Gspann, J.

Krieg, G.

KITopen

Mai 1968Institut für KernverfahrenstechnikLaufzeitanalyse eines an einern COZ-Molekularstrahlgestreuten K-AtomstrahlsJ. Gspann, G. KriegKFK 794-----------Sonderdruck aus der Z E I T S eHR 1FT FÜR N A T U R F 0 R S CH U N G Band 23 a, Heft 5, 1968Verlag der Zeitschrift für Naturforschung, TübingenLaufzeitanalyse eines an einem CO2-Molekularstrahl gestreuten K-AtomstrahlsJ. GSPANN und G. KRIEGLaufzeitanalyse eines an einem CO2-Molekularstrahl gestreuten K-AtomstrahlsJ. GSPANN und G. KRIEG(Z. Naludorsch. 23 a, 726-730 [1968] ; eingegangen am 23. Februar 1968)A method is described to determine the velocity dependence of scattering processes from time-of-fiightmeasurements with crossed molecular beams. Scattering ofa potassium atomic beam byshort pulses of a carbon dioxide molecular beam generates attenuation pulses in the intensity ofthe potassium beam. The time-of-flight broadening of these attenuation pulses is measured employingsignal averaging to improve the signal-to-noise ratio from 1 to 100. The experimental results arein accordance with computed time-of-flight distributions based on the additionally measured velocitydistributions and geometries of the two molecular beams, and using the known velocity dependence-------------=ocrf·tlChe:::--<K~-CD2scattermg cross sectIon.Einleitnng und ZusammenfassungZur Untersuchung der Geschwindigkeitsabhängig-keit von Streuprozessen kann die Methode der ge-kreuzten Molekularstrahlen mit einem Laufzeitver-fahren kombiniert werden. Dazu erzeugt man kurzeSchwächungsimpulse in der Intensität des Primär-strahles, indem man den Streustrahl mit Hilfe einerUnterbrecherscheibe nur kurzzeitig freigibt. DieLaufzeitverteilung dieser Schwächungssignale nachDurchlaufen des Weges zwischen Streuzentrum undPrimärstrahldetektor wird durch die Geschwindig-keitsverteilungen der Teilchen in den sich kreuzen-den Strahlen und die Geschwindigkeitsabhängigkeitdes Streuprozesses bestimmt.Das Verfahren wurde mit einem K-Atomstrahl alsPrimärstrahl und einem intensitätsschwachen CO2-Strahl als Sekundärstrahl erprobt. Unter den in dervorliegenden Arbeit gewählten Bedingungen ergibtsich ein Verhältnis zwischen der Amplitude desSchwächungssignals und der stationären K-Intensitätvon 10-5 -10-4• Das zugehörige Signal/Rausch-Verhältnis beträgt ungefähr 1. Mit Hilfe eines 100-Kanal-Signalmittlers wird letzteres um etwa 2 Grö-ßenordnungen verbessert, wodurch die Laufzeitver·teilung bis auf einige Prozent ihrer Amplitude aus-gemessen werden kann.Um einen Vergleich mit der Theorie zu ermög-lichen, werden die Geschwindigkeitsverteilungen imK- und im CO2-Strahl durch Laufzeitanalyse 1 be-stimmt und die Geometrie des Streuvolumens, sowiedie relative Dichteverteilung innerhalb desselbendurch Messung der Intensitätsprofile ermittelt. Ausdiesen Daten wird unter Vorgabe der bekannten Ge-schwindigkeitsabhängigkeit des K-C02-Streuquer-schnitts die Laufzeitverteilung