The total photoionization cross sections of Ar, O2 and N2 in Extreme Ultraviolet were determined.Thesis (M.Sc.) -- University of Adelaide, Dept. of Physics and Mathematical Physics, 199

Hennessy, Michael Joseph

Adelaide Research &amp; Scholarship

) 1P H O T O I O N I Z A T I O N  O F  G A S E SI N  T H E  E X T R E M E  U L T R A V I O L E TM I C H A E L  J O S E P H  H B N N E S S Y ,  B . S c .  ( I I O N S . )T h e s i s  s u b m i t t e d  f o r  t h e  d e g r e e  o fM a s t e r  o f  S c i e n c ei nT h e  U n i v e r s i t y  o f  A d e l a i d e( D e p a r t m e n t  o f  P h y s i c s  &  M a t h e m a t i c a l  P h y s i c s )O c t o b e r  1 9 9 6C O N T B N T SP a g e( i v )( v )( v i )A b s t r a c tS t a t e m e n tA c k n o w l e d g m e n t sC H A P T E R  1 :  P h o t o a b s o r p t i o n  b y  g a s e s1 . 1  I n t r o d u c t i o n1 . 2  A t o m i c  a b s o r p t i o n1 . 3  Q u a n t u m  M e c h a n i c s1 . 4  A t o m i c  p h o t o i o n i z a t i o n1 . 5  D i a t o m i c  m o l e c u l a r  a b s o r p t i o n1 . 6  M o l e c u l a r p h o t o i o n i z a t i o nC H A P T E R  2  z  L i g h t  p r o d u c t i o n2 . 1  E l r V  l i g h t  s o u r c e s2 . 2  G a s  d i s c h a r g e  t h e o r y2 . 2 . 1  I n t r o d u c t i o n2 . 2 . 1 a  G a s  d i s c h a r g e  l i g h t  p r o d u c t i o n2 . 2 . 2  B r e a k d o w n m e c h a n i s m s2 . 2 . 3  G l o w  d i s c h a r g e2 . 2 . 3 a  N e g a t i v e  g l o w2 . 2 . 4  H o l l o w  c a t h o d e  e f f e c t2 . 2 . 5  L o w  p r e s s u r e  s p a r k  d i s c h a r g e2 . 3  T h e  e x p e r i m e n t a l  l a m p2 . 4  L a m p  p o w e r  s u p p l i e s2 . 4 . 1  L a r n p  o p e r a t i o n2 . 3 c  T h e  L a m p  s p e c t r a1)J81 31 82 02 12 T2 l2 22 82 93 03 23 43 53 63 8l i )C H A P T E R 3  :  W a v e l e n g t h  s e l e c t i o n3 . 1  D i f f r a c t i o n  g r a t i n g  t h e o r y3 . 2  T h e  m o n o c h r o m a t o r3 . 3  O p e r a t i o n  o f  t h e  m o n o c h r o m a t o rC H A P T E R  4 :  l o n i z a t i o n  p a r t i c l e  d e t e c t o r s4 . 1  D o u b l ç  i o n i z a t i o n  c h a m b e r  t h e o r y4 . 2  T h e  e x p e r i m e n t a l  d o u b l e  i o n  c h a m b e r4 . 3  P h o t o i o n i z a t i o n  c r o s s  s e c t í o n  m e a s u r e m e n t s  u s i n g  t h ed o u b l e  i o n i z a t i o n  c h a m b e r4 . 4  M e t r o l o g y  o f  t h e  e x p e r i m e n t a l  i o n  c h a m b e r4 . 4 . 1  D e t e r m i n a t i o n  o f  i o n  c o l l e c t o r  l e n g l h4 . 4 . 2  D e t e r m i n a t i o n  o f  t h e  n u m b e r  d e n s i t y4 . 4 . 2 ( a )  T e m p e r a t u r e  m e a s u r e m e n t4 . 4 . 2 ( b )  P r e s s u r e  m e a s u r e m e n ta . a . 2 @ )  T a r g e t  g a s  n u m b e r  d e n s i t yC H A P T E R  5  :  I o n  c u r r e n t  m e a s u r i n g  e q u i p m e n t5 . 1  R e v i e w  o f  e l e c t r o m e t e r  i n s t r u m e n t a t i o n5 . 2  E x p e r i m e n t a l  e l e c t r o m e t e r5 . 2  D i g i t i s e r  c i r c u i tC H A P T E R  6  :  D a t a  r e c o r d i n g  e l e c t r o n i c s6 . 1  C o m p u t e r  i n t e r f a c e6 . 