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Un ejemplo de protocoloTitulo del proyecto: Estudio de la fotoionizacin y distribucionesangulares de molculas orientadas en el espacio.

Nombre del responsable: Antonio Marcelo Jurez Reyes

Ttulo/Grado acadmico: Doctor.

rea de evaluacin: Ciencias bsicas

Disciplina: Fsica

Palabras clave: Fotoionizacin, fotoelectrn, lser, sincrotrn,Orientacin, distribuciones angulares.

Institucin responsable: Universidad Nacional Autnoma de Mxico (UNAM).

Dependencia responsable: Centro de Ciencias Fsicas, CCF UNAMContenido

Antecedentes.

1.1 Introduccin

1.2 Antecedentes

2. Propuesta.2.1 Propuesta2.2 Originalidad de la propuesta.

3. Objetivos y metas.3.1 Objetivos generales del proyecto.3.2 Metas a corto, mediano y largo plazo.3.3 Metas de formacin de estudiantes en ciencias en programas educativos de postgrado registrados en el PNP.

4. Metodologa Cientfica.4.1 Principios fsicos.4.2 Arreglo experimental propuesto.

5. Infraestructura y apoyo tcnico disponible.5.1 En el laboratorio del CCF.5.1.1 Taller de electrnica.5.1.2 Taller de mecnica.5.2 Laboratorio Schuster, Universidad de Manchester5.3 Acceso a fuentes de radiacin sincrotrn.

6. Otros usos posibles de la infraestructura y equipo propuestos.7. Referencias.1. Antecedentes.1.1 Introduccin.

La espectroscopa de fotoelectrones (EF), consiste en el anlisis de energa de los electrones producidos en la ionizacin de un tomo o molcula, que pueden estar en fase libre o adsorbida en substratos. Esta tcnica ha cobrado una relevancia importante en la ltima dcada debido, en buena medida al desarrollo de fuentes de luz potentes con caractersticas de frecuencia variable y al desarrollo de espectrmetros de alta resolucin. Los usos de la espectroscopa de fotoelectrones cubren un rango amplio y van desde estudios puramente fundamentales, como los del anlisis de la difraccin de electrones producidos por tomos encerrados en fulerenos (Connerade, 2000; Baltenkov, 2000) hasta los aplicados, como los de la caracterizacin de propiedades de emisin de materiales orgnicos (Lee, 2002) y los de espectroscopa de pelculas delgadas (Mezzasalama et al, 2003), por mencionar slo algunos.El uso combinado de la espectroscopa de fotoelectrones y tcnicas de medicin de coincidencias, denominada PEPICO por sus siglas en Ingls, han ampliado el potencial de aplicaciones de la tcnica de la espectroscopa de fotoelectrones (Holland, 2001).

En mediciones tradicionales en fase gaseosa, se determina el nmero de fotoelectrones producidos a una energa dada, comofuncin del ngulo de emisin, para una distribucin aleatoria de molculas. En estos estudios no se toma en cuenta el destino los iones residuales que son producidos como consecuencia de la fotoionizacin.En el presente proyecto, se pretende usar fuentes de luz lser, fundamentalmente y de manera complementaria fuentes de radiacin sincrotrn, cuando se tenga acceso a ellas.

Se planea realizar esto implementando un arreglo experimental novedoso en coincidencias que permitir estudiar propiedades fundamentales y aplicadas de molculas fijas en el espacio.

Estos estudios se podrn realizar en Mxico debido a que en el Centro de Ciencias Fsicas de la UNAM se cuenta con lseres de alta potencia adecuados para los estudios propuestos.

De manera complementaria, se planea mantener la colaboracin ya existente, surgida durante la realizacin del trabajo doctoral y posdoctoral del responsable de esta propuesta con grupos que tienen acceso a fuentes de radiacin sincrotrn en Inglaterra (Laboratorio de radiacin sincrotrn SRS de Daresbury) y en Italia (Sincrotrone Trieste).1.2 Antecedentes

Los antecedentes conceptuales de la tcnica propuesta se pueden reconocer en los clculos realizados sobre la variacin espectral de las distribuciones angulares en molculas orientadas (Dill, 1976). Las primeras mediciones de distribuciones angulares adsorbidas en substratos fueron realizadas usando monxido de carbono adsorbido en un substrato de Nquel, Ni (001) (Smith RJ, 1976).Debido al requerimiento de fuentes ms intensas de luz, la medicin de molculas orientadas en el espacio y en fase gaseosa no fue posible en todo su potencial, sino hasta la dcada de los 90 mediante el uso ingenioso de tcnicasde coincidencias. En la Universidad de San Petersburgo, se realiz la medicin de distribuciones angulares de la molcula biatmica O2 orientada en el espacio usando una lmpara de descargas (Golovin, 1991).2 Propuesta y originalidad

2.1 PropuestaSe propone el desarrollo de un sistema de espectrmetros de alta resolucin que, en combinacin con lseres de alta potencia, medirn las distribuciones angulares de fotoelectrones producidos por multifotoionizacin de molculas en fase gaseosa.En particular, se propone el diseo y construccin de un espectrmetro de fotoelectrones de alta resolucin del tipo semiesfrico (E/E 103).Este espectrmetro ser acoplado a un espectrmetro de iones positivos que utiliza la tcnica de tiempo de vuelo (TOF).Los electrones sern medidos en coincidencia con el ion residual a fin de establecer la distribucin angular de la molcula fija en el espacio.El analizador se mantendr en posicin fija y la distribucin angular se realizar utilizando un sistema de campo magntico confinado, variando su intensidad.La resolucin que se pretende obtener del espectrmetro de electrones permitir resolver la estructura vibracional y en casos favorables, la estructura rotacional en espectros de fotoelectrones de molculas bi y poliatmicas tales como entre NO, SO2, NO2, H2O,H2 y D2.