des Schwächungs-signals berechnet. Der Vergleich mit dem experimen-tellen Ergebnis zeigt Übereinstimmung im Rahmender Meßgenauigkeit.Apparativer Aufbau und SignalverarbeitungDie }...nordnung der gekreuzten Strahlsysteme inner-halb der Vakuumkammer ist in Abb.l schematischdargestellt. Das Kaliumstrahlsystem wurde in 2 be-schrieben. Ofen, Kühlkappe und Kollimator haben1 E. W. BECKER U. W. HENKES, Z. Phys.146, 320 [1956].2 H. BURGHOFF U. J. GSPANN, Z. Naturforsch. 22 a, 684 [1967].LAUFZEITANALYSE EINES K·ATOMSTRAHLS 727Abb. 1. Anordnung zur Laufzeitanalyse mit gekreuzten Mole-kularstrahlen. Die umgebende Vakuumkammer ist nicht dar-gestellt.Spalte von 0,10 mm, 2,0 mm und 0,41 mm Weite, dieEntfernungen der Spalte vom Streuzentrum (x=O) be-tragen x= -202,0 mm, -187,8 mm und -144,0 mmin der genannten Reihenfolge. Ein magnetischer Schlie-ßer dient zum Abblenden des K·Strahls. Das Wolfram-band des Langmuir-Taylor-Detektors (LT.Detektor) be-findet sich in x = +177,5 mm Abstand vom Streuzen-trum und ist 1,0 mm breit. Für diese Anordnung ergibtsich der von KUSCH 3 definierte Auflösungswinkel Go zu36'.Das CO2-Strahlerzeugungssystem besteht aus einerkonvergenten Düse mit 0,18 mm Durchmesser inY= -139,1 mm Entfernung vom Streuzentrum (y=O)und einem Abschäler mit 0,64 mm Durchmesser am OrtY = -138,0 mm. Das abgeschälte CO2-Gas wird voneiner mit flüssigem Stickstoff gekühlten Kondensations-fläche aufgefangen.Zur Erzeugung der CO2·Impulse dient die Unter-brecherscheibe 1 von 0,5 mm Dicke und 97 mm Durc.lt-messer in y = 29,6 mm Entfernung vom Streuzentrum.Sie hat vier radiale, paarweise diametrale Schlitze von15 mm Länge und 0,5 mm Breite mit schneidenförmi-gen Kanten und wird von einem Hysterese-Synchron·Motor (McLean Syntorque EF17H71) angetrieben.Im Lauf der Experimente erwies es sich als nötig, denStrahlunterbrecher an Schwingungsdämpfern aufzuhän-gen, weil die vom Motor ausgehenden mechanischenSchwingungen mit dem gesuchten Streusignal phasen-starr gekoppelte Störsignale, die vom Signalmittleraufintegriert werden, verursachen. Zur Wärmeabfuhrist das Motorgehäuse durch eine flexible Kupferlitzemit der Wasserkühlung der Kühlkappe des Kalium-ofens verbunden. Es zeigte sich, daß die Kaliumatome,die zwar in Strahlebene, aber nicht achsenparallel flie-gen, an der rotierenden CO2-Unterbrecherscheibe zumAuHänger hin reflektiert werden und wegen Scheiben-schwingungen zu einer Modulation der Kaliumintensi-~ tät führen. Dieses Störsignal konnte durch VerdeckenK-Ofen der rotierenden Scheibe mit der Abdeckplatte (18) be-Kühlkappe seitigt werden. Die Platte ist mit einem 5 mm breitenund 20 mm hohen Austrittsspalt für die CO2-ImpulseSchließer:. versehen.