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氟利昂F113分子在飞秒激光作用下的多光子电离解离动力学

刘玉柱 陈云云 郑改革 金峰 Gregor Knopp

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氟利昂F113分子在飞秒激光作用下的多光子电离解离动力学

刘玉柱, 陈云云, 郑改革, 金峰, Gregor Knopp

Multiphoton ionization and dissociation dynamics of Freon-113 induced by femtosecond laser pulse

Liu Yu-Zhu, Chen Yun-Yun, Zheng Gai-Ge, Jin Feng, Gregor Knopp
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  • 大气臭氧层因吸收太阳紫外光, 是人类必不可少的保护伞. 氟利昂在太阳光辐射下解离生成破坏臭氧的游离态氯原子, 是破坏大气臭氧层的主要元凶之一. 本文利用飞行时间质谱技术和离子速度成像技术研究了氟利昂F113(三氟三氯乙烷)分子在800 nm 飞秒光作用下的多光子电离解离动力学. 利用飞行时间质谱探测技术, 得到了三氟三氯乙烷在该波长飞秒激光作用下发生多光子电离解离产生的碎片质谱. 通过荷质比对碎片质谱进行了详细的标定和分析. 在质谱上未发现母体离子, 所有观察到的离子都是由于激光脉冲作用下产生的碎片. 三个最主要的碎片离子是CFCl2+, CF2Cl+, C2F3Cl2+. 通过飞行时间质谱标定, 发现并归属了多个解离通道. 三个主要的解离机理分别为: 1) C-Cl键断裂直接生产氯自由基的通道C2F3Cl3+→C2F3Cl2++Cl; 2) C--C键断裂C2F3Cl3+→CFCl2++CF2Cl; 3) C--C键断裂C2F3Cl3+→CF2Cl++CFCl2. 利用离子速度成像技术对这三个主要通道产生的碎片离子进行成像, 得到了C2F3Cl2+, CFCl2+和CF2Cl+离子的速度影像. 由C--Cl键断裂产生的碎片离子C2F3Cl2^{+}的速度分布由两个高斯分布曲线拟合, 而由C--C键断裂产生的碎片离子CFCl2+和CF2Cl+可以用一个高斯曲线拟合. 通过影像分析得到了解离碎片的平动能分布和角向分布各向异性参数等详尽的动力学信息. 结合高精度密度泛函理论计算对解离动力学进行了进一步的分析和讨论.深入认识氟利昂的解离动力学可为进一步控制破坏臭氧层提供理论参考和实验依据.
    The ozone layer which absorbs harmful solar UV radiation is an essential umbrella for human. However, a large number of exhausts of Freon released by human activity into the atmosphere pose a great threat to the ozone layer. The UV sunlight radiation induced Freon dissociation produces chlorine radicals, which are found to be the main culprit for destroying the atmospheric ozone. In this paper, multiphoton ionization and dissociation dynamics of Freon-113 (CF2ClCFCl2) induced by femtosecond laser pulse are studied by time-of-flight mass spectrometry coupled with velocity map imaging technique. Fragment mass spectra of Freon-113 are measured by time-of-flight mass spectrometry. No parent ions are discovered in the time-of-flight mass spectra, and all the detected ions are from the fragmentation induced by the laser pulse. Daughter ions CFCl2+, CF2Cl+, C2F3Cl2+ are found to be the three major fragmentation ions in the multi-photon ionization and dissociation. Several photodissociation channels are discussed and concluded by further analysis and calibration (via the ratio of mass to charge) of the measured time-of-flight mass spectra. Three main photodissociation mechanisms are found as follows: 1) C2F3Cl3+→C2F3Cl2++Cl with breaking C--Cl bond and directly producing the Cl radical; 2) C2F3Cl3+ →CFCl2++CF2Cl with breaking the C--C; 3) C2F3Cl3+ →CF2Cl++CFCl2 with breaking the C--C bond. Ion images of the three main fragments C2F3Cl2+, CFCl2+ and CF2Cl+ are measured by the velocity map imaging setup. The speed distributions of these three fragment ions are obtained from the velocity map imaging. The speed distribution of C2F3Cl2+ with breaking C--Cl bond can be fitted by two Gaussian distributions while the speed distributions of both CFCl2+ and CF2Cl+ with breaking the C--C bond can be well fitted by one Gaussian distribution. The different fittings reflect different production channels. The detailed photodissociation dynamics is obtained by analyzing the kinetic energy distribution and angular distribution of the fragment ions. Additionally, density functional theory calculations on high-precision level are also performed on photodissociation dynamics for further analysis and discussion. An in-depth understanding of dissociation dynamics of freon can provide theoretical reference and experimental basis for further controlling the dissociation process that can do destruction to the ozone layer.
      通信作者: 刘玉柱, yuzhu.liu@gmail.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11304157)和江苏省六大人才高峰高层次人才项目(批准号: JNHB-011)资助的课题.
      Corresponding author: Liu Yu-Zhu, yuzhu.liu@gmail.com
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11304157) and the Six Talent Peaks Project in Jiangsu Province, China (Grant No. JNHB-011).
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-05
  • 修回日期:  2015-12-10
  • 刊出日期:  2016-03-05

氟利昂F113分子在飞秒激光作用下的多光子电离解离动力学

  • 1. 南京信息工程大学物理与光电工程学院, 南京 210044;
  • 2. 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044;
  • 3. C. Eugene Benett Department of Chemistry, West Virginia University, Morgantown, WV 26506, USA;
  • 4. Paul Scherrer Institute, Villigen 5232, Switzerland
  • 通信作者: 刘玉柱, yuzhu.liu@gmail.com
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11304157)和江苏省六大人才高峰高层次人才项目(批准号: JNHB-011)资助的课题.

摘要: 大气臭氧层因吸收太阳紫外光, 是人类必不可少的保护伞. 氟利昂在太阳光辐射下解离生成破坏臭氧的游离态氯原子, 是破坏大气臭氧层的主要元凶之一. 本文利用飞行时间质谱技术和离子速度成像技术研究了氟利昂F113(三氟三氯乙烷)分子在800 nm 飞秒光作用下的多光子电离解离动力学. 利用飞行时间质谱探测技术, 得到了三氟三氯乙烷在该波长飞秒激光作用下发生多光子电离解离产生的碎片质谱. 通过荷质比对碎片质谱进行了详细的标定和分析. 在质谱上未发现母体离子, 所有观察到的离子都是由于激光脉冲作用下产生的碎片. 三个最主要的碎片离子是CFCl2+, CF2Cl+, C2F3Cl2+. 通过飞行时间质谱标定, 发现并归属了多个解离通道. 三个主要的解离机理分别为: 1) C-Cl键断裂直接生产氯自由基的通道C2F3Cl3+→C2F3Cl2++Cl; 2) C--C键断裂C2F3Cl3+→CFCl2++CF2Cl; 3) C--C键断裂C2F3Cl3+→CF2Cl++CFCl2. 利用离子速度成像技术对这三个主要通道产生的碎片离子进行成像, 得到了C2F3Cl2+, CFCl2+和CF2Cl+离子的速度影像. 由C--Cl键断裂产生的碎片离子C2F3Cl2^{+}的速度分布由两个高斯分布曲线拟合, 而由C--C键断裂产生的碎片离子CFCl2+和CF2Cl+可以用一个高斯曲线拟合. 通过影像分析得到了解离碎片的平动能分布和角向分布各向异性参数等详尽的动力学信息. 结合高精度密度泛函理论计算对解离动力学进行了进一步的分析和讨论.深入认识氟利昂的解离动力学可为进一步控制破坏臭氧层提供理论参考和实验依据.

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