Part A. Electron-Impact Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometer
A versatile electron-impact time-of-flight mass spectrometer (EI-TOFMS) in a pulsed molecular beam has been constructed. The instrument contains a fast rise time, square pulse generator, biased at high voltage, which simplifies the implementation of EI-TOFMS. Power field effect transistors are used as the active switching element, which afford compact size and simplified circuit construction. The effect of the shape of the repelling pulse on the flight time and space focusing condition is estimated by numerical calculation. Preliminary test results are provided for pulsed molecular beams of ammonia and hydrogen iodide.
Part B. Electron-Impact Ionization Mass Spectroscopic Studies of Acetylene and Mixed Acetylene-Ammonia Clusters as a Structure Probe
Ion-molecule reactions of acetylene and mixed acetylene-ammonia cluster ions are studied using an electron impact time-of-flight mass spectrometer. The mass spectroscopic evidence for the enhanced structural stabilities of [$C_6H_4ㆍ(NH_3)_m^{+}$] (m=0-8) ions is also found along with the detection of mixed cluster $[(C_2H_2)ㆍ(NH_3)_m]^{+}$ ions, which gives insight into the feasible structure of solvated ions. This is rationalized on the basis of the structural stability for acetylene clusters and the dissoceation dynamics of the complex ion under the presence of solvent molecules.
Part C. Influence of Ammonia Solvation on the Structural Stability of Ethylene Cluster Ions.
The stable structures of pure ethylene and mixed ethylene-ammonia cluster ions are studied using an electron impact ionization time-off-light mass spectrometer. Investigations on the relative cluster ion distributions of $(C_2H_4)n(NH_3)_m^{+}$ under various experimental conditions suggest that $(C_2H_4)_2(NH_3)_3^{+}$ and $(C_2H_4)_3(NH_3)_2^{+}$ ions have the enhanced structural stabilities, which give insight into the feasible structure of solvated ions. For the stable configurations of these ionic species, we report an experimental evidence that both $(C_2H_4)_2^{+}$ and $(C_2H_4)_3^{+}$ clusters as the central cations provided three and two hydrogen-bonding sites, respectively, for the surrounding $NH_3$ molecules. This interpretation is based on the structural stability for ethylene clusters and the intracluster ion-molecular rearrangement of the complex ion under the presence of ammonia solvent molecules.
펄스형 분자살 장치를 이용하여 다목적용의 전자충격 - 비행시간 질량 분석기를 개발하였다. 본 연구장치는 고전압에 실어줄 수 있고 입상시간이 매우 빠른 네모꼴의 펄스 발생기를 포함하여 주변 전자회로 체계를 자체 제작 함으로써 비행시간 질량분석기의 구성을 간단하고 효과적으로 하였다. 또한 펄스 발생기로는 능동적인 스위치 소자로써 파워 필드 효과를 이용한 트랜지스터를 사용하여 간단하고 소형인 회로장치가 가능 하도록 하였다. 질량 분석기에 가해지는 반발 펄스의 모양이 이온의 비행 시간과 입체적인 촛점 조건에 미치는 영향을 이론적인 계산을 통하여 분석 하였으며 동시에 암모니아 및 옥화수소에 적용하여 실험함으로써 펄스 발생기의 적용 가능성을 입증 하였다. 아세틸렌 및 아세틸렌-암모니아의 분자집합체내에서 발생하는 이온-분자간의 반응을 전자 충격에의한 비행시간 질량분석기로 연구하였다. 순수한 아세틸렌 계에서 측정된 질량 스팩트럼은 종래의 이온-분자간의 반응에의해 생성된 이온들외에도 아세틸렌의 분자집합체들이 효과적으로 잘 생성됨을 나타내었으며 특히 아세틸렌 세개의 분자집합체 이온이 상당히 안정함을 보였다. 아세틸렌 분자집합체 이온들의 구조, 그리고 극성을 띤 용매하의 안정성을 규명하기 위하여 아세틸렌과 용매로써 소량의 암모니아를 섞은 혼합물에 대한 질량 스팩트럼을 얻은 결과 아세틸렌 분자집합체 이온들 뿐만 아니라 혼합 집합체 즉, $[(C_2H_2)_nㆍ(NH_3)_m]^{+}$, 이온들의 존재도 확인되었다. 특히 $[(C_6H_4)ㆍ(NH_3)_m]^{+}$ 이온들의 검출은 분자 집합체내의 이온-분자간 반응에의한 결과임을 알수 있고 이것은 아세틸렌이 세개가 모여 있는 분자집합체 이온의 구조가 밴젠의 형태를 띠고 있음을 간접적으로 증명해 주고 있다. 각각의 이온들이 나타내는 및 피크의 세기로부터 $(C_6H_4)^{+}$ 이온의 구조적인 안정성을 규명할 수 있었으며 이러한 결과는 아세틸렌 분자 집합체의 구조에 기초를 두어 용매분자인 암모니아의 존재하에서 잉여 에너지를 갖고있는 반응 중간체 이온의 동력학적 분해과정으로 해석하였다. 펄스형 분자살 장치와 전자 충격에의한 비행시간 질량 분석기를 이용하여 에틸렌의 분자 집합체에대한 구조 및 이온-분자 반응을 연구하였다. 순수한 에틸렌계에서 측정된 질량 스팩트럼은 종래의 이온-분자간의 반응에 의해 생성된 이온들외에도 에틸렌의 분자집합체들이 효과적으로 잘 생성됨을 나타내었으며 특히 아세틸렌 네개의 분자 집합체 이온이 상당히 안정함을 보였다. 에틸렌 분자 집합체 이온들의 구조, 그리고 극성을 띤 용매하의 안정성을 규명하기 위하여 아세틸렌과 용매로써 소량의 암모니아를 섞은 혼합물에 대한 질량 스팩트럼을 얻은 결과 에틸렌 분자 집합체 이온들 뿐만아니라 혼합 집합체 즉, $(C_2H_4)_n(NH_3)_{m^+}$, 이온들의 존재도 확인되었다. 다양한 실험 조건 하에서 암모니아의 갯수에따른 $(C_2H_4)_n(NH_3)_{m^+}$ 이온들의 상대적인 피크의 세기를 조사한 결과 $(C_2H_4)_2(NH_3)_{3^+}$ 와 $(C_2H_4)_3(NH_3)_{2^+}$ 이온 들이 상당히 안정함을 나타내었으며 이것은 용매하에서 에틸렌 분자 집합체들의 안정한 구조에대한 정보를 제시하여 준다. 즉 암모니아에의해 둘러사인 $(C_2H_4)_{2^+}$ 또는 $(C_2H_4)_{3^+}$ 이온은 집합체내의 이온-분자간 반응 및 재배열에 의하여 새로운 1-butene 이온 또는 trans-3-$C_6H_{12^+}$ 이온이 생성되고 따라서 그 주위로 용매인 암모니아가 수소 결합을 통해 안정화시킬 수 있는 위치의 숫자는 각각 세개와 두개라는 것을 알수 있다.
