[论文解读] The Kinetic Energy of PAH Dication and Trication Dissociation Determined by Recoil-Frame Covariance Map Imaging

Jason W. L. Lee, Denis S. Tikhonov+29 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 54被引用 16

一句话总结

本研究利用PImMS2多质量速度映像传感器进行反冲参考系协方差图成像，探究多环芳烃（PAH）双正离子和三正离子解离过程中的总动能释放（TKER）。该方法实现了对双正离子TKER的精确测量，范围为1.94–2.60 eV，三正离子为2.95–5.29 eV，结果表明解离动力学受库仑排斥力和结构重排的影响，Born-Oppenheimer分子动力学模拟结果与实验发现一致。

ABSTRACT

We investigated the dissociation of dications and trications of three polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), fluorene, phenanthrene, and pyrene. PAHs are a family of molecules ubiquitous in space and involved in much of the chemistry of the interstellar medium. In our experiments, ions are formed by interaction with 30.3 nm extreme ultraviolet (XUV) photons, and their velocity map images are recorded using a PImMS2 multi-mass imaging sensor. Application of recoil-frame covariance analysis allows the total kinetic energy release (TKER) associated with multiple fragmentation channels to be determined to high precision, ranging 1.94-2.60 eV and 2.95-5.29 eV for the dications and trications, respectively. Experimental measurements are supported by Born-Oppenheimer molecular dynamics (BOMD) simulations.

研究动机与目标

• 确定通过30.3 nm XUV光致电离形成的PAH双正离子和三正离子解离过程中的总动能释放（TKER）。
• 研究库仑排斥力和结构重排（如开环）在驱动高电荷PAH解离路径中的作用。
• 应用反冲参考系协方差图成像技术，解析多个碎片化通道，并从复杂的离子速度分布中提取精确的TKER值。
• 利用Born-Oppenheimer分子动力学（BOMD）模拟验证实验测得的TKER值。
• 理解这些解离热力学参数对星际介质（ISM）中PAH稳定性与演化的影响。

提出的方法

• 使用30.3 nm（40.9 eV）极端紫外（XUV）光子照射芴、并四苯和芘，生成双正离子和三正离子态。
• 采用PImMS2多质量速度映像（VMI）传感器记录所有碎片离子的同步速度分布。
• 应用反冲参考系协方差分析，从多个解离通道中分离并量化碎片离子的动量分布。
• 对协方差图图像进行拟合，以提取精确的碎片离子动量，并计算每条解离路径的总动能释放（TKER）。
• 开展Born-Oppenheimer分子动力学（BOMD）模拟，以模拟解离路径，并将模拟得到的TKER值与实验数据进行比较。
• 使用质量分析离子动能能谱（MIKES）和离子动能能谱（IKES）作为验证和背景参照。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过30.3 nm XUV光子照射形成的PAH双正离子和三正离子解离过程，其总动能释放（TKER）是多少？
• RQ2 库仑排斥力和结构重排（如开环）如何影响高电荷PAH的解离动力学？
• RQ3 实验测得的PAH2+和PAH3+的TKER值在多大程度上与Born-Oppenheimer分子动力学（BOMD）模拟结果一致？
• RQ4 观测到的TKER值是否与完整分子骨架的解离一致，还是需要在解离前发生结构重排？
• RQ5 小分子PAH双正离子和三正离子的TKER值与以往电子碰撞电离实验报道的数值相比如何？

主要发现

• PAH双正离子解离的总动能释放（TKER）范围为1.94至2.60 eV，较大或更对称的体系观测到更高的TKER值。
• 对于PAH三正离子，TKER值范围更广，为2.95至5.29 eV，表明由于更强的库仑排斥力导致能量释放更大。
• 反冲参考系协方差图成像技术成功解析了多个碎片化通道，并在复杂离子速度分布下仍能实现高精度TKER测定。
• BOMD模拟支持实验测得的TKER值，并表明结构重排（如开环）是缓解库仑应变、促进解离前必要的过程。
• 对于更大的PAH如芘和并四苯的三正离子，TKER值与从完整分子骨架解离的预测一致，与早期认为所有体系均需开环的假设相矛盾。
• 本研究证实，30.3 nm（He II线）XUV光致电离可产生具有可测量TKER的PAH2+和PAH3+离子，这对模拟星际PAH化学至关重要。