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Messung atomarer Wirkungsquerschnitte mit Synchrotronstrahlung

29.05.2018

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

Fundamentale Materialparameter wie zum Beispiel die Wirkungsquerschnitte zur Wechselwirkung von Materie mit Strahlung sind sowohl für die Grundlagenforschung als auch für diagnostische und analytische Anwendungen von großer Bedeutung. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPM in Freiburg i. Br. wurden an der Metrology Light Source kürzlich 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.

Der photoelektrische Effekt, d.h. die Auslösung von Elektronen durch hinreichend energiereiche Lichtteilchen (Photonen), ist einer der elementaren Prozesse bei der Wechselwirkung von Licht und Materie. Für seine Beschreibung im Jahr 1905 wurde Albert Einstein 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Für einzelne, freie Atome wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein solcher Prozess stattfindet, durch eine effektive Fläche beschrieben, den so genannten Wirkungsquerschnitt. Für Edelgase liegen entsprechende Daten seit langem vor, jedoch ohne eine solide metrologische SI-Rückführung. Um dies zu erreichen, wurde am Fraunhofer IPM eine Doppelionisationskammer entwickelt und an der Metrology Light Source (MLS) der PTB in Berlin-Adlershof mit Synchrotronstrahlung im Wellenlängenbereich von 25 nm bis 90 nm eingesetzt.

Die Doppelionisationskammer umfasst ein Gasvolumen mit einem Druck im Bereich bis zu einigen 10 Pa, in dem Photoabsorption einerseits zur Schwächung der einfallenden Strahlungsleistung führt und andererseits zu der Emission von Photoelektronen und insbesondere auch der Erzeugung positiv geladener Photoionen. Durch deren elektrostatische Extraktion und Nachweis an zwei hintereinander angeordnete Anoden lässt sich wiederum die Lichtschwächung messen und daraus der Wirkungsquerschnitt für Photoabsorption bzw. Photoionisation bestimmen. Ferner erlauben die beiden Ionensignale auch den Nachweis der einfallenden Strahlungsleistung.

Bei den Experimenten an der MLS wurde die Doppelionisationskammer im Rahmen einer Promotion an der Universität Freiburg umfassend charakterisiert, insbesondere hinsichtlich des Einflusses von Druckgradienten zwischen Eintritt und Austritt der Synchrotronstrahlung auf die Signale. Auf dieser Grundlage wurden die Photoionisationsquerschnitte von He, Ne, Ar, Kr und Xe bestimmt. Die dabei erreichten relativen Standardmessunsicherheiten im Bereich einiger 10-3 liegen um bis zu einer Größenordnung unter denen der bisher verfügbaren Daten und stimmen mit diesen 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 (Solar Auto-Calibrating EUV Spectralphotometer) auf 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 im Spektralbereich von Vakuum-Ultraviolett- bis Röntgenstrahlung mit speziellen für diese Anwendung optimierten Gas-Monitor-Detektoren. Die Datensätze sollen in der PTB auch bei der Entwicklung einer SI-rückgeführten Gasanalytik eingesetzt werden.

 

Ansprechpartner:

A. Gottwald, 7.13, E-Mail: Opens window for sending emailAlexander.Gottwald(at)ptb.de

 

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