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Comparison of impact ionisation plasma with laser ionisation [Elektronische Ressource] / presented by Anna Mocker

275 pages
DISSERTATIONSUBMITTED TO THECOMBINED FACULTIES FOR THE NATURAL SCIENCES AND FOR MATHEMATICSOF THE RUPERTO-CAROLA UNIVERSITY OF HEIDELBERG, GERMANYFOR THE DEGREE OFDOCTOR OF NATURAL SCIENCESPRESENTED BYDIPL.-PHYS. ANNA MOCKERBORN IN MANNHEIMORAL EXAMINATION: 19. 1. 2011Comparison of impact ionisationplasma with laser ionisationReferees:Prof. Dr. EberhardGrun¨Prof. Dr. MarioTrieloffAbstract:Impact ionisation is the basis for the method yielding the highest sensitivity for detection ofdust particles in space. To cover a sufficiently big energy range for the investigation of dustparticle impacts and the calibration of impact ionisation instruments, we attempted to supplythe dust accelerator at the MPI for Nuclear Physics with laser ionisation. Therefore it is nec-essary to investigate the properties of both processes with respect to their comparability. Forthis, the characteristics of the emerging plasma, such as the velocity distribution of the ions,and the ion appearance in the TOF mass spectra are analysed and compared. The findings ofthis study show that, in general, laser ionisation plasma is not comparable to that generated byhypervelocity particle impacts. However, particular aspects of the the laser ionisation processcan be used as a rough substitute for particle impacts, i.e. optimising and testing electroniccomponents for impact ionisation instruments.
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DISSERTATION
SUBMITTED TO THE
COMBINED FACULTIES FOR THE NATURAL SCIENCES AND FOR MATHEMATICS
OF THE RUPERTO-CAROLA UNIVERSITY OF HEIDELBERG, GERMANY
FOR THE DEGREE OF
DOCTOR OF NATURAL SCIENCES
PRESENTED BY
DIPL.-PHYS. ANNA MOCKER
BORN IN MANNHEIM
ORAL EXAMINATION: 19. 1. 2011Comparison of impact ionisation
plasma with laser ionisation
Referees:
Prof. Dr. EberhardGrun¨
Prof. Dr. MarioTrieloffAbstract:
Impact ionisation is the basis for the method yielding the highest sensitivity for detection of
dust particles in space. To cover a sufficiently big energy range for the investigation of dust
particle impacts and the calibration of impact ionisation instruments, we attempted to supply
the dust accelerator at the MPI for Nuclear Physics with laser ionisation. Therefore it is nec-
essary to investigate the properties of both processes with respect to their comparability. For
this, the characteristics of the emerging plasma, such as the velocity distribution of the ions,
and the ion appearance in the TOF mass spectra are analysed and compared. The findings of
this study show that, in general, laser ionisation plasma is not comparable to that generated by
hypervelocity particle impacts. However, particular aspects of the the laser ionisation process
can be used as a rough substitute for particle impacts, i.e. optimising and testing electronic
components for impact ionisation instruments.
Furthermore, the dependence of the plasma properties on the impact parameters were studied.
Here, the experimental results imply that the defining parameter of the impact process is either
the impact velocity or the energy density.
Zusammenfassung:
Die effektivste Methode zum Nachweis von kosmischen Staubteilchen direkt im Weltall beruht
auf dem Prozeß der Einschlagsionisation. Zur Kalibration der dabei verwendeten Instru-
mente muß einen genugend¨ großen Energiebereich abgedeckt werden. Deshalb wird daruber¨
nachgedacht, den Staubbeschleuniger am MPI fur¨ Kernphysik in Heidelberg mit einem Auf-
bau zur Laserionisation zu erganzen.¨ Nun ist es aber notwendig, die Vergleichbarkeit beider
Prozesse zu untersuchen. Hierfur¨ werden die Eigenschaften des beim Einschlag entstehenden
Plasmas mit dem der Laserionisation verglichen. Dies sind z.B. die Geschwindigkeitsverteilung
der Ionen oder die Haufigk¨ eiten, mit fur¨ das Massenlinien in Flugzeitmassenspektren auf-
tauchen. Hier zeigen die Experimente, die fur¨ beide Prozesse unter gleichen Bedingungen
mit dem gleichen Aufbau durchgefuhrt¨ wurden, daß im Allgemeinen nicht von einer Vergle-
ichbarkeit ausgegangen werden kann. Jedoch kann Laserionisation zur Simulation von bes-
timmten Aspekten des Teilcheneinschlags genutzt werden. Zum Beispiel kann ein Laser zum
Test und zur Kalibration von Einschlagsionisationsinstrumenten genutzt werden.
