Transferionisation in schnellen D -H2 -Stößen - Goethe-Universität

28 Das COLTRIMS-Experiment
3.1 Das Koordinatensystem
Die Rekationszone im Spektrometer bildet den Ursprung eines rechtwinkligen, rechtshändigen
Koordinatensystems. Die Spektrometerachse, genauer die Flugzeitrichtung der Recoilionen,
definiert dabei die x-Achse, während der Gasjet die y-Achse vorgibt. Die z-Achse wird, wie
bei Streuexperimenten üblich, durch den einfallenden Projektilionenstrahl beschrieben. Abbildung
3.1 zeigt das verwendete Koordinatensystem.
3.2 Das Gastarget
Bei Impulsspektroskopie-Experimenten wird stets großer Aufwand betrieben, um die Anfangsimpulse
der spektroskopierten Teilchen genau zu bestimmen. Ein möglicher Ansatz ist es beispielsweise,
die zu untersuchenden Teilchen derart zu präparieren, dass ihr Anfangsimpuls nahezu
Null ist und so verglichen mit den zu erwartenden Impulsübertragen im Experiment vernachlässigt
werden kann. Das COLTRIMS-Messprinzip verfolgt genau diesen Ansatz, indem es
die Targetteilchen in einem kalten Gasstrahl zusammenfasst um die Impulsauflösung zu verbessern.
Im vorliegenden Fall strömt Wasserstoffgas durch eine kleine Düse (Durchmesser d = 20 µm)
in die Expansionskammer. Der Vordruck des Gases p0 ist dabei groß im Vergleich zum Restgasdruck
p in der Kammer. Es findet eine so genannte Überschallexpansion statt, eine adiabatische
Expansion, bei der die gesamte frei Enthalpie der Gasteilchen in gerichtete Bewegungsenergie
umgewandelt wird. Dies führt dazu, dass in einem scharf begrenzten Bereich hinter der Düse
die Impulsvektoren der Gasteilchen betragsmäßig annähernd gleich sind. Die Geschwindigkeit,
mit der sie sich bewegen, lässt sich mittels
v =
� 5kBT
m
(3.1)
berechnen. kB ist dabei die Boltzmann-Konstante, m die Masse der Gasteilchen und T die Temperatur.
Man erhält so für einen H2-Jet bei Raumtemperatur eine mittlere Jetgeschwindigkeit
von fast 2460 m/s.
Unmittelbar nach der Expansion sind die Teilchenimpulse nicht nur betragsmäßig gleich, sondern
auch annähernd parallel ausgerichtet. Das ist der Grund, weshalb in diesem zone of silence
genannten Bereich keinerlei Stöße zwischen den einzelnen Gasteilchen stattfinden. Lediglich
nach außen hin wird die zone of silence durch Stöße mit Restgasatomen in ihrer Ausdehnung
begrenzt. Ihre Länge l kann mittels der Formel
l = 2
�
p0
d ·
3 p
(3.2)
abgeschätzt werden und liegt üblicherweise im Bereich einiger Düsendurchmesser. In Abbildung
3.2 wird schematisch die Gasausbreitung hinter der Düse gezeigt.