Physik: Verbessertes Spektrometer hilft winzige Signale besser zu sehen

Mit Velocity Map Imaging (VMI) können Forscher den Impuls von geladenen Teilchen wie Atomen oder Molekülen genau messen. Das hilft zum Beispiel dabei, zu verstehen, wie diese bei Kollisionen reagieren oder wie sie durch Licht auseinanderbrechen. An der Uni Kassel wird dafür ein Laserstrahl verwendet, der auf Gasmoleküle trifft und diese ionisiert, also elektrisch geladene Elektronen auslöst. Diese werden durch elektrische Felder auf einen Detektor gelenkt. Dafür werden metallische Ringe benötigt, die den Laserstrahl umgeben.

Ein Problem tritt auf, wenn sehr energiereiches ultraviolettes Licht (UV-Licht) verwendet wird – wie bei vielen Experimenten. Denn dann wird das Licht nicht nur von den untersuchten Teilchen absorbiert, sondern auch von den Metallringen. Dabei entstehen Elektronen, die auch geladen sind – und zwar so viele, dass das eigentliche Signal, das man messen möchte, fast völlig verdeckt wird. 

Um dieses Problem zu lösen, hat eine Gruppe Kasseler Wissenschaftler um Dr. Arne Senftleben am Institut für Physik (Fachgebiet Femtosekundenspektroskopie und Ultraschnelle Laserkontrolle) mehrere Änderungen an ihrem VMI-Gerät vorgenommen. Zum einen haben sie Streulichtblenden eingeführt. Diese sorgen dafür, dass beim Eintritt in die Vakuumkammer auftretendes Streulicht nicht auf die Metallplatten treffen kann. Die Oberfläche der Streulichtblenden muss extrem schwarz sein, also Licht fast vollständig „verschlucken“. Da die Forscher mit unsichtbarem UV-Licht gearbeitet haben, sollten die Blenden auch im UV „schwarz“ sein, was am besten mit nanostrukturierten Oberflächen funktioniert. Von diesen wurden im SFN Aufnahmen mit deren Rasterelektronenmikroskop gemacht, die die erfolgreiche Nanostrukturierung bestätigten. 

Außerdem haben die Forscher die Metallringe des VMI-Geräts besonders dünn ausgeführt. Dadurch trifft weniger UV-Licht auf die Ringe, wo zuvor eine große Menge an Hintergrundelektronen entstanden.Des Weiteren nutzten sie zum Eintritt des Lasers in die Vakuumkammer hochwertige Fenster, die Licht hereinlassen, aber kaum streuen. 

Insgesamt konnten die Forschenden das störende Hintergrundsignal um 99,9 Prozent reduzieren, ohne dass dabei die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigt wurde.

„Wir hoffen, dass das Spektrometer weiter angepasst oder verbessert werden kann, um alle Arten von Messungen mit tiefem ultraviolettem Laserlicht zu ermöglichen“, so Nicolas Ladda, der im Rahmen seiner Promotion die Verbesserungen des VMI-Geräts umgesetzt hat. Nun möchte er darin chirale Moleküle mit UV-Licht untersuchen.

Die Forschungsergebnisse sind hier veröffentlicht: 
https://pubs.aip.org/aip/rsi/article/96/11/113304/3373072/

Kontakt: 

Dr. Arne Senftleben
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Physik
Telefon: 0561-804-4294
E-Mail:  arne.senftleben[at]uni-kassel[dot]de