Observations on small anionic atomic clusters in an electrostatic ion beam trap [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Markus Eritt

Markus Eritt

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• Physik

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• Publié par: ernst-moritz-arndt-universitat_greifswald
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 43
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Observations on Small Anionic Atomic
Clusters in an Electrostatic Ion Beam Trap
I N A U G U R A L D I S S E R T A T I O N
zurErlangungdesakademischenGrades
einesDoktorsderNaturwissenschaftender
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen
FakultätderErnst-Moritz-Arndt-Universität
Greifswald
vorgelegtvon
MarkusEritt
geborenam10.08.1977
inJena
Greifswald, August2008Dekan: Prof. Dr. K.Fesser
1. Gutachter: Prof. Dr. L.Schweikhard
2. Prof. Dr. D.Zajfman
TagderPromotion: 2.10.2008Contents
1. Introduction 1
2. Cluster properties 3
2.1. Shortintroductionintoclusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1. Structurecalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2. Structureexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.3. Branchingratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.4. Polarisabilitycalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3. Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1. Structurecalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2. Structureexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.3. Branchingratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4. Silver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1. Structurecalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.2. Structureexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.3. Branchingratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.4. Polarisabilitycalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.5. Giantdipoleresonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3. Setup 19
3.1. Beamline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2. Clustersource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3. Trapchamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4. Pickupelectrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5. Electrontarget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.6. Micro-channelplatedetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7. Vacuumsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4. Evaporative cooling experiment 35
4.1. Theoreticalapproachesand1/t-decaylaw. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2. Methodandexperimentalrealisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2.1. Experimentalsetupandmeasurementtiming . . . . . . . . . . . . 37
4.2.2. Dataconditioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3. Resultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
iiiContents
5. Electron collision experiment 45
5.1. Electroncollisiondetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.1. Firstprinciplesfromhistory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.2. Detachmentthreshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.3. Scalinglaws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.4. Semi-empiricalapproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.5. Decaychannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.6. Polarisability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.7. Giantresonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2. Methodandexperimentalrealisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.1. Generalcrossedbeamapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.2. Experimentalsetupandmeasurementtiming . . . . . . . . . . . . 61
5.2.3. Backgroundcollisionnormalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.4. Dataconditioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.5. Measurementuncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.6. Crosssectioncomparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3. Resultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.1. Giantresonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.2. Carboncrosssectionresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.3. Aluminiumcrosssectionresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.4. Silvercrosssectionresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.5. Comparisontodifferentapproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6. Summary 97
6.1. Evaporativecoolingexperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2. Electron-inducedelectron-detachmentexperiment . . . . . . . . . . . . . . 97
7. Outlook 99
Bibliography I
A. Appendix XVII
A.1. Thermionicevaporationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII
A.2. Crosssectionresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXI
Acknowledgements XXIII
ivList of Figures
2.1. Sodiumshellstructureand“Rayleigh-jets” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. Carbonphotoelectronspectraandelectronaffinities . . . . . . . . . . . . . 6
!2.3. BranchingratioC ................................ 72
2.4. Polarisabilitycalculationsforneutralandanioniccarbonclusters . . . . . 8
2.5. Aluminiumvalencebandsandphoto-electronspectroscopydata . . . . . 10
2.6. Structureandgroundstateenergiesofdifferentsilverisotopes . . . . . . . 11
2.7. Silverphotoelectronspectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.8.branchingratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.9. Silverphoto-dissociationratiosandpolarisability . . . . . . . . . . . . . . 16
2.10. Giantdipoleresonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1. Beamline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2. Clustersource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3. Carbonandaluminiummassspectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4. Silvermassspectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5. Trapchamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.6. Mirrorpotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.7. Pickupsignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.8. Simulationelectrontarget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.9. Photoelectrontarget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.10. Cathodeandcollectorcurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.11. Mass-dependentmcp-efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1. 1/t-law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2. Setuplifetimeexperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
!4.3. LifetimeAl insemi-logarithmicplot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382!4.4. InjectionAl inplot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409! !4.5. LifetimeAl andAg indouble-logarithmicplot . . . . . . . . . . . . . . 425 5
5.1. Gryzinskiscrosssectionshape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2. Electron-atomimpact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3. Esaulovsscalinglaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4. Decaychannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.5. Potentialwellsandplasmoncreation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.6. Crossedbeamcollisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.7. Electroncollisionexperimentsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.8.ontargettiming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.9. Electroncollisiontiming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
vListofFigures
5.10. Electroncollisionmeasurementscheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.11.onnormalisationtiming. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.12. Mcppatternofabunchedbeam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.13. Firstharmonicfft-peakofabunchedbeam . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.14. Frequencyspectraofabunchedbeam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.15. Backgroundnormalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
!5.16. C crosssectionandnormalisationtoabsolutemeasurement . . . . . . . . 762!5.17. C cross . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778
5.18. Crosssectioncomparisontodifferentexperiments . . . . . . . . . . . . . . 78
!5.19. Ag crosssection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 797
5.20. Ordinaryvs. polarisationalbremsstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
25.21. Carbonresultsvs. m/E ............................. 82b
25.22.rvs."!#·m/E ........................... 84b
25.23. Aluminiumresultsvs. m/E 85b
25.24. Silverresultsvs. m/E .............................. 87b
25.