【《离子速度成像技术研究文献综述》5500字】

离子速度成像技术研究文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u314011.1离子速度成像技术的发展历程 171941.2离子速度成像技术的机理 3162021.3离子速度成像技术的基本原理 515641.3.1离子透镜聚焦技术 629951.3.2切片（Slicing）技术 7274481.4离子速度成像技术的应用 10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验技术1,2。该技术实现了同时记载解离产物的速度大小和方向，将实验得到的速度影像，经过数据拟合，得到其平动能分布和角分布。离子透镜、微通道板（MCP）和荧光屏(PS)是实现该技术的重要组成部分。离子透镜中的电场将解离产物进行速度聚焦并加速引出，经过自由飞行区，到达探测系统，探测器主要是微通道板（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，得到解离产物的速度影像。由于该技术具有很高的速度分辨率，在反应动力学领域被广泛采用。1.1离子速度成像技术的发展历程离子速度成像技术历史悠久，经过几十年的发展，成为反应动力学领域至关重要的实验技术。其发展大概分为两个阶段，以1997年为分界点。1997年之前，离子速度成像技术分辨率低，相对其它实验技术，没有优越之处。1997年之后，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，并不断被改良用于不同的实验研究。最初的萌芽起源于上世纪六零七零年代，J.Solomon等人3,4开展的卤素分子光解实验。他们利用独有单质碲元素的半球形玻璃壳作为光解容器，把汞灯作为光源，光解产生的卤素原子，其反冲速度方向和母体分子的跃迁偶极矩近似平行，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。图1.1碘甲烷光解产生的CH3(v=0)图像，引自Ref8。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。1.2离子速度成像技术的机理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察范围。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。图1.2机制（1）先解离再电离，机制（2）先电离再解离。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。图1.3A：离子速度成像实验过程示意图，B：离子速度成像的离子透镜系统和离子探测系统。分子束通过离子透镜电极片的小孔在R和E电极之间被激光束解离并电离。离子被加速通过G电极在后面的探测器上成像和记录。1.3离子速度成像技术的基本原理离子速度成像技术，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离光，解离产物的速度分布和角度分布相对于激光的偏振方向呈现一定的对称性。传统的离子速度成像技术需要使用inverseAbeltransformation9，interative10,BASEX11,pBASEX12-14以及polaronion-peeling15等将实验中测得的二维影像转换成三维影像，但这些数学变换方法要求解离产物空间分布三维离子球具有圆柱对称性，并且转换后的影像在中轴线附近会人为引入很多噪声，影像会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，很多新的离子速度成像技术蓬勃发展，其中Kitsopoulos组16首次提出切片成像技术即时间延迟切片法，直接测得解离产物的三维离子球信息，从而获得动力学信息。整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，离子透镜聚焦，飞行时间质谱TOF-MS和切片技术等。下面将重点介绍离子透镜聚焦技术和切片技术。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场，解离产物在该电场中电离，产生的离子通过该电场被加速引出。整个加速电场分为离子生成区和离子加速区，通过调节两个区域的电场强度比例，提高飞行时间质谱的分辨率。但由于电场中的电极板含有栅网，栅网既降低了离子的透过率，又影响了离子的飞行轨迹，因此实验分辨率并不高。为了克服栅网给实验带来的不好影响，单栅网离子透镜17的诞生在一定程度上提高了实验分辨率，增加了离子透过率，减弱了栅网对离子飞行轨迹的影响。随着研究技术的不断改进和科学家们的不懈努力，Eppink和Parker9于1997年提出离子速度成像的概念，其加速电场的设计，主要是通过三块平行电极板即排斥极（Repeller）、引出极(Extractor)、接地极(Ground)来把离子引出至二维探测器。巧妙之处在于，他们移除了栅网，采用中间带圆孔的电极板，使离子的透过率大大提高，避免了栅网对离子飞行轨迹的扭曲。通过调节平行电极板间的电场强度比例，离子到达探测器的位置只与离子的初始速度有关，与其初始位置无关，速度相同的离子聚焦到探测器MCP上的同一点，速度大小相同的离子聚焦到探测器MCP上的同一个圆上。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反应动力学的发展，引发了利用该技术研究产物速度分布的热潮。传统的离子速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。1.3.2切片（Slicing）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Arthur.G.Suits小组18发展的DCsliceimaging技术、台湾刘国平小组19ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Townsend</Author><Year>2003</Year><RecNum>418</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">13</style></DisplayText><record><rec-number>418</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="05ewaewsy5zef9esx9pxtfrxva2ewdt9s0rs">418</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Townsend,Dave</author><author>Minitti,MichaelP.</author><author>Suits,ArthurG.