Daruber¨ hinaus wurden untersucht, wie die Eigenschaften des Einschlagsplasmas von den Pa-
rametern des Teilcheneinschlags abhangen.¨ Hier weisen die Experimente darauf hin, daß die
bestimmenden Parameter des Einschlags die Geschwindigkeit des Teilchens und oder oder die
Energiedichte sind.viFur¨ BrigitteundRolf.viiiContents
1. Introduction 1
2. Basic Principles 11
2.1. Shock wave ionisation of dust particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1. Shock dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2. on a particle impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3. High pressure equation-of-state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.4. Experimental investigation of Hugoniot adiabatics . . . . . . . . . . . 20
2.1.5. Isentropic expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.6. Expansion time and expansion isentrope . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.7. Relaxation times and freezing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.8. Non-equilibrium expansion and residual ionisation . . . . . . . . . . . 25
2.1.9. Surface ionisation: A Model for low velocity impact . . . . . . . . . . 26
2.1.10. Target ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.11. Other impact models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2. Laser ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1. Interaction of light and matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2. Thermalisation and heat transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3. Temperature distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.4. Vaporisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.5. Plasma formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.6. Pulsed-Laser Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.7. Vapor and plasma properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3. Time-of-flight mass spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1. Function principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2. Calibration of time-of-flight mass spectra . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.3. Mass resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.4. Peak Shapes and a model for the ion temperature . . . . . . . . . . . . 39
2.4. Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.1. Constituents of cosmic dust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.2. Silicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.3. Olivine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.4. Pyroxene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3. Experimental Set Up 53
3.1. Linear TOF mass spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1. General set up and geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.2. Theoretical performance of the spectrometer . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3. Time and path of flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
ixContents
3.1.4. Measured values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.5. Target chamber and target mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2. Reflectron TOF mass spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1. LAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2. SUDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3. Dust Accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.1. Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.2. Dust sources and beam focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.3. Particle Selection, velocity and charge measurement . . . . . . . . . . 69
3.4. Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4.1. Nd:YAG laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.2. Functionality and Q-Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.3. Technical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.4. Optical path and optical properties of the laser set up . . . . . . . . . . 78
3.4.5. Beam profile and focal point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.6. Focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.7. Calibration of the laser set up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4.8. Laser energy control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.9. Photon number density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5. Studied materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5.1. Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5.2. Composition of dust materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5.3. Measurements for various combinations of materials . . . . . . . . . . 88
4. Results 93
4.1. Impact charge signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.1.1. Signal form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.1.2. Charge yields from particle impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.3. Temporal evolution of the impact plasma . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.1.4. Variability of the total charge yield for Laser ablation . . . . . . . . . . 113
4.1.5. Charge yields of laser ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.1.6. Rise time of the charge yield for laser ablation . . . . . . . . . . . . . 114
4.1.7. Summary and comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2. Resulting TOF mass spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.1. Theoretical and empirical determined stretch factor a . . . . . . . . . . 121
4.2.2. Aperture and angular focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.2.3. Mass resolution and line assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2.4. Characterisation of spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3. Variability of TOF mass spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.1. Variability of spectra data sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.4. Ion plasma composition for impact ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.4.1. Defining impact parameters for the appearance of lines . . . . . . . . . 139
4.4.2. Velocity and energy density thresholds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.5. Time-of-flight (TOF) mass spectra for laser ablation . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.5.1. Dependency of the line shapes and width on the laser energy . . . . . . 144
4.5.2. Ion plasma composition for laser ionisation . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.6. Peak shapes and widths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
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