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Photoionisation von Gasen

Messung atomarer Wirkungsquerschnitte mit Synchrotronstrahlung

PTBnews 3.2018
02.10.2018
Besonders interessant für

Atom- und Plasmaphysik

Sonnen- und Atmosphärenforschung

Röntgenlaserdiagnostik

Gasanalytik

In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPM in Freiburg i. Br. wurden an der Metrology Light Source (MLS) der PTB die Wirkungsquerschnitte zur Photoionisation von Edelgasen im Spektralbereich von Vakuum-Ultraviolett-Strahlung gemessen. Die Ergebnisse stellen eine Erweiterung bereits bestehender Datensätze dar, mit kleineren Unsicherheiten und einer soliden metrologischen Rückführung auf das Internationale Einheitensystem SI, für Anwendungen in der Sonnen- und Atmosphärenforschung, der Charakterisierung von Röntgenlasern sowie bei der Analytik von Verbrennungsgasen.

Schema der Doppelionisationskammer zur Messung atomarer Photoionisationsquerschnitte mit Synchrotronstrahlung an der Metrology Light Source (MLS)

Für die Messungen wurde am IPM eine Doppelionisationskammer entwickelt und an der MLS in mit Synchrotronstrahlung im Wellenlängenbereich von 25 nm bis 90 nm eingesetzt. Die Kammer umfasst ein Gasvolumen mit einem Druck im Bereich bis zu einigen 10 Pa, in dem Photoabsorption einerseits zur Schwächung der einfallenden Strahlungsleistung führt, andererseits zur Emission von Photoelektronen, insbesondere auch zur Erzeugung positiv geladener Photoionen. Da deren Nachweis nach elektrostatischer Extraktion an zwei hintereinander angeordnete Anoden erfolgt, lässt sich die Lichtschwächung messen und daraus der Wirkungsquerschnitt für Photoabsorption bzw. Photoionisation bestimmen. Ferner erlauben die beiden Ionensignale den Nachweis der einfallenden Strahlungsleistung.

Bei den Experimenten an der MLS wurde die Doppelionisationskammer umfassend charakterisiert, insbesondere hinsichtlich des Einflusses von Druckgradienten zwischen Eintritt und Austritt der Synchrotronstrahlung auf die Signale. Die erreichten relativen Standardmessunsicherheiten für die Photoionisationsquerschnitte von He, Ne, Ar, Kr und Xe im Bereich einiger 10–3 liegen um bis zu einer Größenordnung unter denen der bisher verfügbaren Daten und stimmen mit ihnen innerhalb der kombinierten Unsicherheiten sehr gut überein.

Die Ergebnisse wurden bereits genutzt, um die Messdaten einer baugleichen Doppelionisationskammer zu validieren, mit der im Zeitraum von 2008 bis 2017 im SolACES-Modul der Internationalen Raumstation ISS die Sonnenstrahlung untersucht wurde. Die neuen Wirkungsquerschnittsdaten bilden darüber hinaus eine verbesserte Grundlage für den quantitativen Nachweis von Freie-Elektronen- Laser-Strahlung mit dafür optimierten Gas-Monitor-Detektoren. Von großer Bedeutung sind die Datensätze auch bei der Entwicklung einer SI-rückgeführten Gasanalytik.

Ansprechpartner

Alexander Gottwald
Fachbereich 7.1
Radiometrie mit Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7130
Opens window for sending emailalexander.gottwald(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

R. Schaefer, A. Gottwald, M. Richter: Traceable measurements of He, Ne, Ar, Kr, and Xe photoionization cross sections in the EUV spectral range. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 51, 135004 (2018)