Development of an ion mobility spectrometer for heavy element research [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mustapha Laatiaoui

Mustapha Laatiaoui

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 9
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Extrait

Development of an Ion Mobility
Spectrometer for Heavy Element
Research
Mustapha Laatiaoui
Munc˜ hen 2009Development of an Ion Mobility
Spectrometer for Heavy Element
Research
Mustapha Laatiaoui
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
an der Fakultat fur Physik˜ ˜
der Ludwig{Maximilians{Universit˜at Munc˜ hen
vorgelegt von
Mustapha Laatiaoui
aus Oujda
Munc˜ hen, den 14.12.2009Erstgutachter: Prof. Dr. Dietrich Habs
Zweitgutachter: Prof. Dr. Hartmut Backe (Universitat˜ Mainz)
Tag der mundlichen Prufung: 18.01.2010˜ ˜Summary
In the past, Ion Mobility Spectrometry (IMS) devices have proven to be powerful tools
for state-selective mobility investigations at a variety of elements. Hence, the mobility
spectrometryincreasinglygainsimportanceifdealingwiththeheaviestelements,where
relativistic efiects strongly afiect their valence electron conflgurations.
During this work, a dedicated IMS apparatus has been developed, assembled, charac-
terized and subsequently applied in systematic mobility studies at various lanthanide
elements. The developed ion mobility spectrometer consists of a drift cell and a difier-
ential pumping section containing a quadrupole ion guide (QPIG), a mass fllter and a
channeltron detector. The drift cell is decoupled from the difierential pumping section
by an extraction nozzle. The apparatus is designed for mobility measurements at a
¡17 2ratio E=n < 5Td (Townsend), where 1Td= 10 Vcm . The quantity E denotes the
static electric fleld strength and n is the number density of bufier gas atoms in the cell.
223The e–ciency " of ion extraction from the drift cell has been studied using a Raex
recoilionsourceandisfoundtobe" =0:57§0:10atacellpressureof80mbarargonex
when using a nozzle of 1mm throat diameter.
First systematic mobility measurements were performed using lanthanide fllaments in
ofi-lineexperiments. Afterevaporationfromagivenfllamentinsidethecell,lanthanide
atoms are resonantly ionized in a two-step excitation scheme via two suitable laser
wavelengths. In a nearly homogeneous electric fleld and at an argon pressure of about
41mbar, the ions drift towards the nozzle and get extracted. After extraction, the ions
are guided by the QPIG into the high vacuum section, where mass selective detection
occurs. The difiusion of the ions during their drift results in broadened peaks in the
arrival time distributions (ATD). The lower limit of the normalized standard deviation
of such peaks for usual ion mobility spectrometers can be given by ? =t… 1%. Witht
? =t … 1:2% the developed spectrometer comes close to this flgure of merit and thust
providesagoodtoolforinvestigatingthedependenceofthemobilityofheavyelements
on their electronic conflguration.
As expected from mobility theory, the lanthanide mobilities show a great similarity.
The only exception is the element gadolinium, which exhibits an 8% lower reduced
2mobility of K = [1:692(§0:001) (§0:018) ]cm /Vs. The gadolinium peak in the0 stat sys
arrivaltimedistributionscanbeclearlyresolvedfromtheotherinvestigatedlanthanides
at a resolving power of about 45 of the developed apparatus. The observed mobility
deviation is assumed to be a direct consequence of occupying the d-orbital in singly
charged gadolinium, which in turn has a signiflcant impact on the ion-atom interac-
tion potential. The latter is of particular interest in the mobility theory, which allows
for quite accurate K calculations. The rigid-sphere model is found to be too simple0
iii
when aiming at mobility estimations and it can be concluded that the long-range and
intermediate-range terms in the interaction potential, which account for the polariz-
ability of the gas atoms or the ion, cannot be safely ignored, especially at small E=n
values.
Future application of mobility spectrometry to heavy elements at difierent E=n ratios
may deliver signiflcant knowledge about their ion-atom interaction potentials and may
pave the way for electron conflguration and relativistic contraction studies also in the
region of superheavy elements.Zusammenfassung
Bereits in der Vergangenheit haben moderne Mobilit˜atsspektrometer ihre Tauglichkeit
fur˜ zustandsselektive Mobilit˜atsuntersuchungen bei zahlreichen chemischen Elementen
unter Beweis gestellt. Die Mobilit˜atsspektrometrie gewinnt nun zunehmend an Bedeu-
tung,wennsolcheUntersuchungenaufdieschwerstenElementeausgedehntwerden,wo
relativistischeEfiektedieatomarenZust˜andeihrerValenzelektronenstarkbeein ussen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ionenmobilit˜ats-Spektrometer entwickelt, aufge-
