alternating gradient - abbremsung von benzonitril - CFEL at DESY

28 Experimenteller Aufbau
farbstofflaser (RDL, ring dye laser) sowie eine Photokathode mit nachgeschaltetem
Sekundärelektronenvervielfacher (PMT, photomultiplier tube). Eine schematische Über-
sicht des Versuchsaufbaus zeigt Abb. 3.1.
3.1.1 Molekularstrahl
Die Erzeugung von Molekularstrahlen ist eine Technik, die seit langem verwendet
und beherrscht wird [73]. Das Verfahren beruht darauf, dass es beim adiabatischen
Ausströmen eines Gases durch eine Düse in einen Bereich niedrigeren Druckes zu
einer effizienten Kühlung der internen Freiheitsgrade der Teilchen kommt. Die inne-
re Energie wird dabei fast komplett in die Vorwärtsbewegung umgesetzt. Für einen
hinreichend großen Druckunterschied kommt es nach einem kurzen Bereich, in dem
die Moleküle durch Stöße thermalisieren, zu einer Überschallexpansion. Als Konse-
quenz ergibt sich ein stark kollimierter, schneller Strahl von intern und translato-
risch kalten Molekülen, zwischen denen keine Stöße mehr stattfinden. Im vorlie-
genden Experiment wird ein Edelgas – üblicherweise Xenon – bei niedrigem Druck
(pXe ≈ 0, 7 bar) und bei Raumtemperatur durch ein Gefäß mit flüssigem Benzo-
nitril (Aldrich, 99%) geleitet. Das entstandene Gasgemisch wird mit einer Repeti-
tionsrate von 40 Hz durch eine kühlbare Düse (General Valve Series 99) mit einer
Öffnungsgröße von 0, 8 mm und einer Öffnungszeit von etwa 150 µs in die Quell-
kammer expandiert. Die Position der Düse kann mit Hilfe eines Manipulators in
allen drei Raumrichtungen verändert werden. Der zentrale Teil der Überschallex-
pansion trifft nach 27 mm auf einen 1, 5 mm großen Skimmer, der den Strahl weiter
kollimiert und als differentielle Pumpstufe dient. Der Druck in der Quellkammer
liegt bei eingeschalteter Düse typischerweise im Bereich von 10 −5 mbar, hinter dem
Skimmer bei etwa 10 −7 mbar. Der Skimmer ist derart auf einer beweglichen Platte
angebracht, dass die Öffnung zwischen Quell- und Abbremskammer von außen ge-
schlossen werden kann, um die Quellkammer separat belüften oder abpumpen zu
können [74]. Das Hochvakuum wird durch drei Turbomolekularpumpen erzeugt,
welche an eine durch zwei Hubkolbenpumpen evakuierte Vorvakuumlinie ange-
schlossen sind. Die Quellkammer hat eine Länge von 480 mm und wie sämtliche
anderen Vakuumkammern auch einen Durchmesser von 235 mm. Weitere Details
zum Vakuumsystem finden sich bei Wohlfart [75].
Für das Abbremsen von OH-Radikalen muss der oben beschriebene Aufbau leicht
modifiziert werden, da diese nicht chemisch stabil sind. Zunächst wird, wie oben be-
schrieben, ein Gasgemisch aus Xenon und Salpetersäure (Aldrich, 90%) hergestellt
und dann das OH in situ innerhalb der Expansion erzeugt. Dazu dissoziiert man
die Salpetersäure mit einem gepulsten Excimerlaser (NEWEKS PSX-501-2) mit ei-