Anderungen am Aufbau des Kryostaten

Da mit dem im Kapitel 3 beschriebenen Kryostaten und Probenmanipulator nur Tem-peraturen bis herunter zu 28 K erreicht werden k¨onnen, wurde f¨ur die Experimente zur Adsorption von Wasserstoff ein vonSchmicker[180] geplanter und in Betrieb genom-mener He-Durchflusskroystat der Firma Cryovac (UHV-Konti-Kryostat, Auftrag-Nr.

3419-91) [181] verwendet. Am Probenhalter und den Strahlungsschilden wurden mehr-fach ¨Anderungen vorgenommen, die im folgenden Abschnitt vorgestellt werden sollen.

Der Manipulator, der den Kryostaten aufnimmt, erlaubt eine Verschiebung in alle drei Raumrichtungen sowie eine begrenzte Kippbewegung der auf drei Punkten gela-gerten Grundplatte, wobei gleichzeitig Azimut- und Kippwinkel des Kristalls ge¨andert werden. Auf eine Rotation des Kristalls wurde verzichtet, um nicht eine schlechte-re W¨armeleitung ¨uber bewegliche Teile und damit eine h¨ohere Kristalltemperatur in Kauf nehmen zu m¨ussen.

Bei den ersten Experimenten an NaCl wurde der von Schmicker [180] konzipierte Aufbau des Probenhalters verwendet, allerdings, wenn es das Experiment erlaubte, nur mit einem inneren Strahlungsschild, einem direkt an die Abschirmung des Kryo-staten angebrachten Kupferzylinder. Zus¨atzliche Verwendung eines l-N₂ gek¨uhlten, verschiebbar an einem Flansch an der Kammer befestigten, ¨außeren Schildes f¨uhrte zu einer Temperaturerniedrigung von etwa 0,7 K, aber auch zu einer Abschw¨achung des Heliumsignals um eines Faktor 3, sodass es insgesamt meist ung¨unstiger war, es zu verwenden. Mit diesem Aufbau wurden Kristalltemperaturen von etwa 8 K (am Probenhalter 7-7,5 K) erreicht, er erlaubt allerdings in situ keine Spaltung der Pro-be und kam daher nur f¨ur NaCl in Frage. Die von Schmicker [180] f¨ur Silizium verwendete Probenhalterung konnte wegen der gr¨oßeren Dimensionen der Ionenkri-stalle nicht verwendet werden. Stattdessen wurde der Kristall in einer urpr¨unglich f¨ur Induktionsspulen vorgesehenen 5 mm tiefen Aussparung mit Klammern aus Kupfer-blech befestigt; dies erlaubte zudem eine gute Vorjustierung in [100] Richtung. F¨ur die Messung entlang der [110] Richtung wurde die R¨uckseite eines gr¨oßeren Kristalls so pr¨apariert, dass sie in dieselbe Aussparung passte, die Oberfl¨ache aber in [110]

Richtung orientiert war. Ein Foto dieses Kristalls ist in Abbildung 5.1 zu sehen; die Oberfl¨ache zeigt nach unten, vorne erkennt man schwach eine Kerbe f¨ur eine der Kup-ferklemmen. Die Genauigkeit der Vorjustierung in dieser Richtung war damit etwas schlechter und wurde zus¨atzlich dadurch erschwert, dass nach dem Spalten außerhalb der Vakuumkammer Kristall und Strahlungsschild schnell und unter Argonatmosph¨are festgeschraubt werden mussten. Im oberen Teil von Abbildung 5.2 ist eine am gezeig-ten NaCl[110]-Kristall gemessene Winkelverteilung zu sehen. Die Probleme bei der

5. Wasserstoff- und Stickstoffadsorption

Abbildung 5.1: Foto des NaCl Kristalls, der in [110] Richtung orientiert wurde. Die verwendete Oberfl¨ache zeigt nach unten.

