In situ characterization of a cold and short pulsed molecular beam by femtosecond ion imaging

文献情報

出版日 2009-03-14
DOI 10.1039/B822960K
インパクトファクター 3.676
著者

Daniel Irimia, Rob Kortekaas, Maurice H. M. Janssen


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要旨

In this paper we report on the in situ characterization of the cold velocity distribution of a pulsed molecular beam produced by a novel cantilever piezo valve. The velocity distribution is measured at various temporal positions within the pulsed expansion using femtosecond velocity map ion imaging. It is shown that the universal detection of molecules by multi-photon femtosecond velocity map ion imaging can provide directly the velocity distribution with excellent velocity resolution. The novel cantilever piezo valve can operate both in continuous (DC) and pulsed mode without any modification using the same drive electronics. Pulsed operation was tested at repetition rates of 20 Hz, 1 kHz and 5 kHz and a conical nozzle 200 μm in diameter. The cantilever valve produces a pulsed molecular beam of translationally cold molecules at modest backing pressures of about 6 bar. At low to medium repetition rates (20–1000 Hz) the pulsed piezo valve produces pulses of 12–40 μs duration of translationally cold seeded beams of helium and neon with speed ratios up to S = 135 (20 Hz, 0.1% CD3I in neon) and S = 55 (1 kHz). At the highest tested repetition rate of 5 kHz, the speed ratio obtained for the same seeded beam is reduced to about S = 45. This is still more than a factor of two better than the speed ratio S = 21 measured for a continuous beam produced with the same nozzle at 0.5 bar backing pressure. The cold velocity distribution of the pulsed beam expansion as compared to a continuous beam expansion is beneficial for improved spatial resolution in velocity map ion imaging experiments at high repetition rates of 1–5 kHz. The cantilever piezo valve has a simple design and may find broad applicability in areas where short gas pulses are warranted because of limited pumping speed, the effective use of (expensive) samples or the production of translationally and internally cold molecular beams at high repetition rate. When operating the piezo valve at high backing pressures of 15–30 bar extensive clustering of the low percentage (0.1–0.5%) seeded molecules in He and Ne carrier gasses can be produced of interest for cluster research.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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