Eine Verbesserung des einstufigen TOF-Massenspektrometers bildet die 2-stufige Beschleu-nigung von Wiley et al. [199]. Dabei liegt die Spannung nicht in einer einzigen Steigung vor, sondern steigt erst stark an, um dann über eine längere Strecke der Beschleunigungs-einheit nur noch schwach anzusteigen. Diese verschiedenenen Steigungen der Spannungen
Abbildung 4.3.: Schema des verwendeten Flugzeitmassenspektrometers: In der Beschleuni-gungseinheit werden die Cluster einstufig von−1000V bis 0V beschleunigt. Im Reflektron werden die Cluster mittels eines zweistufigen Potentials, erste Stufe 0V bis≈ −750, zweite Stufe≈ −750V bis−1100V umgelenkt (siehe 4.2.2) und auf den Detektor fokussiert. Die Fo-tos (M. Götz) zeigen eine technische Realisation. Auf den dazwischliegenden Driftstrecken wird der Clusterstrahl durch fünf Einzellinsen kollimiert.
führen zu einem Ausgleich der Geschwindigkeitsverteilung der Cluster. Der Großteil ihrer kinetischen Energie wird duch die steile Steigung zugeführt. Cluster die nun „zu schnell“
sind, verweilen recht kurz im Bereich der schwachen Steigung und nehmen so nur noch wenig kinetische Energie auf. „Zu langsame“ Cluster haben eine längere Zeit im Raum der flachen Kurve und können so mehr kinetische Energie aufnehmen. Durch ein geeignetes Verhältnis der beiden Spannungen, Gesamtspannung und dem Übergang von der steilen Steigung zur flachen Steigung kann die Massenauflösung deutlich verbessert werden.
4.2.2. Reflektron
Das Reflektron erfüllt zwei Funktionen im benutzten Aufbau: zum einen müssen Clus-terexperimente einen „Knick“ im Ionenstrahlengang haben, um die Anzahl der Neutral-teilchen zu reduzieren; zum anderen ist die 2-stufige Bauweise anstatt in der
Beschleu-Abbildung 4.4.: Die Spannungsverteilung in der Beschleunigungseinheit nach Wiley und McLaren zur Verbesserung des Auflösungsvermögens eines Flugzeitmassenspektrometers.
Dieselbe Verteilung im Reflektron, mit umgekehrter Polung, bewirkt den gleichen Effekt (siehe Kapitel 4.2.1 und 4.2.2 ).
nigungseinheit nun im Reflektron realisiert. Das Ergebnis ist komplementär zur oben be-schriebenen Beschleunigungseinheit nach Wiley und McLaren.
4.3. Photoelektronenspektrometer
Nach dem Driften durch das TOF-Massensepektrometer erreichen die Clusterpakete nach einigen hundert µs der Beziehung 4.3 folgend, die Interaktionszone. Sie befindet sich kurz vor dem Ionenchanneltron. Dort kreuzen sie den Laserstrahl, der sie ionisiert.
Das Elektronenspektrometer basiert ebenfalls auf der Flugzeitmessung. Alle Energie Ehν, die der Laserstrahl über die Bindungsenergie EBind der Elektronen hinaus bereitstellt, er-halten die Elektronen als kinetische Energie Ekin(siehe Gleichung 3.1).
Je schneller Elektronen am Detektor ankommen, desto schwächer waren sie am Cluster gebunden. Da Ekin sich nicht ändern darf, werden die Elektronen mit magnetischen Fel-dern auf den Detektor fokussiert. Ein homogenes Führungsfeld führt die Elektronen vom Extraktionsort zum Detektor. Zwei Helmholtz-Spulenpaare sorgen für einen Ausgleich
eventueller störender äußerer Magnetfelder. Um möglichst viele Elektronen der Cluster in Richtung Dektektor zu bekommen ist die Interaktionszone selbst in ein inhomogenes Ma-gnetfeld der Form „magnetische Flasche“ gebettet (siehe Abb. 4.5).
