Скоростная визуализация (VMI) представляет собой высокоразрешающий метод, предназначенный для измерения углового и скоростного распределения ионов или электронов, образующихся в результате фотоионизации, фотодиссociation или электронного выбивания. Основная цель метода — реконструировать трёхмерное распределение скоростей частиц по данным, полученным на двумерном детекторе.
В классическом эксперименте частицы (электроны или ионы) формируются в небольшой пространственной области под действием лазерного импульса или другого источника возбуждения. Электрическое поле направляет эти частицы к позиционно-чувствительному детектору. В VMI используется специализированная система электродов, создающая статическое электрическое поле, которое фокусирует частицы с одинаковой скоростью в одну точку на детекторе независимо от их начального положения в объёме генерации. Это обеспечивает прямую зависимость координаты на детекторе от модуля и направления скорости частицы.
Ключевым элементом VMI является электродная система, состоящая из катода, анода и множества промежуточных электродов, расположенных по оси поля. Электрическое поле создаёт параболическую траекторию движения заряженной частицы. Для каждой частицы с определённой начальной скоростью, вне зависимости от места рождения, фокусировка осуществляется таким образом, что частицы с одинаковой скорости проецируются на одну точку на детекторе.
Математически, связь между координатами на детекторе (x, y) и скоростью частицы v⃗ выражается через линейное преобразование, учитывающее поле ускорения и начальные условия. В рамках малых начальных размеров облака частиц выполняется приближение “point source”, что обеспечивает высокую точность реконструкции.
Для регистрации VMI используется позиционно-чувствительный детектор, чаще всего MCP (Microchannel Plate) в комбинации с флуоресцентным экраном и CCD-камерой.
Ключевые моменты в детектировании:
Для полного восстановления трёхмерного распределения скоростей используют метод time-slicing. Идея метода состоит в том, что детектор фиксирует только частицы, пролетающие через определённый промежуток времени после образования. В результате формируется “срез” распределения вдоль оси поля, что позволяет реконструировать исходное 3D распределение с высокой разрешающей способностью.
Метод VMI широко используется в исследованиях:
Пример: В экспериментах по фотодисссоциации молекул водорода, VMI позволяет измерять распределение скоростей протонов и атомов водорода с разрешением в десятки м/с, что даёт прямой доступ к потенциальным поверхностям и времени прохождения через переходные состояния.
Современные улучшения VMI включают:
Метод VMI стал неотъемлемым инструментом в современной химической и физической динамике, предоставляя уникальную возможность исследовать микроскопические процессы на уровне отдельных частиц с чрезвычайно высокой точностью.