~I I Kollimator Zur Messung der Geschwindigkeitsverteilungen in::LL/ Unterbrecher 2 den beiden Strahlen mit Hilfe der Laufzeitanalyse istU es erforderlich, die Anordnung um einen CO2-DetektorI I und eine Unterbrecherscheibe im K-Strahl zu erweitern.AbdeckPlatte~: \ . ...GQ~_~rtr~~~~~:~::~l~:;~:~i~~SE~n~:~~~~le::~~:~-Unt"bcoch"I::Jtl' -- -- - 9 = Länge. Ihre W"'" ..ud j,weils '" g,wählt, daßI I der durch Düse und Eintrittsblende bestimmte Strahl:::J ' I an der Stelle der Unterbrecherscheibe 1 so breit ist wieI I - -I U die Scheibenschlitze, also 0,5 mm.-'""'" _~==:= ,- ---; p Die Unterbrecherscheibe 2 im K-Strahl hat die glei-t} '-. I 1- - - - n chen Abmessungen wie die im CO2-Strahl, jedoch ist ein'-....... I I - - Paar diametraler Schlitze auf 17 mm erweitert. Durch'- --.L , ES - Detektor einen der beiden weiten Schlitze tritt der K-Strahl beiCO2 -Düse I ....... du~nten, die mit stehen·rJ.d""emrrr-lU'fln!hLe>rl+.bcrle<r.-o--------Abschäler x "" cher 2 durchgeführt werden. Zur Laufzeitanalyse derI I Geschwindigkeitsverteilung im K-Strahl werden die vomI I zweiten Schlitzpaar von 0,5 mm Weite bei laufenderI I Scheibe erzeugten K-Strahlimpulse verwendet.I I Das Blockschaltbild der verwendeten MeßanordnungI I ist in Abb.2 wiedergegeben. Die K-Atome bzw. CO2-~ Moleküle liefern nach Durchfliegen der Laufstrecke und~LT-Detektor Oberflächenionisation (LT-Detektor) bzw. Elektronen-stoßionisation (ES~Detektor) Ionenströme, deren :Ände-rungen als Spannungsimpulse an einem Ableitwider-stand von 1 MQ gemessen werden. Streusignale werdenals Schwächung des kontinnierlichen K-Strahles, alsoals Impulse mit negativer Amplitude, registriert. DieGleichstromintensität des K-Strahles wird dabei mit3 P. KUSCH, J. ehern. Phys. 40, 1 [1964]. 4 O. HAGENA U. W. HENKES, Z. Naturforsch. 15 a, 851 [1960].728 J. GSPANN UND G. KRIEG6=256=1500006=300000fbd6=56=300006=30000Laufzeitverteilung eines K-Impulses,erzeugt mit der Unterbrecherscheibe 2Laufzeitverteilung eines C02-lmpulses,erzeugt mit der Unterbrecherscheibe 1Laufzeitverteilung eines K-Schwächungssignals,hervorgerufen durch einen C02-lmpulSmum bei Po = 9 Torr. Höhere Einlaßdrucke führen beisteigendem Kammerdruck zu zunehmender Schwä·chung der K·Intensität und der Absolutgröße desStreusignals. Die im folgenden beschriebenen Ex-perimente wurden daher mit einem CO2·Einlaßdruckvon 9 Torr durchgeführt 5.Abb. 3 zeigt die Laufzeitverteilung des im K·Strahldurch den CO2·Impuls hervorgerufenen Schwächungs.signals, die CO2·Laufzeitverteilung und die K·Lauf·zeitverteilung am Eingang bzw. Ausgang des Wave-form Eductors (linke bzw. rechte Seite der Abbil-dung). Der Inhalt von Abb. 3 b ist zusätzlich alsvom X·Y·Schrei'ber registriertes Histogramm inAbb.4 wiedergegeben. Die Krümmung der NullinieAbb.3. Laufzeitverteilungen am Waveform·Eductor-Eingang(a, c, e) und -Ausgang (b, d, f). Die Horizontalablenkung be·trägt 0,2 msfRastereinheit, G ist der Gesamtverstärkungsfak·tor. Die Laufwege betragen bei a, b: 29,6 mm CO2·Laufwegplus 177,5 mm K-Laufweg; bei c, d: 177,5 mm; bei e, f:318,7 mm.5 Bei diesem Einlaßdruck besteht der CO2·Strahl praktischnur aus Einzelmolekülen. Molekülagglomerate werden erstbei wesentlich höherem Einlaßdruck