Se propone el empleo de lseres de alta potencia a fin de inducir la ionizacin de la molcula por medio de transiciones multifotnicas.

Se planea aprovechar la flexibilidad que tienen los sistemas de lseres de modificar sus estados de polarizacin para controlar la orientacin del eje de polarizacin de la luz ionizante.

Esto se lograr con el uso de placas de media onda, que permitirn rotar el eje de polarizacin.

La capacidad de variar la orientacin de este eje permitir determinar las distribuciones angulares en las cuales el eje molecular es paralelo o perpendicular al eje de polarizacin de la luz.

2.2 Originalidad de la propuesta.

En contraste con el nmero de estudios realizados con fuentes ultravioleta, fundamentalmente aqullos que utilizan luz sincrotrn, existen pocas referencias disponibles del uso de lseres de alta potencia (Brownsword, 1997).

sta falta de mediciones es una omisin importante debido a que las fuentes de luz lser proporcionan una alta resolucin espectral, permiten inducir transiciones a niveles que estn prohibidos para las inducidas por un solo fotn y tienen una gran flexibilidad en la modificacin de las propiedades de polarizacin.

Se adelanta que la combinacin de estas propiedades verstiles de la luz lser, en combinacin con un sistema de espectrmetros de alta resolucin, permitir producir resultados experimentales de relevancia y novedad en el campo de las distribuciones angulares en fase gaseosa.Otro aspecto innovador de la propuesta consiste en incorporar una fuente de campo magntico confinado y variable para realizar la medicin de distribuciones angulares.

El uso del campo magntico confinado proporciona la posibilidad de controlar por computadora la medicin de las distribuciones angulares, que se logra controlando el flujo de corriente que circula por los solenoides que crean el campo confinado.

Una ventaja adicional que presenta el uso de la tcnica decampo confinado es la posibilidad de utilizar espectrmetros ms grandes, lo que permite mejorar la resolucin en las medidas de energa de los fotoelectrones.3. Objetivos y metas

3.1 Objetivos generales del proyecto

1.- Desarrollar un sistema novedoso y de alta resolucin que permita estudiar, por mtodo de coincidencias, la distribucin angular de fotoelectrones de molculas fijas en el espacio.

2.- Desarrollar una tcnica analtica para la espectroscopa de molculas orientadas en el espacio, como punto de partida para estudios ulteriores de distribuciones angulares en blancos adsorbidos en superficies.

3. Adiestrar a estudiantes de los niveles de licenciatura y de postgrado en tcnicas de espectroscopa de fotoelectrones e iones de alta resolucin y en tcnicas de ptica y lseres de alta potencia.

4.- Fortalecer y ampliar la colaboracin con grupos cientficos de Inglaterra e Italia, que permitir tener acceso a fuentes de radiacin sincrotrn con un costo reducido para Mxico.3.2 Metas a corto mediano y largo plazo.Durante el primer ao:

* Primer cuatrimestre.1.- Lograr un diseo confiable del espectrmetro de fotoelectrones, del analizador semiesfrico, de las lentes electrostticas y sistema de campo magntico confinado.

2.- Contar con un diseo cuidadoso y robusto de las fuentes de voltaje que polarizarn al analizador semiesfrico.

* Segundo cuatrimestre.3.-Iniciar la construccin de las componentes que formaran elespectrmetro de fotoelectrones.

4.- Iniciar la construccin, alambrado y ensamblaje del sistema de campo magntico confinado.Tercer cuatrimestre.

5.- Construir los sistemas de soporte mecnico, alto vaco y aislamiento magntico de alta permitividad que se colocar alrededor de la cmara de vaco.

6.- Hacer el ensamblaje, alineamiento relativo y pruebas preliminares del sistema que estar compuesto por el espectrmetro semiesfrico, las lentes electrostticas y el sistema de campo magntico confinado.

7.- Mantener y estrechar la colaboracin internacional con el grupo de trabajo de Inglaterra e Italia en experimentos de distribuciones angulares.Durante el segundo ao.

Primer cuatrimestre.

1.- El objetivo fundamental ser el de contar, al final este perodo, con un diseo basado en modelos computacionales precisos de un analizador semiesfrico, los compensadores de efectos de borde, un sistema de lentes electrostticas y el sistema de deteccin.

Segundo cuatrimestre.