</author></authors></contributors><titles><title>Directcurrentsliceimaging</title><secondary-title>ReviewofScientificInstruments</secondary-title></titles><periodical><full-title>ReviewofScientificInstruments</full-title><abbr-1>Rev.Sci.Instrum.</abbr-1></periodical><pages>2530-2539</pages><volume>74</volume><number>4</number><keywords><keyword>photodissociation</keyword><keyword>nitrogencompounds</keyword><keyword>chlorine</keyword></keywords><dates><year>2003</year></dates><publisher>AIP</publisher><urls><related-urls><url>/link/?RSI/74/2530/1</url><url>/getpdf/servlet/GetPDFServlet?filetype=pdf&id=RSINAK000074000004002530000001</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1063/1.1544053</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>发展的time-slicedmapimaging等，下面将具体介绍不同类型的切片技术：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。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首次使用了光学切片离子成像法。Parker9等人使用了点-片几何（dot-sheetgeometry）成功实现光学切片。Suits18小组也通过点-点几何得到光学切片成像。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。Arikawa等人22使用了该方法进行切片，但电离光的传播方向与TOF方向不是完全重合。另外Chandler等人23在交叉分子束实验中采用了这项技术。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），然后在探测器上加几十纳秒宽的脉冲高压，获取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，使得最后得到的离子速度成像分辨率高。我们组采用的就是该实验技术，离子透镜由31块电极板组成，达到较好的切片效果。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的时间门，实现离子球切片。这也是Kitsopoulus等人16首次提出的切片方法。图1.4获得牛顿球中心切片的实验方法，引自Ref18。1.4离子速度成像技术的应用离子速度成像技术具有速度分辨率高、使用方便等优点，既可以应用在有离子产生的实验，如光电离，离子分子反应，光致电离，电子轰击等，同时也可以应用在有中性产物的实验，如反应散射，光分解，分子束的偏折等实验过程，然后通过共振增强多光子电离技术（REMPI）对产物进行电离，继而用离子速度成像技术进行探测。下面分别介绍该技术在光解动力学和反应动力学领域的应用。光解动力学领域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），实现对目标分子解离后再电离，目前已被成功探测的分子较多，如氧原子O(1D)、O(3P)、O(1S)，卤素原子F、Cl、Br、I，有机分子CH2CHCHCH3、C3H7等。分子离子的成像研究较少，主要由OCS+,ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Chang</Author><Year>2005</Year><RecNum>521</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">30</style></DisplayText><record><rec-number>521</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="05ewaewsy5zef9esx9pxtfrxva2ewdt9s0rs">521</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Chang,ChuShuan</author><author>Luo,Chu-Yung</author><author>Liu,KoPin</author></authors></contributors><titles><title>ImagingtheMode-SelectedPredissociationofOCS+[(v1v2v3)B̃2Σ+]</title><secondary-title>TheJournalofPhysicalChemistryA</secondary-title></titles><periodical><full-title>TheJournalofPhysicalChemistryA</full-title><abbr-1>J.Phys.Chem.A</abbr-1></periodical><pages>1022-1025</pages><volume>109</volume><number>6</number><dates><year>2005</year></dates><publisher>AmericanChemicalSociety</publisher><isbn>1089-5639</isbn><urls><related-urls><url>/10.1021/jp040717z</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1021/jp040717z</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>24C2H5Br+,25CF3I+,ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Aguirre</Author><Year>2003</Year><RecNum>630</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">35</style></DisplayText><record><rec-number>630</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="05ewaewsy5zef9esx9pxtfrxva2ewdt9s0rs">630</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>F.Aguirre</author><author>S.T.Pratt</author></authors></contributors><titles><title>Ion-imagingofthephotodissociationofCF[sub3]I[sup+]</title><secondary-title>TheJournalofChemicalPhysics</secondary-title></titles><periodical><full-title>TheJournalofChemicalPhysics</full-title><abbr-1>J.Chem.Phys.