baut, charakterisiert und anschlie…end in systematischen Mobilit˜atsmessungen bei
Lanthaniden eingesetzt. Es besteht aus einer Driftzelle und einer difierenziellen
Pumpstrecke, die eine lineare Paul-Falle, einen Massenfllter und einen Elektronen-
vervielfacher beinhaltet. Eine Duse˜ dient zur Trennung der Driftzelle von der Pump-
strecke. Das Spektrometer ist konzipiert fur˜ Mobilit˜atsmessungen im Bereich von
¡17 2E=n < 5Td (Townsend), wobei 1Td= 10 Vcm . Die Gr˜o…e E bedeutet hier die
statische elektrische Feldst˜arke und n ist die Dichte der Pufiergasatome in der Zelle.
223Die Extraktionse–zienz der Driftzelle wurde mit Hilfe einer Ra-Ruc˜ ksto…quelle un-
tersucht und betr˜agt " = 0;57§0;10 bei einem Zellendruck von 80mbar Argon fur˜ex
eine Duse˜ mit 1mm Innendurchmesser.
Erste systematische Mobilit˜atsmessungen bei monoatomaren Lanthaniden wurden in
O†ine-Experimenten durchgefuhrt.˜ Dabei wurden die gewunsc˜ hten Elemente von
einemFilamentinnerhalbderZelleabgedampftundanschlie…endineinerZwei-Stufen-
Anregung mit zwei geeigneten Laserstrahlen resonant ionisiert. Die erzeugten Ionen
driften so in einem fast homogenen elektrischen Feld bei einem Argon-Zellendruck von
etwa 41mbar in Richtung der Duse,˜ von wo aus sie extrahiert werden. Danach wer-
den sie mit Hilfe der linearen Paul-Falle zum massenselektiven Nachweis in der letzten
Pumpsektion bei gutem Vakuum weitergeleitet. Die Difiusion der Ionen innerhalb der
Driftzelle verursacht verbreiterte Peaks in den Zeitspektren. G˜angige Mobilit˜atsspek-
trometerweisendahereinerelativePeakbreitevon? =t…1%auf. DasindieserArbeitt
beschriebene Spektrometer erreicht eine relative Peakbreite von ? =t…1;2% und stelltt
damit ein hervorragendes Hilfsmittel dar, um die Abh˜angigkeit der Mobilit˜at von der
elektronischen Konflguration der Lanthaniden zu untersuchen.
Wie theoretisch erwartet ergeben sich fur˜ die untersuchten Lanthanide ˜ahn-
liche Mobilit˜aten. Die einzige Ausnahme stellt das Element Gadolinium dar,
welches eine um 8% kleinere sogenannte reduzierte Mobilit˜at\ von K =0"2[1;692(§0;001) (§0;018) ]cm /Vs aufweist. Bei einem Au ˜osungsverm˜ogen desstat sys
Spektrometers von ca. 45 k˜onnen die Gadolinium-Peaks in Bezug auf andere Elemen-
te eindeutig aufgel˜ost werden. Diese beobachtete Anomalie ist m˜oglicherweise auf die
Besetzung des d-Orbitals beim einfach geladenen Gadolinium zuruc˜ kzufuhren,˜ welche
iiiiv
wiederumeinenEin ussaufdasinteratomareWechselwirkungspotentialhat. Letzteres
ist von besonderer Bedeutung in der Ionen-Mobilit˜atstheorie, die eine sehr genaue Be-
stimmung von K zul˜asst. Dieser Arbeit zufolge eignet sich das sogenannte Rigid-0 "
Sphere-Model\ nicht besonders gut zur Bestimmung von Ionenmobilit˜aten, insbeson-
dere nicht bei verschwindend kleinen elektrischen Feldern. Genauso ungeeignet sind
Wechselwirkungspotentiale, bei denen die langreichweitigen oder mittelreichweitigen
Terme vernachl˜assigt werden, die die Polarisierbarkeit der Gas-Atome oder des Ions
beruc˜ ksichtigen.
Eine zukunftige˜ Anwendung der Mobilit˜atsspektrometrie bei schweren Elementen
und bei verschiedenen E=n-Parametern k˜onnte aufschlu…reiche Informationen ub˜ er
deren interatomare Wechselwirkungspotentiale liefern. Sie k˜onnte zudem einen ex-
perimentellen Zugang er˜ofinen zum Studium ihrer Elektronenkonflgurationen und der
relativistischen Kontraktion der Valenzelektronenorbitale der besonders interessanten
superschweren Elemente.Contents
1 Introduction 1
2 Theory of ion mobility spectrometry 5
2.1 Difiusion and drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 The collision cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 The rigid-sphere model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 The ion-neutral interaction models . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Preliminary considerations about the ion mobility spectrometer 13
3.1 The experimental method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Principle of resonance ionization using lasers . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Requirements on the design of the drift cell . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.1 Principles of ion extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.2 Considerations concerning the static electric fleld . . . . . . . . 20
3.3.3 Choosing a proper extraction nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Considerations for the detection part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 The experimental setup 29
4.1 The spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1.1 The drift cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.1.2 The gas supply system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34