Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN
Nr. 2972 / Fachgruppe Physik/Chemie/Biologie
Herausgegeben vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung
Prof. Dr. Wilhelm Raith
Fakultat fUr Physik
der Universitat Bielefeld
Streuexperimente mit hochangeregten Atomen
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Raith, Wilhelm:
Streuexperimente mit hochangeregten Atomen /
Wilhelm Raith. - Opladen : SpringerFachmedien
Wiesbaden GmbH 1980.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 2972 : Fachgruppe Physik,
Chemie, Biologie)
© 1980 by Springer Fachmedien Wiesbaden
UrsprUnglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen 1980
ISBN 978-3-531-02972-6 ISBN 978-3-663-06761-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-06761-0
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Inhalt
1. Einleitung . . • • . • • . • . • • • • • . • . . . • . . . . 5
1.1 Problemstellung 5
1.2 Historischer Uberblick 5
2. Experimentiertechnik • • • 7
2.1 Erzeugung hochangeregter Atom'3 7
2.2 Nachweis hochangeregter Atome 7
2.3 Messverfahren 7
2.4 Datenverarbe:tung 8
3. Ausschaltung von Fehlerquellen • • . • . • • . . • • . . . . 9
3.1 Wechselwirkung mit Storatomen 9
3.2 Wechselwirkung mit thermischer Strahlung 9
3.3 Sonstige Fehlerquellen 10
4. Streuexperimente •••.•.•..•.•••...•.•• 12
4.1 Streuanordnung 12
4.2 Resultate 13
5. lusammenfassung • • • . • . • • . 15
5.1 Kommunikation del' Ergebnisse 15
6. Literatur . • • • . . • • • . • . 16
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1. Elnleitung
Hochangeregte Atome, auch Rydberg-Atome genannt, sind Atome in
Zust~nden
mit sehr hoher Hauptquantenzahl n. Erst seitdem abstimbare Farbstoffiaser
zur VerfUgung stehen, konnen hochangeregte Atome in grBsserer Zahl und in
wohldefinierten Zustanden erzeugt werden.
1• 1 Problemstellung
Theoretische Untersuchungen, wie sie in den letzten Jahren besonders durch
MATSUZAWA (1971, 1972) diskutiert worden sind, legen die Vermutung nabe,
dass das Streuverhalten eines hochangeregten Atoms haupts~chlich von dem
schwach gebundenen Elektron bestimmt wird und vergleichbar ist mit dem eines
freien Elektrons mit der entsprechenden kinetischen Energie.
DaB Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, diese ~quivalenz experimentell zu
prUfen. FUr den Fall, dass das Streuverhal ten der hochangeregten Atome
tats!i.chlich dem freier Elektronen entsprache, Uge es nahe, die sehr hoch
angeregten Atome mit Bindungsenergien von nur einigen Milli-Elektronenvolt
(meV) zu benutzen, um die Streuung freier Elektronen bei diesen sehr kleinen
Energien zu studieren. Die Spektroskopie freier Elektronen konnte bis jetzt
noah nicht auf Energien von nur einigen meV ausgedehnt werden. Die
Wechselwirkung von Elektronen mit Atomen und MolekUlen bei so kleinen
Energien ist wichtig z.B. fUr das Verstandnis der oberen und
Amosph~re
anderer schwach ionisierter Plasmen.
1.2 Historischer tlberblick
Bevor das Experimentieren mit hochangeregten Atomen technisch mBglich
wurde, waren es vor allem dietheoretischen Arbeiten von PERCIVAL (1974),
die auf die astrophysikalische Bedeutung der hochangeregten Atome hinwiesen
und entsprechende Messungen im Laboratorium als erstrebenswert erscheinen
liessen. Mit der Erfindung der Farbstoffiaser begann eine stUrmische
Entwicklung auf diesem Gebiet, vor allem weil hochangeregte Atome auch neue
MOglichkeiten zur Isotopentrennung und zur Energiezufuhr bei Fusionsplasmen
erBffneten.
Die Arbeit in diesem Forschungsprogramm begann mit Untersuchungen zu
Erzeugung und Nachweis hochangeregter Atome (VAN RAAN et al. 1976a),
parallel zu !i.hnlichen Entwicklungen in anderen Laboratorien. Danach wurde
versucht, die. hochangeregten Atome von den Atomen im Grundzustand
abzutrennen durch Ablenkung in einem inhomogenen elektrischen Feld. Obwohl
eine Ablenkung nachgewiesen werden konnte (VAN RAAN et al. 1976b), zeigten
die Messungen, dass die geplanten Streuexperimente besser ohne Abtrennung
von den Atomen im Grundzustand durchgefUhrt werden so11 ten. Die zur
Ablenkung benotigten elektrischen Feldst~rken induzieren eine Mischung
benachbarter Zustande, was fUr die Streuexperimente nicht gewUnscht wird.
