【离子速度成像技术研究文献综述5500字】

1 3 5 6 7 离子速度成像技术是用来研究光解离产物或光化学反应产物速度分布的实 (MCP)和荧光屏(PS)组成，可以获取解离产物速度分布的位置信息，得到1.1离子速度成像技术的发展历程该技术得到改良⁹,分辨率大大提高，随后该技术被广泛运用在实验中，并不断最后在金属膜上形成各向异性的分布的图像。但由于受到当时技术限制，在玻璃壳上镀均匀的金属膜非常困难，此技术并没有得到广泛的应用。自此，大批研究光解动力学的技术层出不穷，其中具有代表性的分别是1972年K.R.Wilson等人发展的一维离子成像技术。他们使用TOF-MS测量光解产物的平动能分布⁵。1977年J.L.Linsey应用多普勒光谱技术测得离子三维速度分布的一维投影⁶。另外，将REMPI和TOF-MS相结合的方法可同时测量产物碎片的选态电离和平动能分布7。 1987年，DavidW.Chandler和PaulL.Houston等人通过实验同时测得了CH₃I解离碎片CH₃的速度分布和角度分布8,如图1.1所示。较为成熟的离子成像技术于此时兴起。碘甲烷分子CH₃I经266nm的激光解离并同时被电离，产生的碎片CH₃+经电场加速，达到探测器，实验中使用位置敏感的离子探测器微通道板(MCP)和荧光屏(PS)的结合实现了同时测量解离碎片离子的速度分布和角度分布。影像中可直接看出解离碎片CH₃角度分布平行于激光偏振方向，故母体分子呈平行跃迁的解离过程。但由于离子生成源存在空间分布，解离碎片速度分布较宽，像素密度较低，导致影像的速度分辨率较低，因此发展较高的速度分辨率的技术成必然趋势。1997年，Eppink和Parker等人⁹在一次实验中，意外收获高分辨的离子速度成像，自此，新的离子速度成像技术诞生。离子透镜，即加速电级，由传统的二级电极发展为Miley-McLaren三级电级10,存在于电级中的栅网，既降低了离子透射率，而且扰乱了离子飞行轨迹，故用中间开圆孔的电级代替栅网，实现了离子聚焦，光解后的离子，经过离子透镜电场加速，能够将速度相同空间位置不同的离子聚焦到影像上同一点，将速度大小相同方向不同的离子聚焦在影像的同一个圆上，此效果类似光学中的聚焦，因此将该技术称之为离子速度成像技术。离子透镜技术的改良，极大的推动了离子速度成像技术的成熟，提高了光解产物的速度分辨率，使实验结果更加精确。基于我们的实验装置，我们的研究对象是中性分子(包含自由基在内)或阳离子，最终获得的是阳离子的速度影像。电子、阴离子的速度影像不在我们的考离子速度成像技术通常基于两种激发机制，如图1.2所示。下面将分别介绍这两种机制。机制(1):该机制被广泛采用，简单描述为利用pump(光解)+probe(REMPI电离)机制来研究中性分子(含自由基)的光解动力学。第一束光，即pump光，与母体分子相互作用，产生碎片；第二束光，即probe光，将我们的目标碎片电离，随后我们就可以对目标离子实施探测。对于少数分子，我们可以使用一束激光，既解离母体，同时也能对产生的解离碎片进行电离。通常，在实验条件允许的情况下，用两束独立的激光分别进行解离和电离。机制(2):在该情况下，我们使用两束可调激光来研究阳离子的光解动力学研究。其中第一束激光对母体分子进行电离，产生特定量子态的母体阳离子，第二束激光对母体阳离子进行解离。以机制(1)为例，离子速度成像实验的步骤，如图1.3所示，具体分为四个步骤：1.激光与样品分子相互作用，产生自由基；1.,激光对光解产物进行电离；3.离子球到达探测器，在二维探测器上投影成像；4.从采集系统获得的二维图像中提取三维信息。Zθc)2DprojectionX<y离子速度成像技术，是指分子吸收光子能量后化学键断裂，解离产生的三维离子球投影到二维探测器上，测得的二维影像，经过转换实现三维影像的重新构建，从中得到被研究分子体系的反应动力学信息。由于激光的偏振方向对母体分子的跃迁偶极矩具有一定的准直作用，我们在实验中采用线性偏振的激光作为解interative¹⁰,BASEX¹¹,pBASEX¹2-14以及polaronion-peeling¹⁵等将有一定程度上的失真。为了避免数学变换带来的误差，2001年之后，很多新的个离子速度成像技术中，主要有共振增强多光子电离技术REMPI,离子透镜聚1.3.1离子透镜聚焦技术1955年W.C.Wiley和I.H.McLaren等人10在飞行时间质谱中加入了二级电加速电场的设计，主要是通过三块平行电极板即排斥极(Repeller)、引出极上。该技术的诞生使产物离子的速度分辨率提高4%左右，并且极大推动了分子度成像方法需要将实验得到的二维速度影像经过数学上的演算，反推其三维空间的原始分布，有一定的局限性。经过技术改良，2001年，Kitsopoulos组16提出切片成像技术(sliceimaging)。下面将重点介绍切片技术。传统的离子速度成像技术是将三维空间分布的产物投影到二维探测器，再经过反阿贝尔变换9等数值演算的方法，反推其三维空间分布的原始信息。这些数学处理方法都要求实验得到的速度影像具有圆柱对称性，若不对称则需要更加复杂的数学公式转换，并且对转换后的速度影像在中轴线附近引入很多噪音，使图像有一定程度的失真。切片技术的诞生，成功打破这一束缚条件，无需进行数学转换，从实验上直接获取解离产物的三维空间分布的原始信息。例如，2001年，Kitsopoulos组16提出切片成像技术(sliceimaging),也称为时间延迟切片法 (Time-lagSlicing),其具体过程为在真空腔体内实验体系分子与激光相互作用，产生的解离碎片在无电场空间自由膨胀，然后加入均匀电场，离子被聚焦到探测器。利用高压脉冲发生器，可以对离子球进行一系列的选择性探测，通常选取离子球半径最大处的切片。切片得到的三维离子速度影像，经过处理，可直接得到解离产物的平动能分布和角分布。