2  D e t e c t o r  l i n e a r i t yC H A P T E R  1  :  D a t a a c q u i s i t i o n7 . 1  E x p e r i m e n t a l  t e c h n i q u e s7 . 2  O p e r a t i o n  o f  t h e  d o u b l e  i o n i z a t i o n  c h a m b e r4 04 t4 24 34 64 84 94 95 05 05 15 25 35 45 55 75 85 96 tt ü )C H A P T E R  I  :  E x p e r i m e n t a l  D a t a8 . 1  I n t r o d u c t i o n8 . 2  A r g o n  t o t a l  p h o t o i o n i z a t i o n  c r o s s  s e c t i o n8 . 3  .  N i t r o g e n  t o t a l  p h o t o i o n i z p t i o n  c r o s s  s e c t i o n8 . 4  O x y g e n  t o t a l  p h o t o i o n i z a t i o n  c r o s s  s e c t i o nA P P E I \ D I C E SA p p e n d i x  I  :  S y s t e m a t i c  e r r o r s  o f  t h e  e x p e r i m e n t a l  d o u b l e  i o n  c h a m b e rA p p e n d i x l l :  C B M - i n t e r f a c e p r o g r a mB I B L I O G R A P H Y6 36 36 66 87 07 47 6, tllIl ü i )A B S T R A C TT h e  m a i n  g o a l  o f  t h i s  t h e s i s  i s  t h e  m e a s u r g m e n t  o f  t h e  t o t a l  p h o t o i o n i z a t i o n  c r o s ss e c t i o n  o f  g a s e s ,  p r i n c i p a l l y  A r ,  0 2  a n d  N z ,  f r o m  a p p r o x i m a t e l y  2 0 0  t o  6 0 0  - Ä . ,  t h a t  i s ,  i n  t h eE x t r e m e  U l t r a v i o l e t  ( E W ) .  T h e  p r e s e n t  a i m  i s  t o  r e d u c e  e r r o r s  a s s o c i a t e d  w i t h  t h ee x p e r i m e n t a l  a c q u i s i t i o n  o f  d a t a  a n d  t o  a c h i e v e  c r o s s  s e c t i o n a l  r e s u l t s  w i t h  t o t a l  r e l a t i v ee r r o f s  o f  l e s s  ¡ þ 4 y 1 +  3 y o .T h e  e m p h a s i s  o f  t h e  e x p e r i m e n t a l  w o r k  w a s  o n  t h e  c o n s t r u c t i o n  o f  a  p u l s e d  p o w e rs u p p l y  c a p a b l e  o f  d e l i v e r i n g  p e a k  c u r r e n t s  o f  t h e  o r d e r  o f  a  t h o u s a n d  a m p e r e s  f o r  u s e  w i t ha  c o n d e n s e d  s p a r k  d i s c h a r g e  l a m p ,  t h e  d e s i g n  a n d  i m p l e m e n t a t i o n  o f  a n  e l e c t r o m e t e r ,  b u i l tf r o m  d i s c r e t e  c o m p o n e n t s ,  a n d  a  c o m p u t e r  i n t e r f a c e  b o a r d .R a d i a t i o n  f r o m  t h e  l a m p  w a s  d i s p e r s e d  b y  a  g r a z i n g  i n c i d e n c e  m o n o c h r o m a t o r  b e f o r eb e i n g  p a s s e d  i n t o  a  d o u b l e  i o n i z a t i o n  c h a m b e r .  T h e  i o n  c u r r e n t s  p r o d u c e d  b y  t h ea b s o r p t i o n  o f  E U V  r a d i a t i o n  i n  t h e  d o u b l e  i o n  c h a m b e r  w e r e  g r o u n d e d  t h r o u g h  t h e i rr e s p e c t i v e  e l e c t r o m e t e r s ,  w h o s e  r e a d i n g s  u s e d  w i t h  o t h e r  p h y s i c a l  m e a s u r e m e n t s ,  r e s u l t s  i nt h e  t o t a l  p h o t o i o n i z a t i o n  c r o s s  s e c t i o n  b e i n g  d e t e r m i n e d '( i v )S T A T E M E N TT h i s  w o r k  c o n t a i n s  n o  m a t e r i a l  w h i c h  h a s  b e e n  a c c e p t e d  f o r  t h e  a w a r d  o f  a n yo t h e r  d e g r e e  o r  d i p l o m a  i n  a n y  u n i v e r s i t y  o r  o t h e r  t e r t i a r y  i n s t i t u t i o n  a n d ,  t o  t h eb e s t  o f  t h e  m y  k n o w l e d g e  a n d  b e l i e f ,  c o n t a i n s  n o  m a t e r i a l  p r e v i o u s l y  p u b l i s h e d  o rw r i t t e n  b y  a n y  o t h e r  p e r s o n ,  e x c e p t  w h e r e  d u e  r e f e r e n c e  h a s  b e e n  m a d e  i n  t h e  t e x t .I  g i v e  c o n s e n t t o  t h i s  c o p y  o f  m y t h e s i s ,  w h e n  d e p o s i t e d  i n  t h e  U n i v e r s i t y L i b r a r y ,b e i n g  a v a i l a b l e  f o r  l o a n  a n d  p h o t o c o p y l n g .S I G N E D :. D A T E :  . .( v )A C K N O W L E D G M E N T ST o  m y  s u p e r v i s o r ,  D r .  A .  J .  B l a k e , I  w i s h  t o  e x p r e s s  m y  s i n c e r e  g r a t i t u d e  f o r  h i sl i m i t l e s s  p a t i e n c e  a n d  e a s y  a c c e s s i b i l i t y  w h e n e v e r  i t  w a s  n e c e s s a r y  t o  c o n s u l t  h i m  f o ra d v i c e .  I  a l s o  t h a n k  D r .  D .  G .  M c C o y  f o r  t h e  m a n y  i n f o r m a t i v e  d i s c u s s i o n s  o n  v a r i o u se x p e r i m e n t a l  p r o b l e m s  a n d ,  m o r e  i m p o r t a n t l y ,  t h e i r  s o l u t i o n s .  A l s o  i t  " v o u l d  b e  r e m i s s  o fm e  n o t  t o  m e n t i o n  t h e  t e c h n i c a l  s t a f f  f o r  t h e i r  e x t r e m e l y  u s e f u l  a d v i c e  a n d  h a n d s - o n  h e l pw i t h  m a n y  a s p e c t s  o f  t h i s  w o r k .  P r i n c i p a l l y  t h e y  w e r e  M e s s r s  J .  W r i g h t  a n d  B .  N a t i o n ,c o n s e c u t i v e  t e c h n i c i a n s  w i t h  t h e  U V  G r o u p ,  M e s s r s  J .  S m i t h  a n d M .  S h o r t h o s e  f r o mE l e c t r o n i c  S e r v i c e s  a n d  M e s s r s  P .  S c h e b e l l a ,  J .  S c h a c h e  a n d  G .  E a m e s  f r o m  t h ed e p a r t m e n t '  s  M e c h a n i c a l ' W o r k s h o p .T o  m y  f e l l o w  s t u d e n t s ,  e s p e c i a l l y  t h o s e  w i t h i n  m y  r e s e a r c h  g r o u p  a n d  i np a r t i c u l a r  M e s s r s  M . P a n i z z a  a n d  A .  L .  J o n e s ,  I  o f f e r  m y  g r a t i t u d e  f o r  t h e  t i m e  a n da s s i s t a n c e  t h e y  f r e e l y  g a v e .  A l s o  t h a n k s  t o  a l l  f e l l o w  p o s t g r a d u a t e  s t u d e n t s  w h o  o f f e r e d  ah e a l t h y  s o c i a l  a t m o s p h e r e  o u t s i d e  t h e  l a b o r a t o r y  w i t h  v a r i o u s  s p o r t i n g  a c t i v i t i e s  a n d  o t h e rn o t - s o  h e a l t h y  s o c i a l  a c t i v i t i e s !L a s t l y ,  b u t  d e f i n i t e l y  n o t  l e a s t ,  I  t h a n k  J e n n i f e r  f o r  h e r  l o v e ,u n d e r s t a n d i n g  a n d  s u p p o r t  a b o v e  a n d  b e y o n d  w h a t  c a n  b e  r e a s o n a b l y  e x p e c t e d .  I  t r u l yh o p e  t h a t  w e  b o t h  r e a p  t h e  r e l v a r d s  f r o m  w h a t  h a s  b e e n  a c h i e v e d  h e r e .( v i )

Photoionization of gases in the Extreme Ultraviolet

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Photoionization of gases in the Extreme Ultraviolet

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