</abbr-1></periodical><pages>6318-6326</pages><volume>118</volume><number>14</number><keywords><keyword>organiccompounds</keyword><keyword>positiveions</keyword><keyword>photodissociation</keyword><keyword>photoelectronspectra</keyword><keyword>timeofflightmassspectra</keyword><keyword>multiphotonprocesses</keyword><keyword>photoionisation</keyword></keywords><dates><year>2003</year></dates><urls><related-urls><url>/link/?JCP/118/6318/1</url><url>/10.1063/1.1559679</url></related-urls></urls></record></Cite></EndNote>26等。本论文中，我们研究了溴代芳香烃的光解动力学研究。具体过程为：激光作用于母体分子，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激光偏振方向之间的关系等。这些信息的获得将有利于我们理解母体分子在光解过程的解离机理，并获得其势能面方面的重要信息。(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的碰撞反应，最终得到H原子的速度分布。另外，Welge等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Schnieder</Author><Year>1991</Year><RecNum>647</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">45</style></DisplayText><record><rec-number>647</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="05ewaewsy5zef9esx9pxtfrxva2ewdt9s0rs">647</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Schnieder,L.</author><author>Seekamp-Rahn,K.</author><author>Liedeker,F.</author><author>Steuwe,H.</author><author>Welge,K.H.</author></authors></contributors><titles><title>HydrogenexchangereactionH+D2incrossedbeams</title><secondary-title>FaradayDiscussionsoftheChemicalSociety</secondary-title></titles><periodical><full-title>FaradayDiscussionsoftheChemicalSociety</full-title><abbr-1>FaradayDiscuss.Chem.Soc.</abbr-1></periodical><pages>259-269</pages><volume>91</volume><dates><year>1991</year></dates><publisher>TheRoyalSocietyofChemistry</publisher><isbn>0301-7249</isbn><urls><related-urls><url>/10.1039/DC9919100259</url></related-urls></urls></record></Cite></EndNote>28在碰撞反应中，通过探测D原子的速度成像，获得了转动分辨的微分反应截面。随后，越来越多的实验小组开展该方面的研究。参考文献：1. A.G.SuitsandR.E.Continetti,ImaginginChemicalDynamics.(AmericanChemicalSociety,Washington,DC,2000)1. B.J.Whitaker,ImaginginMolecularDynamics:TechnologyandApplications(AUser’sGuide).(CambridgeUniversityPress,Cambridge,2003).3. ADDINEN.REFLISTJ.Solomon,J.Chem.Phys.47,889(1967).4. J.Solomon,C.Jonah,P.Chandra,andR.Bersohn,J.Chem.Phys.55,1908(1971).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.Haerri,P.L.Houston,I.Burak,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(1997).10. W.C.WileyandI.H.McLaren,Rev.Sci.Instrum.26,1150(1955).11. B.J.Whitaker,ImageReconstruction:TheAbelTransform.(OxfordUniversityPress,NewYork,2000).11. M.J.J.Vrakking,Rev.Sci.Instrum.72,4084(2001).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.75,4989(2004).15. G.M.Roberts,J.L.Nixon,J.Leco