Justierung sind an der fehlenden Symmetrie der Beugungspeakh¨ohen rechts und links vom spekularen Reflex (bei 45.05^◦) zu erkennen: Eine symmetrische Korrugationsfunk-tion, wie sie bei Ionenkristallen vorliegt, sollte bei Beugungsmessungen durch Drehung des Kristalls um den Polarwinkel zu gleichen Peakh¨ohen der (n,m) und (-n,-m) Refle-xe f¨uhren. Ungleiche H¨ohen sind im einfachsten Fall auf schlechte Azimutjustierung zur¨uckzuf¨uhren, die immer eine Fehleinstellung des Kippwinkels bedingt, da im vor-liegenden Aufbau beide Freiheitsgrade nicht unabh¨angig sind.

Hinreichend saubere Magnesiumoxidfl¨achen lassen sich nur durch Spaltung in situ erhalten [182, 183], vor allem, wenn der Aufbau kein Tempern bei hohen Temperaturen erlaubt; selbst eine Vakuumspaltfl¨ache, die nicht aus der Kammer entfernt, sondern nur einige Minuten unter Argonstrom bel¨uftet wurde, w¨ahrend ein Flansch an der Kammer ausgetauscht wurde, war danach stark zerst¨ort und lieferte kein koh¨arentes Signal mehr. Ein geschlossenes und nicht bewegliches Strahlungsschild konnte hier also nicht verwandt werden. Daher wurden die ersten Messungen an MgO nur mit dem l-N₂ gek¨uhlten ¨außeren Strahlungsschild und einem die Spaltung erm¨oglichenden Halbzylinder um die R¨uckwand des alten Probenhalters durchgef¨uhrt. Dabei konnten Temperaturen von etwa 10 - 11 K (Probenhalter 9 - 10 K) erreicht werden.

Vor weiteren Messungen an MgO wurden der Probenhalter und die Strahlungsschil-de ersetzt, um Strahlungsschil-den thermischen Kontakt zwischen Probenhalter und Kristall zu verbes-sern und eine bessere Vorjustierung in [110] Richtung zu erreichen. Außerdem wurde das innere, direkt am Kryostaten angebrachte Strahlungsschild beweglich konstruiert, um eine Spaltungin situzu erm¨oglichen. Der Probenhalter, siehe Abbildung 5.3, wur-de aus Silber gefertigt, da dieses im interessierenwur-den Temperaturbereich eine etwa um einen Faktor 15 h¨ohere W¨armeleitf¨ahigkeit als sauerstofffreies Kupfer besitzt, n¨amlich

∼110 im Vergleich zu 7 W·cm⁻¹·K⁻¹ [184]. Der Kristall wird in [110] Orientierung

5.2 Experimentelle Details

Einfallswinkel Θ_i [˚]

20 30 40 50 60 70

0 50 100 150

Intensität

I

0 200 400

600 NaCl[110], 1. Netz k_i = 7,1 Å^-1

MgO[110], 0. Netz k_i = 4,5 Å^-1

Abbildung 5.2: Vergleich der Genauigkeit der Justierung mit dem alten (oben) und neuen Probenhalter (unten). Die relativen Intensit¨aten der Beugungs-peaks sind nicht vergleichbar, da es sich um verschiedene Kristalle handelt.

von einem kleinen Kupferblock von unten gegen den Silberprobenhalter gedr¨uckt und beide zusammen ¨uber dieselben Gewindestangen festgeschraubt, die den Silberblock an der Kryostatenkaltfl¨ache halten; Kupfer- und Silberblock des Probenhalters wer-den thermisch durch eine W¨armebr¨ucke aus Kupferblech verbunden, die erst nach Anziehen der Probenhalterschrauben befestigt wird, um die Kraft auf den Kristall nicht zu vermindern. Der W¨arme¨ubergang zwischen der Kristallr¨uckseite beziehungs-weise der W¨armebr¨ucke und dem Probenhalter wird durch Indiumfolie verbessert. Die maximale Ausheiztemperatur des Kryostaten betr¨agt 525 K; um ein Schmelzen des Indiums zu verhindern, ist die Probenheizung jedoch auf etwa 420 K begrenzt. Eine Siliziumdiode zur Temperaturmessung befindet sich unterhalb des Kristalls auf dem Kupferblock, sodass die Kristalltemperaturen genauer werden als im urspr¨unglichen Aufbau; sie darf ebenfalls nur bis maximal 440 K aufgeheizt werden. Wie im unteren

5. Wasserstoff- und Stickstoffadsorption

Abbildung 5.3: Foto des neuen Probenhalters. Unten ist der Kupferblock zu sehen, der den Kristall gegen den am Kryostaten angebrachten Silberblock dr¨uckt. Zur Temperaturmessung sind auf dem Kupferblock eine Si Di-ode sowie auf beiden Bl¨ocken Thermoelemente befestigt.

