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DELICIOUS2 :

Un nouveau spectromètre polyvalent de coïncidences de photoélectrons/photoions par imagerie sur DESIRS

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Lorsqu’une molécule en phase gaz absorbe un photon VUV (ultraviolet du vide), l’un des principaux processus de relaxation qui s’en suit est la photoionisation, c’est-à-dire l’émission d’un électron et la production d’un cation moléculaire dans un état d’énergie interne donnée (électronique, vibrationnelle et rotationnelle). Souvent le cation est formé dans un état dissociatif conduisant à la fragmentation. L’énergie déposée dans le système par le photon se répartit alors entre l’énergie cinétique du photoélectron, l’énergie de translation des fragments et l’énergie interne des fragments.

Pour déterminer la façon dont cette énergie est répartie et pour comprendre les propriétés physiques (photoionisation et dynamique de la fragmentation) et physico-chimiques (potentiels d’ionisation, énergie d’apparition des fragments, enthalpies de formation) de ces processus photo-induits, on utilise différentes méthodes de détection par coïncidences photoélectrons/photo-ions (PEPICO) afin de pouvoir comprendre, par exemple, une chimie d’état à état : on sélectionne un état ionique donné en détectant un photoélectron de seuil (TPE) dont on étudie les voies de fragmentation par spectrométrie de masse (MS). Inversement, on utilise la spectroscopie des photoélectrons (PES) avec sélection de masse pour étudier le processus de photoionisation à partir d’un neutre donné.

Nous avons conçu récemment un nouveau spectromètre polyvalent de coïncidence photoélectrons/photo-ions par imagerie appelé DELICIOUS2 qui peut s’insérer dans notre enceinte à jet moléculaire, SAPHIRS, répondant ainsi à une demande scientifique importante en physique et en chimie. DELICIOUS2, qui combine un spectromètre d’imagerie de vitesse (VMI) et un spectromètre de masse à temps de vol (MS-TOF), permet d’effectuer les mesures suivantes :

  1. Spectrométrie de photoélectron (PES) résolue en angle (AR-PEPICO) avec sélection de la masse. On peut l’utiliser pour étudier les agrégats, mais également pour éliminer les artéfacts qui peuvent apparaître en PES et qui sont causés par le gaz résiduel ou les impuretés présentes dans le jet moléculaire. La résolution en énergie des électrons est de l’ordre de 5 % pour une gamme d’énergie cinétique de 0 à 17 eV ; la résolution en masse typique est supérieure à 150.
     
  2. Détection par coïncidences électrons de seuil/ions (TPEPICO) qui sert à mesurer précisément les potentiels d’ionisation, les énergies d’apparition, etc. La résolution pour les électrons est inférieure au meV.
     
  3. Imagerie d’ions avec sélection de masse qui permet d’étudier la dynamique de fragmentation des ions en donnant des informations angulaires ainsi que sur l’énergie cinétique libérée.

L’utilisation de champs d’extraction continus et la non-dépendance de la méthode avec le temps de vol des électrons sont particulièrement bien adaptées au mode multi-paquets quasi continu du Rayonnement Synchrotron. Ces avantages, combinés à la haute transmission de la détection des électrons et des ions, permettent d’obtenir un taux de comptage élevé (dizaines de kHz) et d’éliminer facilement les fausses coïncidences.
Les équipes d’utilisateurs externes et internes à SOLEIL apprécient fortement les performances de DELICOUS2, sa méthode de traitement des coïncidences particulièrement simple et sa polyvalence (par exemple, la possibilité d’effectuer des mesures d’AR-PEPICO et de TPEPICO sur un même échantillon). DELICIOUS2 est installé de façon quasi permanente dans SAPHIRS et son utilisation correspond à environ 50 % du temps de faisceau accordé sur DESIRS.

Pour plus de détails : « A Versatile Electron-Ion Coincidence Spectrometer For Photoelectron Momentum Imaging and Threshold Spectroscopy on mass-selected ions using Synchrotron Radiation », G. Garcia, H. Soldi-Lose and L. Nahon, Rev. Sci. Instrum. 80, 023102 (2009).

Contacts :
Gustavo Garcia (gustavo.garcia@synchrotron-soleil.fr)
Laurent Nahon (laurent.nahon@synchrotron-soleil.fr)

Figure 1 : Résultats d’AR-PEPICO sur un mélange Ar/Xe photoionisé à 16 eV. En haut à gauche : image électronique brute (13000 électrons/sec) sur laquelle on voit les deux états spin-orbite de l’ion correspondant aux voies 2p-1 (Ar) et 5p-1 (Xe) – la polarisation de la lumière est indiquée par les flèches blanches ; en bas à droite : spectre de MS-TOF enregistré en coïncidences (start = arrivée de l’électron, stop : arrivée de l’ion) ; en haut à droite : image électronique brute obtenue par post-traitement de l’image composite initiale en sélectionnant les événements en coïncidence avec le pic de l’ion Ar+, image inversée et le spectre PES correspondant ; en bas à droite : même chose pour le Xe.


 

Figure 2 : Résultats de TPES de l’Ar dans la région d’autoionisation spin-orbite 2p-1 obtenus avec une bande passante en photons de 0.27 meV. À gauche : schéma des états de Rydberg de l’Ar ; en haut à droite : spectre TPES obtenu sur DELICIOUS2 montrant une résolution de 0.75 meV en électrons - on ne voit que les raies de TPE ; en bas à droite : rendement d’ions Ar+ qui montre les résonnances d’auto-ionisations ns’ et nd’ correspondant à des électrons rapides.

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