Bei den Vorbereitungsarbeiten zu den ersten Streuexperimenten wurde
beobachtet, dass die hochangeregten Atome, nachdem sie Wegstr<ecken von
einigen Zentimetern zurUckgelegt hatten, beim Nachweis durch Feldionisation
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sich so verhielten, als ob sie Uber viele verschiedene Anregungszust~nde
verteilt vdren. Naheliegende Deutungsversuche ergaben keine befriedigende
ErkHrung oder wurden durch experimentelle Tests ausgeschlossen. Nur die
Hypothese, dass diese Uberg~nge durch die thermische Strahlung von den auf
Zimmertemperatur befindlichen Apparaturwanden bewirkt werden, war durch
Uberschlagsrechnungen nicht auszuschliessen. Deshalb wurde ein Experiment
,nit KUhlung del" Ungebung durchgefUhrt. Dieses KUhlexperiment hatte ein
negatives Ergebnis, weil -- wie jetzt rUckblickend festgestellt werden kann
-- elektromagnetische Storstrahlung nicht hinreichend gut abgeschirmt
worden war. Andarnfalls hatte die Wechselwirkung del" hochangeregten Atome
mit del" thermischen 300K-Strahlung schon 1978 erkannt werden konnen! So
wurde unsere Forschung verzagert durch die BemUhungen, eine andere
Erk11rung rur das sonderbare Verhalten del" hochangeregten Atome zu finden.
Nachdem jedoch GALLAGHER und COOKE (1979) aus Lebensdauermessungen auf die
Baeinflussung durch die thermische Strahlung geschlossen hatten, versuchten
wir erneut, den Temperatureffekt experimentell zu bestltigen. Da eine
hinreichend gute Abschirmung del" thermischen Strahlung in unserer Anordnung
nicht durchfUhrbar war, entschlossen wir uns, stattdessen eine zus~tzliche
kontrollierte Strahlungsquelle einzusetzen. Damit gelang es, den Effekt zu
demonstrieren (KOCH et al. 1980).
Die Entdeckung del" Wechselwirkung mit del" thermischen Strahlung schaffte
v':lUig neue Bedingungen fUr die DurchfUhrung del" ursprUnglich geplanten
Streuexperuuente. Statt einer Gaszelle musste nun ein Molekularstrahl dicht
hinter dem Anregungsgebiet als Target verwendet werden. Anfang 1980
erhielten wir die ersten Ergebnisse zur Streuung hochangeregter Cs-Atome
'Ion Kohlendioxid- und Schwefelhexafluorid-MolekUlen.
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2. Experimentiertechnik
2.1 Erzeugung hochangeregter Atome
Wir benutzen einen Casium-Atomstrahl und Einphotonen-Anregung mit Licht im
WellenUingenbereich von 320 bis 318 nm. Gasium wurde gewahlt, weil es
eine kleine Ionisierungsenergie hat und die Atomstrahl-Technologie fLlr
Alkalimetalle sehr weit entwickelt ist. Zur Anregung verwenden wir das
frequenzverdoppelte Licht eines blitzlampen-gepumpten Farbstofflasers
(Chromatix CMX-4). Dar Laser wird mit einer Blitzfolgefrequenz von 10 Hz
(maximal 25 Hz) betrieben. Die Wahrscheinlichkeit fUr Ubergange van
Grundzustand des Casiumatoms in einen hochangeregten Zustand ist wesentlich
kleiner als fUr Ubergange zu den unteren P-Zust.'iuden. Die grosse
Leistung des gepulsten Lasers erm5glicht aber die Erzeugung von einigen
Hundert hochangeregter Atome pro Puls. Die geringe Ausbeute wird zum Teil
ausgeglichen durch die hohe Nachweisempfindlichkeit von nahezu 100%. Dar
Atomstrahl kann durch eine schnell rotierende geschlitzte Scheibe in kurze
Strahls tUcke zerhackt werden; durch geeignete Wahl der Zeit zwischen der
Formierung eines StrahlstUcks und dam n'ichsten Laserpuls, der die Atome 50
em strahlabwarts anregt, konnen Atome in einam engen Bereich ihrer
Geschwindigkeitsverteilung selektiv angeregt werden.