gebildet.Experimentelle ErgebnisseBei Steigerung des CO2·Einlaßdruckes Po erreichtder Absolutwert der Streusignalamplitude ein Maxi·einem Mikroamperemeter (Kipp & Zonen AL 4) ge-messen. Synchron mit der Freigabe des Molekular-strahles durch einen Schlitz der Unterbrecherscheibe er-zeugt ein durch den gegenüberliegenden Schlitz fallen-der Lichtstrahl einen Photoelektronenimpuls, der alsZeitmarke für die Laufzeitmessung dient. Die auf denjeweiligen Detektor folgende Anordnung zur Verarbei-tung der Laufzeitsignale ist für beide Molekularstrah-len identisch. Über einen Koppelkondensator von3,3 nF und einen FET-Emitterfolger gelangen dieSpannungsimpulse zum Vorverstärker (Tektronix, Type132-L), der eine einstellbare Verstärkung bis zu2 '103 liefert, und werden anschließend mit dem Photo-impuls überlagert oszillographiert. Das Signal/Rausch-Verhältnis der Signalamplituden beträgt für die K-Laufzeitverteilung etwa 10, für die CO2-Laufzeitvertei-lung etwa 10-1 und für die Laufzeitverteilung desSchwächungssignals ungefähr 1. Das besonders ungün-stige Signal/Rausch-Verhältnis der CO2-Laufzeitvertei-lung rührt daher, daß der Elektronenstoßionisations-aerekror·-lfiJ.- e-(fltensatz- ·z1fm-J:;angmuir'Taylor~Detektordas Untergrundgas nachweist. - .Die rauschbehafteten Signale werden vom Y-Verstär-ker des Oszillographen (Siemens G 60) an den Ein· agang eines 100-Kanal-Signalmittlers (PAR TDH9 Wave·form Eductor) geführt. Der am Ausgang des zweitenEingangsverstärkers Y2 gesondert verfügbare, etwazehnfach verstärkte Photoimpuls wird als Triggersignalfür den Waveform Eductor benutzt. Nach einer ein·-------,.sttfe+HttbT>atTI'P.enü---\iVerzögel fing gegellüber--dem Triggersignatll-----------------~-------­werden im Signalmittler 100 Kondensatoren nachein·ander für eine wählbare Zeit Ot über einen ebenfallsvariablen Aufladewiderstand mit dem Eingang verbun·den. Liegt an diesem ein zum Triggerimpuls phasen·starres Signal, so erhält der gleiche Kondensator stetsdie gleiche Signalspannung. Er lädt sich daher propor· Ctional zu dieser auf, während die statistischen Rausch·signale einen relativ abnehmenden Beitrag liefern. Einemit 250 Hz rotierende Unterbrecherscheibe mit vierSchlitzen liefert in 50 sec N = 5 '104 Laufzeitsignale.Bei einer Kanalverweilzeit von CJt = 10 flS bedeutet daseine wirkliche Integrationszeit von 5 '10-1 sec, d. h. beieiner gewählten Zeitkonstante der RC·Integratoren von5.10-2 sec laden sich die Kondensatoren auf 99% derSignalamplitude auf. Das Signal/Rausch.Verhältnis wirddurch die Integration um den Faktor VN = 102 • V5verbessert.Der Signalrnittlungsprozeß kann auf einem Oszillo. egraphen (Tektronix, Type 545) verfolgt und das Er·gebnis mit einem X·Y·Schreiber (Moseley 2DR-2AM)zur Auswertung aufgezeichnet werden. Die Signalfolge·frequenz und die Dauer eines "sweeps", die der hun·dertfachen Kanalverweilzeit Ot entspricht, werden miteiner quarzstabilisierten Uhr (Beckman M 7360) ge·messen.LAUFZEITANALYSE EINES K-ATOMSTRAHLS 729kann durch das Ausströmen eines CO2·Polsters er-klärt werden, das sich zwischen rotierender Scheibeund Abdeckplatte auf Grund der großen Breite desCO2-Strahls bildet und teilweise aus dem Spalt derAbdeckplatte austritt 6.