Zusammenfassung
In unserem Labor wird die Wechselwirkung von Atomen mit aus stehenden Lichtfeldern
gebildeten, räumlich und zeitlich perodischen Potentialen studiert. Ein wesentliches Ziel unserer Arbeit ist es dabei, die Welleneigenschaften der Materie genauer zu erforschen.
Unentbehrlich für diese Experimente ist ein leistungsfähiger Atomdetektor.
In meiner Diplomarbeit wird für diese Experimente ein orts und zeitauflösendes Detektionssystem für den effektiven Nachweis metastabiler Argonatome aufgebaut, das eine räumliche Auflösung von 20 Mikrometern und eine zeitliche von besser als
0,4 Mikrosekunden erreicht. Dieses System basiert auf einem ortsauflösenden Mikrokanalplattendetektor von Quantar Technology, dessen Widerstandsanode von einem Computersystem mit Hilfe eines Time to Amplitude Converters zeitaufgelöst ausgelesen werden kann. Das Computersystem pulst hierfür die Atomquelle und mißt die Flugzeit der Argonatome. Weiters steuert der Computer in unseren Experimenten einen auf einem motorisierten Halter montierten Spiegel und nimmt die gemessenen Daten in Abhängigkeit dieser Parameter auf. Die Orts
auflösung des Systems bringt dabei im Vergleich zu dem von diesem Detektor ersetzten nicht ortsauflösenden Channeltrondetektor eine Verkürzung der Meßzeit um den Faktor 100, was die Durchführung der Experimente viel einfacher und übersichtlicher gestaltet.
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Inhaltsverzeichnis
1 Übersicht über unser Labor
1.1 Die Atomstrahlapparatur
1.2 Der Detektor in der Anlage
1.3 Die Lichtquellen
2 Der Detektor
2.1 Die Detektion metastabilen Argons
2.2 Typ des verwendeten Detektors
2.3 Der Detektor im Zusammenhang mit dem Experiment
2.4 Computerlösung der Datenaufnahme
2.5 Grenzen des Programms
2.6 Die erreichte Leistung des Detektionssystems
3 Das Experiment
3.1 Übersicht über das Experiment
3.2 Theoretische Überlegungen zum Experiment
3.3 Der experimentelle Aufbau
3.4 Datenauswertung
3.5 Weitere experimentelle Beobachtungen
A Die Histogramme
A.1 Standardhistogramm
A.2 Zeitauflösende Histogramme
A.3 Abbildungseigenschaften der Histogrammroutine
B Die LABVIEW Programme
B.1 Der Standardmeßbetrieb
B.2 Der zeitauflösende Meßbetrieb
B.3 Standardsteuerung des Piezoelements
B.4 Zeitauflösende Steuerung des Piezoelements
C Hardware-Kabelverbindungen
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit der Implementierung und Charakterisierung eines orts- und zeitauflösenden Detektionssystems für metastabile Argonatome, das speziell für atomoptische Beugungsexperimente entwickelt wurde. Ziel ist die Untersuchung der Wechselwirkung von Materiewellen mit zeitlich modulierten Lichtpotentialen.
- Aufbau und Validierung eines orts- und zeitauflösenden Detektionssystems.
- Untersuchung der Braggbeugung von Argonatomen an modulierten Stehwellen.
- Charakterisierung von Detektionseffizienz, Rauschen und Ortsauflösung.
- Implementierung einer computergestützten Datenaufnahme mittels LabVIEW.
- Analyse physikalischer Beugungsphänomene im Fernfeld.
Auszug aus dem Buch
Die Detektion metastabilen Argons
Die metastabilen Argonatome unseres Versuchsaufbaus können über deren Wechselwirkung mit der Oberfläche des verwendeten Detektors nachgewiesen werden.
Der Beschuß einer Festkörperoberfläche mit neutralen oder ionisierten Atomen beziehungsweise Molekülen kann Emission von Elektronen verursachen. Diese Elektronen gelangen durch die Übertragung von potentieller und/oder kinetischer Energie des auftreffenden Teilchens ins Vakuum. Bei der „kinetischen Emission“ wird die Bewegungsenergie des Projektils direkt auf die Festkörperelektronen übertragen. Da die Elektronen im Festkörper zumeist stark gebunden sind, ist kinetische Emission erst ab sehr hoher Bewegungsenergie und damit Geschwindigkeit der Projektile möglich. Die sogenannte „Potentialemission“ hingegen, bei der im Teilchen gespeicherte potentielle Energie auf die Festkörperelektronen übertragen wird, kann bis zu sehr kleiner Geschwindigkeit der Teilchen stattfinden. Bei diesem Wechselwirkungsprozeß können sich der Festkörperoberfläche nähernde Teilchen, welche über hinreichend große potentielle Energie verfügen, Elektronen mit dem Festkörper austauschen und diese über Augerprozesse ins Vakuum freisetzen.