2.2 Nachweis hochangeregter Atome
Dar Nachweis erfolgt durch Feldionisation. Dabei wire durch Anlegen eines
elektrischen Feldes die Potentialbarriere, die das schwach gebundene
Elektron am Verlassen des Atoms hindert, so weit abgesenkt, dass durch den
quantenmechanischen Tunneleffekt Ionisation erfolgen kann (GALLAGHER et al.
1977). FUr Gasiumatome in Zus~nden mit Hauptquantenzahl n grosser als
30 genUgt schon eine elektrische Feldstarke von 600 Volt/em, um die Atome
zu ionisieren. Das bei der Feldionisation entstehende Gasium-Ion wird
durch das elektrische Feld in Richtung des Ionendetektors (Channeltron
Multiplier) beschleunigt und trifft mit einer kinetischen Energie von etwa
2 keV auf den Eingangstrichter des Datektors, we mit grosser
Wahrscheinlichkeit dann ein Sekundarelektron ausgelost wire. Dorch
Messung der als Funktion der elektrischen Feldstarke kann
Ionenintensi~t
die Verteilung der angeregten Atome auf die Rydberg-Zustande mit
verschiedenen Schwellenfeldstarken bestimmt werden.
2.3 Messverfahren
Die vorhandene Instrumentierung gestattet vielfaltige Variationen 1m
Messverfahren. Das bisher am haufigsten verwendete Verfahren besteht aus
einer stufenweisen Erhohung der Ionisierungsfeldstarke von Puls zu Puls,
verbunden mit einem Ubergang zum nachsten Kanal des Vielkanalanalysators;
nach einer w'ihlbaren Anzahl von Schritten (typisch 100) wird wieder mit der
Feldstarke Null und dam ersten Kanal begonnen. Ein typisches Spektrum
besteht aus 1000 Durchlaufen und 100 bis 1000 Ereignissen pro Kanal. Ein
solches Spektrum ist eine integrale Darstellung der Besetzung der
hochangeregten Zus~nde in dam durch die maximale Ionisationsfeldst,'irke
erfassten Bereich von Hauptquantenzahlen.
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Die Funktion des Vielkanalanalysators wird in unserem Experiment 1urch einen
Mikroprozessor wahrgenommen. Das dafllr erforderliche Computerprogramm
wurde im Rahmen dieses Projekts von uns erstellt (HIERONYMUS 1980) und
arbeitet in folgender Weise: Nach jedem Laserpuls wird die Zahl der durch
Feldionisation nachgewiesenen hochangeregten Atome in einem Z~hler
registriert. Dieser ~~hler ist jeweils nur fUr eine kurze Zeit (typisch
20 Mikrosekunden) empfindlich und wird danach yom Mikroprozesssor blockiort.
Das Ziihlergebnis wird abgelesen und im Speicher des Rechners zu dem bereits
vorhandenen Wert hinzuaddiert. Jedem Wert des periodisch durchlaufenen
Feldstarkebereichs entspricht eine Speicheraddresse. In den Pausen
zwischen den im Abstand von 100 ms erfolgenden Messzyklen werden die
digitalen Speicherinhalte in analoge Spannungen umgewandelt und einem
Oszillographen zugefUhrt. Dadurch ist es m5glich, die Messkurve ~hrend
der Messung auf dem Schirm zu beobachten. Nach der dem Rechner eingegebenen
Anzahl von Durchlaufen beendet dieser automatisch die Messung.
Die fUr die Feldionisation der hochangeregten Atome benutzte kompakte
Detektoreinheit kann in der Apparatur an verschiedenen Stellen,vom
Anregungsgebiet bis zu 40 em strahlab~rts, aufgestellt werden. Durch Wahl
eines kleinen Abstands kann die Zeit zwischen Anregung und Nachweis sehr
klein gehalten werden (Verringerung der StoreinflUsse). Durch Wahl eines
grossen Abstands wird der Einbau verschiedener Vorrichtungen (z.E. KUhlung
oder Heizung) ermoglicht.