Abbildung 4.5.: Feldlinien des Magnetfeldes in der magnetischen Flasche,grüne Linien. In der Führungsspule, oberer Teil, ist die Feldstärke viel geringer als am Permanentmagnet, un-terer Teil. Der Weg der Elektronen istblaudargestellt. Der Clusterstrahl istroteingezeichnet (mit Andeutung der Ionisation). Der Laserstrahl würde in die Zeichebene hinein oder aus ihr herausragen (siehe Abb. 4.6 [80]).
Die Feldform der magnetischen Flasche ist wie folgt: ein schwaches zylindersymmetri-sches homogenes Feld verjüngt sich zu einer Seite hin und verstärkt sich dadurch. Der sich bildende „Flaschenhals“ (engl.: bottleneck) des Feldverlaufes der magnetischen Fla-sche hat die Eigenschaft eines ausgedehnten Ionenspiegels. Durch diese Feldgeometrie werden auch Photoelektronen zum Detektor gelenkt, die sich nach der Ionisation in belie-bige Raumrichtungen bewegen. Der überwiegende Teil der Flugstrecke liegt im schwachen Führungsfeld, dadurch spielt das Umkehren der Elektronen am Extraktionspunkt keine Rolle. Die ursprüngliche Anwendung der magnetischen Flasche war der Einschluß von Plasmen für Fusionsexperimente. Die geophysikalische Rolle der magnetischen Flasche zeigt sich im „van-Allen-Strahlungsgürtel“ [80, 200].
Die Energieauflösung des Photoelekronenspektrometers ∆EE ist durch die Dopplerverbrei-terung begrenzt. Durch die Geschwindigkeit der Cluster haben die Elektronen einen Bei-trag in ihrer kinetischen Energie Ekinzusätzlich zur Energie des Photons Ehν:
Ekin= 1
2me(~vCluster+~vhν)2 (4.4) Ein Auflösen des quadratischen Terms und eine Vernachlässigung des~vCluster-Anteils er-gibt für die Energieverbreiterung:
∆Ekin∝2·me·~vCluster·~vhν (4.5) Die Energieauflösung ist dann ∆EE . Sie nimmt mit steigender Energie ab. Um den Ge-schwindigkeitsbeitrag der Cluster zu minimieren, wird eine Abbremseinheit in die Extrak-tionseinheit hineingebaut. Sie legt für kurze Zeit ein positives Gegenfeld an die Cluster und reduziert die kinetische Energie auf≈0 eV. Da es nicht gelingt die kinetische Energie völlig zu reduzieren, bleibt eine minimale Peakbreite von 100meV für das Photoelek-tronenspektrum. Die ersten Gruppen, die eine magnetische Flasche als Photoelektronen-spektrometer in der Clusterphysik verwendeten, waren Chesnovsky et al. und Ganteför et al. [201, 202].
Abb. 4.6 zeigt und beschreibt die Konstruktion:
Abbildung 4.6.: Ein Schnitt der Interaktionszone: Rot der Clusterionenstrahl, magenta der Laserstrahl zur Ionisation,gelbder Weg der Elektronen in den graphitierten Kupfertrichter.
Die Blenden um den Strahlquerschnitt des Laserstrahls zu reduzieren sindgrüngefärbt.Blau ist das Channeltron mit Abschirmung zur Detektion der Cluster eingezeichnet. Zwischen den beiden Bremsrohren werden die Cluster gebremst, dadurch kommen sie im zweiten Kupfer-rohr an der Stelle des Loches für den Laser zum „stehen“. Um die gewünschte Feldverteilung der magnetischen Flasche zu erreichen, ist unter dem zweiten Bremsrohr ein Magnet ange-bracht (siehe Abb. 4.5) [203].
Im folgenden Kapitel werden die gemessenen Spektren ausgewählter Aluminimium-, Kupfer-und Silbercluster vorgestellt Kupfer-und diskutiert. Zuvor wird kurz auf die Massenauflösung ein-gegangen und ein entsprechendes Massenspektrum gezeigt.