Entwicklung einer Molekularstrahlapparatur für die hochaufgelöste Mehrphotonen- ionisations-Spektroskopie isolierter Atome u. Moleküle am Beispiel von Titan(II)oxid
Lumb, Ulrich - Technische Universität Darmstadt (2018)
In dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine gepulste Molekularstrahlapparatur aufgebaut, welche zusammen die Beobachtung von elektronischen Übergängen in isolierten Atomen und Molekülen ermöglichen. Die optische Auösung des Lasersystems kann in einem Bereich zwischen 0,1cm1 und 0,004cm1 an die spektroskopischen Anforderungen eines zur Beobachtung ausgewählten Überganges angepasst werden. Je nach benötigter spektraler Auösung können so die Energieniveaus der beobachteten Atome und Moleküle bis zur Rotationsfeinstruktur von schweren Elementdimeren ausgemessen werden. Gleichzeitig kann die relative Besetzung der Energieniveaus im Molekularstrahl bestimmt werden. Die Detektion der optischen Übergänge folgt dabei dem Grundschema der Ionisationsspektroskopie, das heißt neutrale Atome oder Moleküle werden in der Molekularstrahlapparatur mittels mehrstuger optischer Anregung ionisiert und mit einem Flugzeitmassenspektrometer semi-quantitativ nachgewiesen.
Der kollineare Aufbau des Flugzeitspektrometers erwies sich gegenüber einem orthogonalen Aufbau in zweifacher Hinsicht als vorteilhaft, da so die Ionenausbeute und die Massenauösung deutlich gesteigert werden konnte. Das Lasersystem stellt zwei verschiedene Ionisationswellenlängen zur Verfügung, von denen eine als Maß für die relative Gesamtzahl an Clustern im Molekularstrahl verwendet werden kann. Durch die mitunter starken Zusammensetzungsänderungen zwischen einzelnen Molekularstrahlpulsen, ist die zweite Wellenlänge allerdings nicht immer ausreichend für eine Referenzbildung zur Erkennung von optischen Übergängen. Die gepulste Molekularstrahlapparatur sorgt zum einen für eine deutliche Vereinfachung der zu erwartenden Spektren, da die Besetzung der Energieniveaus der Atome und Moleküle bei der adiabatischen Expansion sich zu energetisch niedrigeren Niveaus verschiebt.Andererseits wird durch die Einschränkung der Bewegungsrichtung der Atome und Moleküle eine Verkleinerung der Dopplerbreite der Absorptionslinien bewirkt. Die Funktionstüchtigkeit der Apparatur wurde am Titan(II)oxid, welches eines der kompliziertesten Absorptionsspektren zweiatomiger Moleküle aufweist, unter Beweis gestellt.
Die Daten der aufgenommenen Spektren erlauben es, die relativen Besetzungszahlverhältnisse der spinbahnaufgespaltenen Zustände zu bestimmen und die Abkühlung der elektronischen Freiheitsgrade des TiO bei der Bildung des Molekularstrahls mit den Experimenten anderer Autoren zu vergleichen. Durch Verbesserung des Auösungsvermögens kann die Verteilung der Besetzungsverhältnisse der Rotationsenergieniveaus bei TiO beobachtet werden, welche Hinweise auf einen komplizierten Abkühlmechanismus während der Überschallexpansion des Molekularstrahls gibt. Die Auswertung der experimentellen Daten und das theoretische Rüstzeug zur Datenauswertung wird ausführlich beschrieben.