Rotationsauflösende Laserspektroskopie - CFEL at DESY

3.4 Dopplerverbreiterung 41
werden. Dies geschieht durch Kollimation des Molekularstrahls an einer
Blende. Hierfür werden sogenannte Molekularstrahlskimmer verwendet.
Wird der Laserstrahl mit dem divergenten Molekularstrahl im rechten Winkel
gekreuzt, gibt es immer auch eine Geschwindigkeitsquerkomponente
in Richtung oder entgegen der Richtung des Lasers, die zu einer Verschiebung
der Absorptionsfrequenz durch den Dopplereffekt führt. Die Integration
über alle auftretenden Querkomponenten führt somit zu einer verbreiterten
Bande. Ein Skimmer hat im Vergleich zur einfachen Blende konische
Wände mit typischen Winkeln zur Normalen von 30 ° und eine sehr dünne
Kante. Das reduziert den Anteil an Molekülen, die in den direkten Molekularstrahl
zurückreflektiert werden und zu einer dramatischen Verringerung
der Transmission durch die Blende führen. Das Kollimationsverhältnis des
Molekularstrahls ist definiert als Verhältnis der Geschwindigkeit vx senkrecht
zur Molekularstrahlrichtung und der Geschwindigkeit vz in Molekularstrahlrichtung.
vx
vz
= b
= tan ε (3-14)
2L
wobei b der Durchmesser des Skimmers und L sein Abstand von der Düse
ist.
Der optimale Abstand des Skimmers von der Düse hängt vom Durchmesser
des Düsenlochs, der lokalen Dichte nr = Pr/kTr, dem Stoßquerschnitt
σr des Trägergases, der Pumpleistung S und der mittleren Molekülgeschwindigkeit
im Reservoir ab [43].
Z S d
�
= 0.241m− 4
3 · 3
σrnrS
¯vrd
(3-15)
Setzt man die Pumpleistung der Öldiffusionspumpe in der Quellkammer
mit 6000 l/s an, so ergibt sich bei Verwendung von Argon als Trägergas
und einer 100 µm Düse bei einem Stagnationsdruck von 800 mbar ein optimaler
Düsen-Skimmerabstand von 22 mm. Bei Erhöhung des Drucks muss
die Düse entsprechend weiter vom Skimmer entfernt werden. Bei diesem
Abstand ist das Kollimationsverhältnis DS1/2Z S d = 0,02, das heisst die Dopplerbreite
in einer Gaszelle wird um diesen Faktor im geskimmten Molekularstrahl
reduziert. Die Dopplerverbreiterung, die aus der Geschwindigkeitsverteilung
der Moleküle mit der Masse M rührt, wird für eine Mittenfrequenz