Durch Kontrollmessungen muss sichergestellt werden, dass sich ~hrend einer
typischerweise etwa 2 Stunden dauernden Messung die Atomstrahlintensitat
und die von Laserleistung und Laserfeinjustierung stark abhangige
Anregungswahrscheinlichkeit nicht zu sehr verandern und dass die
Nachweiswahrscheinlichkeit nicht durch sattigungseffekte (zeitliche
Uberlagerung von mahreren Ereignissen, die nur als ein einziges registriert
werden) beeintrachtigt wird. Die Intensitat d3S Cs-Atomstrahls wird mit
einem Langmuir-Taylor-Detektor ("hot wire" Detektor) in Verbindung mit einem
Elektrometer gemessen. Die Intensitat des Lasers wird mit einem
pyroelektrischen Joule-Meter bestimmtj die Amplitude der Ausgangsimpulse
dieses Detektors ist proportional zur Energie der Laserpulse. Die
Detektorpulse werden dem Eingang eines "box car averagers" zugeflihrt, an
dessen Ausgang eine der Pulsamplitude entsprechende Gleichspannung
erscheint. Diese wird auf einem Schreiber registriert.
2.4 Datenverarbeitung
FUr die weitere Verarbeitung der im Mikroprozessor gespeicherten Messkurven
stehen eine Reihe von eigenen Programmen zur VerFugung. Damit konnen die
Kurven beispielsweise geglattet und differenziert werden, um eine gezielte
Auswertung zu ermoglichen. DarUberhinaus konnen die Spektren als
Dezimalzahlen auf einem Drucker ausgegeben, auf einem Plotter gezeichnet und
schliesslich auf Magnetbandkass9tten langfristig gespeichert werden.
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3. Ausschaltung von Fehlerquellen
Bei Feldionisationsmessungen, die strahlabwarts von dem Anregungsgebiet
durchgefilhrt wurden, ko~nte eine deutliche Urnverteilung auf benachbarte
Rydberg-Zustande beobachtet werden. Als Ursache wurde zuerst Streuung an
Storatomen angenommen.
3.1 Wechselwirkung mit Storatomen
Bevor die Streuung der Rydberg-Atome von anderen Atomen oder MoleWjlen
untersucht werden kaL~n, muss sichergestellt sein, dass die Messungen nicht
durch Streuung an Storatomen verfalscht werden. Ais Storatome kommen in
erster Linie die nichtangeregten Atome des Casium-Atomstrahls in Betracht.
Um nicht nur auf Abschatzungen mit nicht genau bekannten Streuquerschnitten
angewiesen zu sein, wurde die Dichte des Atomstrahls verandert.
Sollte die in den Spektren beobachtete Umverteilung der Rydberg-Zustande
auf Stosse mit Cs-Atomen im Strahl zurilckzufilhren sein, milsste eine
Erhohung oder Verringerung der Atomstrahlintensitat (d.h. der Dichte im
Strahi) erkennbare Auswirkungen auf die Form der Messkurven haben. Ein
solcher Effekt wurde nicht beobachtet.
Nicht nur durch Verringerung der Atomstrahlintensitat, sondern auch durch
Benutzung des Strahlzerhackers ("Chopper") wird eine starke Reduktion der
Stosse im Strahl erreicht. Die geschlitzte Zerhackerscheibe, unmittelbar
strahlabwarts von der Of end Use montiert, rotiert mit etwa 100 Hz und gibt
den Atomstrahl nur jeweils fUr eine kurze Zeit von etwa 20 Mikrosekunden
frei. Das so gebildete Strahlstlick enthalt Atome mit einer der Temperatur
des Of ens entsprechenden Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung. Bei dem
Flug zurn Anregungsgebiet, das 50 em strahlabwarts liegt, lauft das
Strahl stuck raumlich auseinander, wobei die schnell en Atome vorauseilen
und die langsamen zurlickbleiben. Da der Laserpuls aber nur 1 Mikrosekunde
andauert, wird nur ein sehr sChmaler Ausschnitt aus dem Strahl stUck vom
Laserlicht beleuchtet. Die angeregten Atome haben dannalle ungefahr die
gleiche Geschwindigkeit und Uberdies nur schnellere Atome vor sich und nur
langsamere hinter sich. So werden Stosse im Strahl nahazu vollstandig
unterdrilckt. Auch diese sehr effektive Massnahme fUhrte zu keiner
messbaren Veranderung der Feldionisationsspektren. Die Hypothese der
Wechselwirkung mit Atomen im Strahl musste verworfen werden.
Ais zweite MOglichkeit wurde die Streuung an Restgasatomen getestet. Da
eine Restgas-Druckerhohung urn den Faktor 100 (von 10 auf 1000 nTorr) 'keine
erkennbaren Auswirkungen aufjie Messergebnisse hatte, konnte dieser
Storeffekt ebenfalls ausgeschlossen werden.