(2)(3)t1 = (zlnD) T,Als Öffnungsfunktion G(z) kann eine Dreiecksfunk-tion angenommen werden.Die Wahrscheinlichkeit der Streuung zwischen K-Atom und CO2-Molekül wird durch den Streuquer-schnitt a (g) beschrieben, wobei die Relativgeschwin-t1 beschreibt die Öffnungszeit des CO2-Impulses undhängt mit der Umlaufperiode T der Scheibe zusam·men:Vergleich mit der TheorieDie Berechnung des Schwächungssignals aus denLaufzeitverteilungender gekreuzten Strahlen bestehtin-der.-EI"mittlungder Anzahlder-K·A:tome;-diezurZeit to nach der maximalen Freigabe des CO2-Strahlsam K-Detektor gegenüber der stationären K-Intensi-tät fehlen.Diese K-Atome hätten für die Flugstrecke zwi-schen einem Volumenelement des Streuvolumens mitden Ortskoordinaten x, y, z und dem LT·Detektordie Zeit tK b~nöiigt, wurden aber a~olekülen~-----­gestreut, die dieses Volumenelement zur Zeit tc nachder maximalen Freigabe des CO2-Strahls durch denUnterbrecher I erreicht hatten.Dann gilt:sung der Intensitätsprofile der beiden gekreuztenStrahlen bestimmt. Dabei ergab sich, daß die Aus-dehnung des Streuvolumens in x-Richtung 19 mmbeträgt und die Intensität des CO2-Strahls in die-sem gepulsten Bereich konstant ist 8. Die y- und z-Ausdehnung des Streuvolumens sind gegeben durchden Querschnit des von Ofensch1itz und Wolfram-band bestimmten K-Strahls am Ort des Streuzen-trums und betragen 10,0 mm bzw. 0,57 mm; dieK-Intensität ist über diesem Querschnitt ebenfallskonstant.(I)T= (b/:7lD) Tpie zeitliche Auflösung der Laufzeitverteilungenw#rde durch Messung der Abhängigkeit ihrer Halb-w~rtsbreitenL1t von der Umlaufperiode T der jewei-ligen Unterbrecherscheibe untersucht. Über die Be-ziehungAbb.4. Vom X-Y-Schreiber registriertes Histogramm des imK-Strahl vom CO2-Impuls hervorgerufenen Schwächungs-signals (vgl. Abb. 3 b). Breite eines Kanals: 13,0 p,s. Die aus-gezogene Kurve wurde mit Hilfe der bekannten Geschwindig-keitsabhängigkeit des K-C02-Streuquerschnitts aus den ge-messenen Geschwindigkeitsverteilungen der beiden Strahlenberechnet und unter Berücksichtigung des gestrichelten Unter-grundsignals aufgetragen.bestimmt T die Halbwertsbreite T der wirksamenÖffnungsfunktion, die genügend kurz sein muß. Da-bei bedeuten b die SchIitzweite und D den Durch-messer der Scheibe. Zur Auswertung wurden nurvollaufgelöste Messungen herangezogen, für die Lltbei Verringerung von T innerhalb der Meßgenauig-keit konstant blieb 7.Um den Vergleich mit der Theorie zu ermöglichen,wurde die Geometrie des Streuvolumens durch Mes·6 Diese Erklärung wird durch eine Abhängigkeit des Unter-grundsignals von der Drehrichtung der Unterbrecherscheibebekräftigt. Sie kommt dadurch zustande, daß das Unter-brechersystem unter 85° gegen die Strahlachse geneigt ist,und die Strahhuoleküle von der Abdeckplatte daher entwe-der zum Spalt hin oder von ihm fort reflektiert werden. DerStöreffekt sollte sich durch Ausblenden des Strahls vor derUnterbrecherscheibe 1 beseitigen lassen.7 O. HAGENA U. K. VARMA, Rev. Sei. Instrum. 