Teilbild von Abbildung 5.2 zu sehen ist, ist die Symmetrie der Beugungspeaks und damit die azimutale Justierung mit diesem Probenhalter deutlich besser. Die relativen Intensit¨aten k¨onnen nicht mit denen des oberen Teilbildes verglichen werden, da es sich um verschiedene Oberfl¨achen handelt.

Das neue innere Strahlungsschild besteht aus einem festen Halbzylinder als R¨ uck-wand und Boden sowie einem zum Spalten und Justieren ¨uber einen Drahtzug an einer Drehdurchf¨uhrung hochklappbaren, vorderen Teil, der separat ¨uber Kupferlitzen an der Abschirmung des Kryostaten befestigt ist, siehe Abbildung 5.4. Zur Verklei-nerung des Raumwinkels, aus dem Strahlung auf den Kristall f¨allt, sind ¨uber und unter der ¨Offnung f¨ur den Heliumstrahl horizontale Kupferbleche angebracht. Alle Teile wurden mit Gold bedampft, da Gold vor allem im Infraroten ein hohes Reflexi-onsverm¨ogen besitzt. Eine neue Version des ¨außeren Strahlungsschildes brachte ebenso wie das urspr¨ungliche nur eine kleinere Verbesserung von unter 1 K, sodass es nicht verwendet wurde. Mit heruntergeklapptem inneren Schild erreichte dieser Aufbau etwa 7 K Kristalltemperatur, mit hochgeklapptem Schild beziehungsweise ganz ohne den

5.2 Experimentelle Details

Abbildung 5.4: Foto des neuen, beweglichen inneren Strahlungsschildes. Neben dem Gewicht unten links ist ein Draht befestigt, mit dem der vordere Teil hochgeklappt werden kann.

beweglichen Teil 8 - 9 K.

Abschließend soll erw¨ahnt werden, dass die minimale Temperatur sehr empfindlich von der Kraft abh¨angt, mit der die einzelnen Teile zusammengeschraubt sind, und da-her in verschiedenen Experimenten etwas unterschiedlich war. Obwohl die (zumindest relative) Genauigkeit der Temperaturmessung mit der Siliziumdiode deutlich besser ist, werden die Temperaturen hier ohne Dezimalstellen angegeben, da die Tempera-turdifferenzen zwischen Probenhaler und Kristall nicht bestimmbar sind. Aus Verglei-chen der Adsorptionsbedingungen verschiedener Experimente werden sie auf 0,5 - 2 K abgesch¨atzt. Eine Kalibrierung der Kristalltemperatur ¨uber die Kondensation ei-nes Gases zum dreidimensionalen Festk¨orper war in diesem Temperaturbereich nicht m¨oglich: F¨ur Wasserstoff w¨aren Temperaturen von etwa 5 K n¨otig gewesen, die nicht erreicht werden konnten; um Stickstoff unter einem geeigneten Druck zu kondensieren, reichten dagegen deutlich h¨ohere Temperaturen aus, bei denen die ermittelten Tem-peraturdifferenzen nicht mehr mit denen bei tiefsten Temperaturen verglichen werden

5. Wasserstoff- und Stickstoffadsorption

Targetkammerdruck p/10^-5 [mbar]

0 1 2 3 4 5 6 7

Abschwächung [%]

0 10 20 30 40 50 60

Abbildung 5.5: Strahlabschw¨achung bei den angegebenen Wasserstoffdr¨ucken in der Targetkammer.

k¨onnen.