromethane16, 17 y I−·acetonitrile17 clúster aniones y la revelación de la hasta ahora inesperadamente largo plazo para la producción de aniones atómica Cu− después fotoexcitan de CuO2− 18.
La figura 1 muestra la Universidad de Washington en St. Louis (WUSTL) anión del fotoelectrón imagen espectrómetro19. El instrumento consta de tres regiones diferencialmente bombeadas. Los iones se producen en la cámara de origen que opera a una presión de 10−5 Torr y contiene una descarga de iones fuente20y placa de extracción de iones electrostático. Los iones son separados por la masa en un Wiley-McLaren TOF-MS21 (la presión en el tubo de TOF es 10−8 Torr). Detección de iones y el sondeo se lleva a cabo en la región de detección (presión de 10−9 Torr) que contiene una lente VMI5 y un detector de partículas cargadas. Los componentes principales del instrumento se ilustran esquemáticamente en la Figura 1b , donde la región sombreada representa todos los elementos contenidos en el sistema de vacío. Gas se introduce a través de la boquilla pulsada en la descarga. Para compensar la presión de entrada alta, la cámara de origen se mantiene bajo vacío usando una bomba de difusión basados en aceite. La región de descarga se ilustra con más detalle en la Figura 2a. Se aplica una alta diferencia de potencial entre los electrodos, que están aislados de la cara de la boquilla por una serie de separadores de teflón. De hecho, el teflón actúa como fuente de átomos de flúor para los resultados mostrados más adelante.
La descarga produce una mezcla de aniones, cationes y especies neutras. La placa de extracción de iones, pila de aceleración de iones, potencial interruptor y detector de microcanales (MCP) de la placa (Figura 1b) forman los 2 m largo Wiley McLaren TOF-MS. iones son extraídos mediante la aplicación de un pulso de voltaje (negativo) a la placa de extracción de iones y entonces todos los iones se aceleran a la misma energía cinética. Variación de la magnitud del pulso de extracción enfoca a la hora de llegada en el lente VMI mientras que la lente de einzel reduce la sección espacial de la viga de ion. Aniones son volver a referenciado a tierra utilizando un potencial interruptor22, el momento en que actúa como un discriminador de masa. Selección del anión se obtiene mediante la sincronización de la llegada de un impulso de fotones visibles/cerca de uv con la hora de llegada del anión en el lente de la VMI. Las regiones de separación y detección de iones usan turbopumps libre de aceite para proteger el detector de imagen.
Aniones y fotones interactúan para producir fotoelectrones en todo el volumen espacial del sólido de Steinmetz, que representa la superposición entre las vigas de iones y laser. El objetivo VMI (figura 2b) consiste en tres electrodos abiertos, cuya finalidad es asegurar que los fotoelectrones alcanzan el detector y que se mantenga la distribución del espacio del ímpetu de los fotoelectrones. Para lograr esto, diferentes voltajes se aplican al extractor y repelente tal que, sin importar el punto espacial de origen, se detectan los electrones con el mismo vector velocidad inicial en el mismo punto en el detector. El detector consiste en un conjunto de MCPs chevron-emparejado que actúan como multiplicadores de electrón. Cada canal tiene un diámetro del orden de algunos micrones, localizar la ganancia y la preservación de la posición de impacto inicial. Una pantalla de fósforo detrás de MCPs indica la posición mediante el pulso de electrones amplificados como un destello de luz que se registra con una cámara de carga dispositivo acoplado (CCD).
La sincronización y la duración de los varios impulsos de tensión necesarios son controlados utilizando un par de generadores digital delay (Director General Adjunto, figura 3). Se repite el experimento entero sobre una base del plano por plano con una tasa de repetición de 10 Hz. Para cada disparo, varios iones y fotones interactúan produciendo unos eventos de detección de cada fotograma de la cámara. Varios mil marcos son acumulados en una imagen. El centro de la imagen representa el origen del espacio de impulso y por lo tanto, la distancia desde el centro (r) es proporcional a la velocidad de un electrón. Ángulo θ (en relación con la dirección de polarización del fotón) representa la dirección de la velocidad de un electrón. Una imagen contiene la distribución de densidades de evento de detección. Por lo tanto, también puede ser visto como la representación de la densidad de la probabilidad de detección (en un momento dado) de un electrón. Invocando la interpretación de Born de la función de onda (ψ) representa una imagen | ψ | 2 para los fotoelectrones23.
La densidad de probabilidad del electrón 3D es cilíndrico simétrica sobre la polarización del vector eléctrico (εp) de la radiación con la luchando consecuente de la información. Reconstrucción de la distribución original se consigue matemáticamente24,25,26,27. La distribución radial (de electrones) en la reconstrucción es el espectro de fotoelectrones de dominio de impulso (velocidad) que se convierte en el dominio de la energía a través de la aplicación de la transformación adecuada del jacobiano.
Fotoelectrón de anión espectrómetro (figura 1) utilizado en estos experimentos la proyección de imagen es un instrumento a la medida28. La configuración en la tabla 1 y tabla 2 para el protocolo es específica para este instrumento para la producción de F− y la proyección de imagen de la distribución del fotoelectrón. Varias versiones similares del diseño se utilizan en diversas investigación Laboratorios6,29,30,31,32,33,34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42, pero no dos instrumentos son exactamente iguales. Además, opciones son fuertemente interdependientes y muy sensibles a pequeños cambios en las condiciones y dimensiones del instrumento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dos factores son particularmente críticos para el éxito del protocolo descrito. Las mejores condiciones posible velocidad de asignación deben ser determinadas y más crucial, debe producir un rendimiento suficiente y el tiempo relativamente invariante del anión deseado. Con respecto a la VMI centrándose pasos, pasos 5.2 y 5.3 deben repetirse en conjunto con análisis de imagen para determinar la condición que le da las más características de imagen (más estrechas). Ajuste fino de la tensión del electrodo (V5 y …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este material está basado en trabajo apoyado por la National Science Foundation bajo CHE – 1566157
Materials
| 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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