39,47 [1968],definieren ein Auflösungsvermögen R=At/7: und zeigen,daß für R>5 die gemessene Halbwertsbreite At um weni-ger als 2,5% größer ist als die ideale bei 7: -. O. Für die hierausgewerteten Messungen ist die Bedingung R>5 stets er-füllt.8 Unterhalb des gepulsten Bereiches durchsetzt ein nichtgepul-ster CO2·Strahlbereich auf einer Länge von etwa 40 mm denK-Strahl. Diese Streuzone beeinflußt aber die K-Laufzeit-verteilung und das Schwächungssignal in gleicher Weiseund ist daher für die Auswertung ohne Belang.730 LAUFZEITANALYSE EINES K-ATOMSTRAHLSdigkeit g gegeben ist durch2 (lK-X) 2g = tK2 (4)zeitverteilung des K-Strahles U (tK, LK) ennitteln:jK(tK,X) = ZLK U(tKLK!ClK-X),LK). (6)K-XHierin bedeuten IK bzw. lc den Abi~c1and des Streu-zentrums vom K-Detektor bzw. von der CO2-Unter-brecherscheibe.Im vorliegenden Fall ist die Schwächung:LIjK(to)sehr klein gegenüber der stationären Intensitätjdto)' Daher gilt00LljK(tO) = - f f f f G(z) jK(tK,X) nc(te,y)tK=O Streuvolumen-o(g)(g/VK) dxdydzdtK. (5)Dabei ist ndtc, y) die Dichte der CO2-Moleküle un-ter Berücksichtigung der Stromdichte-Homogenitätüber den x-z-Querschnitt des Streuvolumens. Ent--srrre-clrenu··hängtiItuur··vonx-ab,weil-der-&--Strahlüber den y-z-Querschnitt homogen ist. Der Faktorg/VK = g tK!ClK - x) berücksichtigt die Bewegungder CO2-Streuteilchen. Da der Langmuir-Taylor-De-tektor die Stromdichte mißt, läßt sich jK(tK,X) di-rekt aus der in der Entfernung~ gemessenen Lauf-~ H. PAULY, Dissertation, Bonn 1958.Der Elektronenstoßionisator mißt dagegen die Dichte-verteilung V(tc, Lc) des CO2-Impulses, woraus folgt:Lc /nc(tc,y) '" Zc+y V(tcLc (lc+y),Lc). (7)Für den Streuquerschnitt a(g) wurde die bei gerin-ger Auflösung der Streuan{)rdnung zu erwartendeg-2/'-Abhängigkeit 9 angenommen und die zu .LljK(to)führenden Integrationen mit Hilfe eines Rechenpro-gramms ausgeführt.Das Ergebnis ist in Abb. 4 unter Berücksichtigungdes gestrichelt gezeichneten Untergrundsignals undnormiert auf die experimentelle Minimumstiefe als~1!~g~~()g~ll~ :r<:1!rv~ ~ll.g~trllg~Il·Mllll lJ_eII1.er!<:t, ~Ilßdie Ergebnisse von Theorie und Experiment inner-halb der Fehlergrenze übereinstimmen.Wir danken Herrn Professor Dr. E. W. BECKER fürdie stete Förderung dieser Arbeit. Herrn H. HÄss dan-ken wir für die EntwiCklung der FET-Emitterfolger.Die Arbeit wurde durch eine Sachbeihilfe der DeutschenForschungsgemeinschaft unterstützt.

Laufzeitanalyse eines an einem CO₂-Molekularstrahl gestreuten K-Atomstrahls

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Laufzeitanalyse eines an einem CO₂-Molekularstrahl gestreuten K-Atomstrahls

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