在该技术的基础上，应不同实验的需求，各种各样的切片技术先后诞生，如美国Arthu技术、台湾刘国平小组¹⁹发展的time-slicedmapimaging等，下面将具体介绍不同类型的切片技术：1.照相机切片(图1.4a):解离产物被电离后形成的离子球在均匀加速电场的作用下，到达探测器，此时用时间分辨率为1ns的CCD相机来记录离子达到探测器的时间，选择所需要的离子球部分，继而实现切片。Dinu等人20就是采用该方法用飞秒脉冲激光研究I2分子离子的库伦爆炸。2.光学切片(图1.4b):在双光束实验中，适当调节解离光和电离光的时间、空间延迟，在解离碎片离子化时作速度切片，这种方法称为光学切片法21。该方法在离子产生时，选择性的离子化二维的速度分布，故不用在探测器上设置质量门。1994年，Tonokura和Suzuki²¹首次使用了光学切3.多普勒切片(图1.4c):该方法是利用多普勒效应来实现速度切片，不需在探测器上加质量门。具体操作是电离光沿着TOF方向传播，调节其波长，选择沿飞行方向速度分量为零的产物。但该方法要求激光的线宽很窄，并且电离光会直接射入探测器，在实验上有一定的难度。Arikawa4.高压直流电场切片(图1.4d):该方法主要是通过增加离子透镜的电极片个数，来减小离子产生处的电场，增大单个离子球到达探测器的时间差 (一般为400ns左右),然后在探测器我们所需要的离子球切片。刘国平组¹⁹和Arthur.G.Suits组18所设计的离子透镜系统，可以使离子球到达探测器的时间提高到200-500ns,离子透镜由31块电极板组成，达到较好的切片效果。5.脉冲引出场时间延迟切片(图1.4e):该方法是将解离碎片经电离产生的离子球在无电场情况下自由膨胀一段时间(通常为200-800ns),然后在脉冲电场的作用下到达离子透镜，我们在探测器上加时间宽度很窄aCdIeD1.4离子速度成像技术的应用离子速度成像技术是光解动力学研究的核心手段，利用激发机制(1),实现O(S),卤素原子F、Cl、Br、I,有机分子CH₂CHCHCH₃用于母体分子，母体分子吸收光子能量，C-Br键断裂，解离产生碎片溴，同时用(2+1)REMPI对解离产物溴进行探测，获得Br离子的速度影像。对Br离子速度影像进行数据分析，可以得到解离碎片Br的速度分布和角度分布。根据实验结果，我们不仅得到了母体分子在光解过程中的标量关系，如Br原子的平动能分布等信息，而且可以得到各矢量之间的关系，如Br原子的解离方向与解离(2)反应动力学领域的应用离子速度成像技术在反应动力学领域应用广泛，例如Buntine等人27用离子速度成像技术研究了H+HI→H₂+I的碰撞反应，最终得到H原子的速度分布。另外，Welge等人28在H+D₂→HD+D碰撞反应中，通过探测D原子的速度成1.A.G.SuitsandR.E.Continetti,ImaginginChemiUser'sGuide).(CambridgeUniversityPress,Cambridge,2003).3.J.Solomon,J.Chem.Phys.47,889(1967).4.J.Solomon,C.Jonah,P.Chandra,andR.Bersohn,J.Chem.Phys.55,5.G.E.BuschandK.R.Wilson,J.Chem.Phys.56,3638(1972).6.J.L.Kinsey,Chem.Phys.66,2560(1977).7.G.E.Hall,N.Sivakumar,R.Ogorzalek,G.Chawla,H.-P.HaerriBurak,andJ.W.Hepburn,Roy.Soc.Chem.FaradayDiscuss.82,13(1986).8.D.W.ChandlerandP.L.Houston,J.Chem.Phys.87,1445(1987).9.A.T.J.B.EppinkandD.H.Parker,Rev.Sci.Instrum.68,3477(19910.W.C.WileyandI.H.McLaren,Rev.Sci.Instrum.26,1150(1955).11.B.J.Whitaker,ImageReconstruction:TheAbelPress,NewYork,2000).11.M.J.J.Vrakking,Rev.Sci.Instrum.13.V.Dribinski,A.Ossadtchi,V.A.Mandelshtam,andH.Reisler,Rev.Sci.Instrum.73,2634(2002).14.G.A.Garcia,L.Nahon,andI.Powis,Rev.Sci.Instrum.715.G.M.Roberts,J.L.Nixon,J.Lecointre,E.Wrede,andInstrum.80,053104(2009).16.C.R.Gebhardt,T.P.Rakitzis,P.C.Samartzis,V.Ladopoulos,andT.N.Kitsopoulos,Rev.Sci.Instrum.72,3848(2001).17.D.P.Baldwin,M.A.Buntine,andD.W.Chandler,J.Che18.D.Townsend,M.P.Minitti,andA.G.Suits,Rev.Sci.Instrum.74,2530(2003).19.J.J.Lin,J.Zhou,W.Shiu,andK.Liu,Rev.Sci.Instrum.74,2495(2003).20.L.Dinu,A.T.J.B.Eppink,F.Rosca-Pruna,H.L.Offerhaus,W.J.vanderandM.J.J.Vrakking,Rev.Sci.Instrum.73,4206(2002).21.K.Ton