离子速度影象技术.doc

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1、第二章离子速度影象技术概述§2.1离子速度影象技术的发展用成象技术研究反应或光解产物空间分布的思想可以追朔到三十多年前哥伦比亚大学的J.Solomon和R.Bersohn［l-2］述的一种他们称Z为“光解影彖”(photolysismapping)的方法。在实验中用汞灯光解浪或碘，光解池是一个镀Te的半球型玻璃壁，光解产生的卤素原子在金属膜上蚀刻，显现出各向异性的图象。这种各向异性就是由于原子的反冲速度和解离分子的跃迁矩关联所致。当时虽然光解图象方法被应用于具它各种分子的解离动力学研究，但从来不是一个很好的定量技术

2、，因为在半球面上镀一层很好定性和均匀的膜非常困难。但从那时起，齐种方法被引进用于光解动力学的研究。Wilson和他的同事［3］最先用平动能光谱测量了光解碎片的平动能。后來乂发展出REMPI-TOFMS技术［4］和多普勒光谱技术［5］,但这两种技术都只能测量速度分布在一个方向上的投影。在80年代后期发展起来的离子成象技术［6］,是将三维的光解散射过程投影到二维平面进行成象，再通过数学变换方法，重构其三维空间强度分布，实现了用二维的成彖提供三维空间上的分子反咸动力学信息。这种技术就是在飞行时间质谱仪(T0FMS)的装置

3、上，以位置墩感的微通道板(MCP)作为探测器，在其后连接荧光屏和CCD相机來实现。Chandler等人［6］率先利用REMPI探测技术得到了态分辨的产物速度分布的二维图象。随后，离子成象技术就在许多实验室被应用。但是，由于激光与分子束垂直交叉作用时在激光的传播方向上会形成一定宽度的离子源空间分布，这对离子的速度分辨造成了模糊，离子成象技术一直受到分辨率低的困扰。1997年Eppink和Paker［7］对离子加速电极板做了一个简单而乂有意义的改进，即用Wiley-McLaren的三级电极代替了传统成象装置的二级电极，

4、用中间开圆孔的极板代替栅网，使电场形成类似于光学聚焦的电子学透镜［8］,即“离子透镜(ionlens)”,使光解作用区空间分布中处在不同位置而具有相同速度的离子聚焦在同一点上，这就是当前特别热门的“离子速度影象”(ionvelocitymapimaging）o离子速度影象技术的引进，不仅使速度分辨率得到极大的提高，而且提高了离子通过率，使得更精确的研究分子反应动力学成为可能。§2.2离子速度影象技术的基本原理图2.1是离子成象实验的基本原理图。分子与偏振激光相互作用时，跃迁偶图2.1离子成象实验原理图左图农示一个平

5、行跃迁的激发分子快速解离后沿激光偏振方向的空间分布；中间图表示左图在二维平而的投影；右图表示对二维平而投影（中间图）进行逆Abel变换后重构三维空间的强度分布图极矩矢量方向与解离激光偏振方向平行的分子容易吸收光子发生解离，解离的碎片以解离激光的偏振方向形成一定的分布，如图2.1中左边图所示。实验中通过一个平行的电场将解离电离后的碎片离子推到一个二维探测器上成象，如图2.1屮中间图所示。离子成彖实验屮直接的实验结杲就是碎片的三维空间分布在探测器表而的二维投影。在光解反应中，解离的碎片的空间分布沿跃迁偶极矩方向具有圆柱

6、对称性（如第一章图1.1所示），实验中通常采用线偏振激光并让激光的偏振方向平行丁•探测器的表面，所以离子成象得到的实验结果是一个圆柱对称的三维空间分布在平行丁对称轴的平面上的投影。这样的投影，可以通过数学处理方法一逆Abel变换来重新构造其三维空间的强度分布，如图2.1屮右边图所示,从而获得离子在三维空间上的分布信息。在重构的三维分布屮，对每一速率进行角度积分，可得到速率分布P（v）o同样，对每一个角度进行速率积分，可得到角度分布强度，而根抑式(1-16),便可得到各向异性参数B。§2.3离子速度影象技术中的基本理

7、论§2.3.1REMPI方法REMPI方法已经在第一章中进行了描述。在多光子电离过程中，常用达到中间共振态所需耍吸收的光子数冃N和随后电离所需要吸收的光子数冃MZ和来描述。图2.2显示的是(2+1)REMPI过程。REMPI所需耍的激光功率很大程度iplonizationCcntinuum::

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10、>图2.22+1共振增强多光子电离示意图分子或原子共振吸收两个光子激发到一个屮间电子态，然后吸收第三个光子使其电离。地依赖于共振中间态需要的光子数冃。对于(1+1)电离过程，所需要的峰值功率为10°W数

11、量级，而对于(3+1)电离过程，所需要的峰值功率为10°W数量级。对于电离步骤，在大多数实验过程中都是单光子过程，是因为理想的共振中间态是里德堡电子态中的某个振动能级，这个能级上被激发的电子与分子“内核”的相互作用很弱，电离儿率就很大。虽然(2+1)或(3+1)等多光子过程需要的激光功率比(1+1)过程需要的功率要高，但在实际实验或操作中依1口常见，这是由于