离子-分子碰撞反应是一类重要的化学过程,是星际空间、大气电离层、燃烧火焰和等离子体中的物质演化的关键步骤之一,其碰撞截面远大于中性原子-分子反应的碰撞截面。然而,相比于中性原子-分子反应,对于此类反应的微观机制研究要薄弱得多。此类反应涉及到的电荷转移、能量传递与化学键的断裂和重组通常在几十个eV以下的较低碰撞能量区间发生。通过测量产物离子三维空间的动量(动能和角度)分布,可以获得量子态水平上的离子-分子反应动力学信息。因此,我们决定研制低能量交叉束离子-分子反应速度成像装置,用于气相分子与离子的碰撞反应动力学研究。首先,我们研制了一套低能量的脉冲离子束源,经脉冲电子碰撞电离产生脉冲离子束,离子束团在三维空间各方向上都得到精细控制。不同于在垂直飞行方向通过离子聚焦透镜降低离子束截面大小的方法,沿飞行方向上,我们通过在离子特定飞行时间处引入第二次推斥脉冲,实现此方向的空间压缩。通过低能量Ar+的测试性实验,我们验证了此离子束源的工作性能,测试结果表明,此系统适用于低能离子-分子反应研究,特别是结合离子速度成像技术时。随后,利用此脉冲离子束源,结合离子速度切片成像技术,我们搭建起一套交叉束实验装置,主要包括离子束源、分子束源与产物离子成像探测系统。脉冲离子束与超声分子束在无场的碰撞反应区进行单次碰撞,产生的产物离子经离子速度成像透镜系统切片成像,获得振动态分辨的离子动量分布图像。Ar+和N2/NO的碰撞产物N2+/NO+的动量分布的探测,验证了此仪器高效的工作性能。在电荷转移反应中,由于碰撞过程中平动能向内能的转化,产物倾向于更高能态的分布,且随着碰撞能的升高这种能量传递会更加有效。然而,在反应Ar+ + NO→NO+ + Ar中,我们发现产物离子NO+更倾向于分布在能量最低的三重态a3∑+,尤其是在更高的碰撞能量下;而NO+更高能态的b3Π和w3△只会在更低的碰撞能量下产生。这种碰撞能改变引起的产物离子能态分布的变化源于两个完全不同的反应机制:前者来自于能量共振的电荷转移过程;而后者则是由于反应过程中形成的中间体(Ar-NO)+允许非绝热的能量再分配,产生了NO+的能量相近的几个电子态分布。在相对碰撞能2～10eV的Ar+和N2的电荷转移中,我们发现在较高的碰撞能下,产物N2+除电子基态X2∑g+有振动能级v’ = 0-3的分布外,图像内部出现电子激发态A2Πu、B2∑u+的分布。其中,N2+(X2∑g+)中振动能级高的散射角度大,符合Landau-Zener势能曲线交叉机制的典型特征;而产物A态的振动能级分布源于电子态X-A和A-B的势能曲线交叉,是电子振动耦合引起的Intensity Borrowing的结果。这是一个non-Born-Oppenheimer反应机制的典型体系,产物N2+的能态分布并不遵循Franck-Condon原理,而是受到碰撞反应物在不同势能面间的锥形交叉区附近的行为控制。