3.- Maquinar y alinear las semiesferas de molibdeno. Construir e instalar anillos de correccin de potencial, que compensen efectos de borde en las semiesferas.

Tercer cuatrimestre.5.- Construir los elementos de la lente electrosttica, deflectores, aperturas y espaciadores cermicos necesarios. 6.- Una vez realizado el ensamblaje independiente de las componentes del analizador semiesfrico,4.- Metodologa Cientfica.

4.1 Principios fsicos.

En una muestra gaseosa, las molculas presentan una distribucin de velocidades de Maxwell y orientaciones aleatorias. Si un haz de luz monocromtica de suficiente energa ioniza las molculas, los electrones resultantes sern emitidos de acuerdo a la seccin diferencial dada por (Manson, 1982).

Donde es la seccin total de fotoionizacin, es el ngulo medido respecto al eje de polarizacion de la luz y es un parmetro que caracteriza la distribucin angular y que se denomina parmetro de asimetra.

4.2 Arreglo experimental propuesto.

Un esquema del arreglo experimental que se propone desarrollar como parte de este proyecto muestra esquemticamente en la figura 1.

En esta figurase muestra el espectrmetro semiesfrico, el sistema de campo confinado, la lente electrosttica y el tubo de tiempo de vuelo, indicando de manera esquemtica la posicin relativa que tendrn entre ellos.

La figura 2 muestra, esquemticamente, el principio de operacin del analizador semiesfrico. Brevemente, un conjunto de semiesferas de radios (R1) y (R2), polarizadas a distinto potencial (V1 y V2 en la figura 2), generan un potencial radial (Ro) en el espacio intermedio entre las semiesferas.

Figura 1. El espectrmetro semiesfrico se ubicara en posicin frontal conrespecto al detector de iones TTV. La luz lser se har interactuarperpendicularmente con el haz molecular producido por una aguja (1). El sistemade campo confinado (2) permitir determinar la distribucin angular de losfotoelectrones (e-) que sern enfocados hacia el espectrmetro usando las lenteselectrostticas (3). El eje de polarizacion de la luz podr rotarse con una placa /2a fin de observar transiciones paralelas o perpendiculares5 Infraestructura y apoyo tcnico disponible.

5.1 En el laboratorio de CCF:

Adems del apoyo administrativo, legal, espacio para laboratorios, y gastos de mantenimiento (electricidad, mantenimiento general) el Centro de Ciencias Fsicas de la UNAM proporcionar apoyo por medio del siguiente equipo:

Lseres de alta potencia:a). 2 sistemas lser pulsados de Nd: YAG, modelos GCR-100 y GCR- 200, con 10 Hz de repeticin, pulsados a 5-9 nanosegundos con salida de distintos armnicos: 1064 nm, 532 nm y 266 nm. Salidas mayores a 300 mJ. Estos laseres se emplearn para bombear un lser Dye y un oscilador paramtrico que se describen abajo.5.1.1 Taller de electrnica del grupo de Fsica atmica y molecular.

En este taller se cuenta con:

Software para disear circuitos impresos.

b) Sistema de tratamiento qumico para la manufactura de circuitos Impresos.

c) La colaboracin de 1 tcnico acadmico con al menos 8 aos de experiencia en la construccin de fuentes de poder, sistemas de control y manufactura de equipo electrnico en general.5.1.2 Taller de mecnica.

Este taller esta atendido por dos tcnicos acadmicos, con experiencia mnima de 10 aos cada uno.

b) Se cuenta 2 tornos, controlados digitalmente

c)2 maquinas fresadoras de precisin, con control digital

d) Taladros de precisin y de uso rudo, esmeriles, limas, y herramienta en general.6.- Otros usos posibles de la infraestructura y equipo propuestos ms all del proyecto.

Adems de los productos entregables, es pertinente aclarar que lainstrumentacin que se planea adquirir, disear y construir, segn sea el caso, tiene un gran potencial de aplicacin en reas externas a la investigacin bsica.

Esto es debido a que concurren en ella distintos campos que, de implantarse y consolidarse en Mxico, tendran un impacto beneficioso en muchas reas. Se mencionan algunos de los usos posibles de las tcnicas y desarrollos que se realizaran a continuacin, como ejemplo:

1.- El espectrmetro de fotoelectrones se puede emplear en caracterizacin de superficies, por espectroscopia de fotoelectrones convencional o de electrones Auger, si se cuenta con fuentes de rayos X.7. Referencias

Baltenkov A.S , Dolmatov V.K, Manson S.T , Msezane A.Z. Chemical Physics Letters 378 (2003) 71 Diffraction of slow photoelectrons by C60 fullerene cage

Brownsword R. A., Laurent T., Hillenkamp M., Vatsa R. K, and. Volpp H.-R. J. Chem. Phys. 106 (23) (1997) Dissociation dynamics of HNCO and DNCO after laser photo excitation in the vacuum ultraviolet

Read F H and Channing J M Rev. Sci. Instrum. 67 2373 (1996), Production and optical properties of an unscreened but localized magnetic field

Downie P. And Powis I. Phys. Rev. Lett. 82, 2864 (1999). Molecule-frame photoelectron angular distributions from oriented molecules