时间分辨电子动量谱仪的研制及相关实验

摘要

物质的微观结构，特别是原子核的空间排布和电子的密度分布，决定了其物理和化学性质。对原子分子电子结构或者轨道波函数的认识，特别是和化学性质和化学反应相关的前线轨道，直接影响了人们对化学性质的认识和化学反应机理的了解。随着泵浦-探测技术的应用，人们已经开始迈入了电子结构实时演化探测的大门，在超快动力学的研究上取得了突出的成果。电子动量谱学是一种独特的研究原子分子电子结构的实验手段，可以获得分子轨道动量空间的电子密度分布，经过几十年的发展，在动量空间分子轨道成像方面显现出其非常独特的优越性。本论文的主要工作是将泵浦探测技术和电子动量谱学技术结合在一起研制一台纳秒时间分辨的电子动量谱仪，用来探测激发态分子在演化过程中电离能和电子动量分布随时间的演化，从而研究分子激发态动力学。谱仪已经设计搭建完毕，得到了初步的调试结果。此外在日本东北大学高桥研究组联合培养期间，用该组的时间分辨电子动量谱仪对甲苯分子单重态第一激发态S1(π，π*)进行了研究，得到了S1态的电离能谱和电子动量分布。论文另外一部分工作是对分子轨道电子动量分布的振动效应的研究。对乙醇和三甲撑氧分子的电子动量谱学研究表明某些轨道的电子动量分布受分子振动的影响很大，在传统和时间分辨的电子动量谱学研究中都需要仔细考虑包括振动效应在内的各种因素对轨道波函数的影响。
　　论文的内容共分为六章，各章内容如下:
　　第一章概述了超快动力学成像概念和相关实验技术、电子动量谱学的原理和谱仪的发展以及电子动量分布理论评估需要考虑的问题，并引出了发展时间分辨电子动量谱仪的想法;
　　第二章介绍了时间分辨电子动量谱仪的设计，包括总体设计、光学系统、脉冲电子枪、能量分析器、探测器、电子学系统、供电系统和真空及磁屏蔽等。
　　第三章展示了时间分辨电子动量谱仪的初步调试结果。
　　第四章介绍了在日本东北大学联合培养期间用该组的时间分辨电子动量谱仪对甲苯分子S1(π，π*)激发态的研究结果。
　　第五章介绍了电子动量谱学方法对乙醇分子构象的实验和理论研究，考虑振动效应后，实验测量的电子动量分布和平衡构型理论计算不符合的问题得到了很好的解决。
　　第六章对三甲撑氧分子外价轨道电子动量分布的振动效应进行了详细研究，发现考虑振动效应后理论电子动量分布和实验符合的更好。
　　最后是论文的总结和对时间分辨电子动量谱学未来工作的展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超快动力学成像

1．1．1 泵浦-探测技术

1．1．2 时间分辨光电子谱学

1．1．3 超快电子衍射

1．2 电子动量谱学理论背景与发展

1．2．1 物理图像

1．2．2 理论框架

1．2．3 电子动量谱仪的发展

1．3 电子动量分布的理论评估

1．3．1 Dyson波函数与电子关联

1．3．2 构象异构

1．3．3 振动效应

1．3．4 末态核弛豫

1．3．5 相对论效应

1．3．6 扭曲波效应

1．4 时间分辨电子动量谱学和论文结构

参考文献

第2章 时间分辨电子动量谱仪的设计

2．1 谱仪总体设计

2．2 光学系统

2．3 脉冲电子枪

2．4 双环形能量分析器

2．5 位置灵敏探测器

2．6 电子学系统

2．7 供电系统

2．8 真空及磁屏蔽

参考文献

第3章 时间分辨电子动量谱仪的调试

3．1 激光器系统调试

3．1．1 钛宝石激光器Vitara-S

3．1．2 皮秒激光放大器Legend Elite

3．1．3 三倍频

3．2 (e，2e)谱仪调试

3．2．1 探测器调试

3．2．2 电子学系统测试

3．2．3 数据处理

3．2．4 2π全角度电子动量谱仪检测

3．2．5 时间分辨电子动量谱仪连续模式调试

参考文献

第4章 甲苯分子单重态第一激发态的时间分辨电子动量谱学研究

4．1 研究背景

4．2 实验条件

4．3 理论计算

4．3．1 构型优化

4．3．2 离子末态的计算和基态电离能谱的模拟

4．3．3 S1激发态

4．3．4 S1激发态Dyson轨道计算和电离能谱模拟

4．4 实验结果与分析

4．4．1 泵浦光：4 μJ／pulse

4．4．2 泵浦光：16 μJ／pulse

4．4．3 S1激发态的电子动量分布

4．5 本章总结

参考文献

第5章 乙醇分子构象的电子动量谱学研究

5．1 研究背景

5．2 实验和理论计算过程

5．3 结果与讨论

5．3．1 振动模式和频率

5．3．2 电离能谱

5．3．3 外价轨道电子动量分布

5．3．4 内价轨道电子动量分布

5．4 本章总结

参考文献

第6章 三甲撑氧外价轨道电子动量分布振动效应研究

6．1 研究背景

6．2 理论计算过程

6．3 结果与讨论

6．3．1 振动模式和频率

6．3．2 电子结构

6．3．2 分子振动对电子动量分布的影响

6．4 结论

参考文献

总结和展望

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