Das Detektormaterial, hochreines Nichrom, weist nach Angaben des Herstellers Galileo Corporation eine Bindungsenergie der Elektronen von circa 6,2 eV auf. Die Atome des in unserem Labor präparierten Argonstrahls besitzen eine Geschwindigkeit von 400 bis 1000 m/s, womit eine kinetische Energie von 1/30 bis 1/5 eV einhergeht. Die kinetisch angeregten Elektronen können die Oberflächenbarriere daher nicht überwinden, sodaß kinetische Elektronenemission als Detektionsmöglichkeit ausscheidet.
Der für unsere Zwecke taugliche Detektionsmechanismus ist also die Potentialemission. Diese benutzt die im metastabilen 1s5 Zustand des Argonatoms gespeicherte potentielle Energie von 11,6 eV, die weit über der Bindungsenergie des Materials liegt. Die Potentialemission wird durch vor der Festkörperoberfläche stattfindende Elektronentausch- und Abregungsprozesse verursacht.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Übersicht über unser Labor: Einführung in das Forschungsumfeld und die grundlegende Funktionsweise der Atomstrahlapparatur.
2 Der Detektor: Detaillierte Beschreibung der Funktionsweise und Spezifikationen des Detektionssystems inklusive Signalverarbeitung.
3 Das Experiment: Darstellung des Braggbeugungsexperiments mit Argonatomen an einem modulierten Lichtgitter und Analyse der Resultate.
A Die Histogramme: Erläuterung der zugrunde liegenden Algorithmen zur Datenhistogrammierung mittels C++ Routinen.
B Die LABVIEW Programme: Dokumentation der softwareseitigen Implementierung der verschiedenen Meßbetriebsarten.
C Hardware-Kabelverbindungen: Auflistung der notwendigen Verkabelung für die Interaktion der Komponenten.
Schlüsselwörter
Argon, Metastabile Atome, Atomdetektor, Mikrokanalplatten, Potentialemission, Braggbeugung, Lichtkristall, LabVIEW, Datenaufnahme, Histogrammierung, Zeitauflösung, Ortsauflösung, Materiewellen, Zeitauflösende Messung, Interferometrie
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit dokumentiert den Aufbau und die Charakterisierung eines hochauflösenden Detektionssystems für metastabile Argonatome, welches den Nachweis von Atomen in Experimenten zur Atomoptik ermöglicht.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Vakuumtechnik zur Strahlpräparation, der Detektortechnologie, der computergestützten Datenerfassung und der Anwendung in Braggbeugungsexperimenten mit modulierten Lichtfeldern.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, einen orts- und zeitauflösenden Detektor in den experimentellen Aufbau zu integrieren und dessen Funktionalität durch den Nachweis von Braggbeugungsphänomenen bei Argonatomen zu validieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Methode der Potentialemission genutzt, bei der durch den Austausch von Elektronen an einer Nichrom-Oberfläche eine Sekundärelektronenlawine in einem Mikrokanalplatten-Stapel erzeugt wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst den technischen Aufbau, die physikalischen Grundlagen der Detektion, die Programmierung der Datenaufnahme-Software und die experimentelle Analyse der Beugungseffekte an modulierten Potentialen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Argon, metastabile Atome, Detektion, Mikrokanalplatten, Potentialemission, Braggbeugung, LabVIEW, Datenaufnahme und Zeitauflösung.
Wie wird die Ortsauflösung des Detektors technisch verbessert?
Durch einen schiefen Einbau des Detektors relativ zum Atomstrahl kann die effektive räumliche Auflösung in einer Dimension geometrisch vergrößert werden.
Welchen Vorteil bietet die Histogrammierung bei der Datenauswertung?
Die Histogrammierung reduziert den Speicherbedarf erheblich, da anstatt Ankunftsdaten jedes einzelnen Atoms nur die Häufigkeitsverteilung von Auftreffpunkten und Flugzeiten im Computer gespeichert wird.
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- Wolfgang Sailer (Author), 1998, Ein Detektor für und ein Experiment mit metastabilen Argonatomen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/127
