Fluoreszenzspektroskopische Messungen der Geschwindigkeitsverteilungen verdampfter und zerstäubter Zr-Atome mit Hilfe eines Dauerstrich-Farbstofflasers

In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsverteilungen in Atomstrahlen aus der Doppler-Verschiebung von im sichtbaren Bereich liegenden Spektrallinien beschrieben. Um eine hohe spektrale Auflösung zu erzielen, erfolgt die Anregung der Atome mit Hilfe eines auf nur einer durchstimmbaren Frequenz arbeitenden Dauerstrich-Farbstofflasers. Beobachtet wird die spontane Emission der angeregten Atome in eines von im allgemeinen mehreren metastabilen Niveaus als Fluoreszenzstrahlung (Drei-Niveau-System). Aus der Abhängigkeit dieser Fluoreszenz von der Frequenz des anregenden Laserlichtes läßt sich sodann die Geschwindigkeitsverteilung quantitativ ermitteln. Dieses Meßverfahren wurde dann dazu benutzt, die Geschwindigkeitsverteilungender von niederenergetischen Ar-, He- und D-Ionen zerstäubten Zr-Atome zu bestimmen. Die hohe Geschwindigkeitsauflösung des Verfahrens ($\Delta$v < 1o m/s) rmöglichte es, erstmalig zu zeigen, daß die Geschwindigkeitsverteilungen zerstäubter Atome von der Masse der Zerstäubungsionen abhängig ist. Da die Atome durch das Laserlicht in metastabile Zustände übergepumpt werden, verringert sich laufend die Zahl der anregbaren Atome. Die quantitative Auswertung der Messungen erfordert daher zum einen eine zeitabhängige Lösung der Bilanzgleichungen im Drei-Niveau-System und zum andern eine gute Definition der Anregungs- und Beobachtungsgeometrie, sodaß sich die Dauer der Anregung ermitteln läßt. Zu diesem Zweck fällt der Laserstrahl senkrecht auf die den Atomstrahl emittierendeFläche. Die Fluoreszenzstrahlung wird senkrecht zum Laserstrahl, d. h. parallel zur emittierenden Fläche in einem Streuvolumen beobachtet, das einen variablen aber definierten Abstand von der emittierenden Fläche hat. Die Anregungsdauer ist daher durch den Abstand des Streuvolumens von der emittierenden Fläche und die aus der Frequenzverstimmung des Lasers folgende Geschwindigkeit der Atome gegeben. Zur Auswertung der Messungen wurden die folgenden physikalischen Annahmen gemacht : 1. Die Absorptionslinie hat ein Lorentz-Profil, dessen Breite durch die Lebensdauer des angeregten Zustandes bestimmt ist. 2. Die spektrale Verteilungder Laserlinie (instantane Breite) wird als $\delta$-Distribution behandelt ; d. h. die Laserstrahlung wird als monochromatisch angesehen. 3. Die Laserfrequenz soll sich nur so langsam ändern, daß die Laserlinie während der Aufenthaltszeit der Atome im Laserlicht nicht aus dem Zentrum der Absorptionslinie wandert. Zur Überprüfung des Meßverfahrens wurde die Geschwindigkeitsverteilung von Zr-Atomen gemessen, die von einer elektrisch geheizten Zr-Folie abgedampft wurden. Für große Geschwindigkeiten, d. h. kleine Aufenthaltszeiten im Laserlicht ergibt die den obigen Annahmen entsprechende Auswertung gute Übereinstimmung mit der aus der Theorie von Langmuir erwarteten Geschwindigkeitsverteilung. Nur für kleine Geschwindigkeiten, d. h. für lange Aufenthaltsdauern der Atome im anregendenLaserlicht, ergeben sich Abweichungen, da der Laser über längere Zeiten nicht genügend frequenzstabil ist. Diese Abweichungen sind jedoch für die Messung der Geschwindigkeitsverteilungen zerstäubter Atome unerheblich