3.2 Wechselwirkung mit thermischer Strahlung
Nachdem sich der Verdacht, dass die thermische Strahlung von den Winden der
Apparatur fUr die Urnverteilung der Zust,ande verantwortlicl1 ist, verdichtet
hatte, wurde ein Experiment durchgefUhrt, das direkt den Einfluss der
Umgebungstemperatur zeigen sollte. Dazu wurden zwei Detektoren, A und B,
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installiert. Der Detektor A befand sich im Anregungsgebietj mit ihm wurde
das Feldionisationsspektrum der gerade erzeugten, von der thermischen
Strahlung noch kaum beeinflussten Rydberg-Atome gemessen. Der Detektor B
befand sich 11 em strahlab~rts. Auf der Flugstrecke zwischen den beiden
Detektoren war der Atomstrahl von einem Rohr ungeben, dessen Temperatur von
300 bis 900 K variiert werden konnte. Auch die Geschwindigkeit der
hochangeregten Atome, und damit die Flugzeit zwischen A und B, konnte durch
entsprechende Synchronisation der Laserpulse in Bezug auf die Rotation der
Zerhackerscheibe im Experiment verandert werden.
Mit Rydberg-Atomen im Zustand n = 38 und Wahl einer kurzen Flugzeit zwischen
A und B gelang es, beim Detektor B ein Spektrum zu erhal ten, das noch eine
deutliche Stufe bei der Schwellenfeldstarke fUr den P-Zustand mit n = 38
erkennen lasst. Das bedeutet, dass unter diesen Bedingungen die thermische
300 K-Strahlung noch keine vollstandige "Verschmierung" Uber die
Nachbarzustande bewirkt. Mit dieser Schwelle stand nunmehr ein Indikator
fUr den Nachweis der Beeinflussung durch zusatzliche thermische Strahlung
zur VerfUgung.
Wir konnten zeigen, dass die unter den oben beschriebenen Bedingungen bei B
noch erkennbare Stufe im Spektrum verschwindet, wenn die Flugzei t zwischen A
und B durch Wahl einer kleineren Atom-Geschwindigkeit verlangert und somit
die Einwirkungsdauer der 300 K-Strahlung vergr5ssert wird. Aber wir
konnten auch zeigen, dass die Stufe bei kurzer Flugzeit
unver::ind~rt
verschwindet, wenn die Temperatur der strahlumgebenden R5hre erh5ht wird.
Damit war der direkte Beweis fUr den Temperatureffekt erbracht!
Die gewonnenen Spektren haben gezeigt, dass bei einer Einwirkungsdauer der
Strahlung von etwa 0, 1 ms, wie sie in unserem Experiment gegeben war, nicht
nur die unmittelbar benachbarten Zustande besetzt werden, sondern dass eine
Umverteilung auf einen sehr breiten Bereich von Zust::inden bis hin zur
Ionisationsgrenze erfolgt. Theoretische Abschatzungen ergaben, dass die
Ubergangsraten fUr die durch thermische 300 K-Strahlung induzierten
Ubergange zu anderen Rydberg-Zustanden von derselben Gr5ssenordnung sind
wie die fUr spontane StrahlungsUbergange in den Grundzustand. Diese
Tatsachen mUssen bei kUnftigen Experimenten mit Rydberg-Atomen in jedem
Fall berUcksichtigt werden, um Verfalschungen und Fehlinterpretationen der
Messergebnisse zu vermeiden.
3.3 Sonstige Fehlerquellen
Neben der thermischen Strahlung gibt es auch noch andere St5reinflUsse,
die die Messergebnisse verfalschen konnen. Dazu geh5ren z.B.
Laserinstabilitaten und 3attigungseffekte in der Detektor-Elektronik.
Wegen der mit der grossen Lebensdauer der Rydberg-Atome verknUpften
geringen Linienbreite ist es erforderlich, die Laserfrequenz besonders
sorgfaltig zu kontrollieren. Wegen der endlichen Erholzeit des Channeltron
Detektors besteht die Gefahr, dass zeitlich aufeinander folgende Ereignisse
nicht getrennt registriert werden. urn eine solche Verzerrung der
Messergebnisse zu vermeiden, muss unter umstanden das Signal abgesch~cht
werden.
Die gegenseitige Beeinflussung der im selben Strahl stUck vorhandenen
hochangeregten Atome kann v5llig vernachlassigt werden, wie durch
rechnerische Abschatzungen, aber auch durch experimentelle Tests gezeigt
werden konnte.
