Fluorescence studies using low energy electron beam excitation
Transcript of Fluorescence studies using low energy electron beam excitation
Technische Universität München
Fluorescence studies using low energy electron beam excitationa very personal view by
Andreas Ulrichwith real work done by:
Thomas Dandl, Thomas Heindl, and Andrei Morozov*
and a lot of help by
Jochen Wieser**
Physik Department E12Technische Universität München
*University of Coimbra**Optimare Analytik GmbH & Co KG
Air Fluorescence Workshop, Karlsruhe 2011
Technische Universität München
A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
Spectroscopy:Provides information about the species involved
We work with beams in nitrogen and in air
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
PMT
GratingVacuumMonochromator
1/5 Mirror Optics
Ti Gas Purifier
Gas Cell
Faraday Cup
Beam Line Vacuum
FiberOptics
Ocean Opt.Spectrometer
Heavy ion beam experiments at the Munich 15 MV Tandem accelerator:
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
100 MeV 32S beam stopped in neon
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
200 400 600 800 1000
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
Inte
nsity
(nm)
e-beam, 5µA
Pure nitrogen, 800mbar
Some information comes from emission spectra
Technische Universität München
A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
200 400 600 800 1000
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
Inte
nsity
(nm)
600 800 1000
0
10000
Inte
nsity
(nm)
Gaydon Herman green (GHG)and Herman Infrared (HIR)
280 300 320 340 360 380 400 420
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
Inte
nsity
(nm)
N2
200 220 240 260 280 300
0
1000
2000
3000
4000In
tens
ity
(nm)
NO200-300nm
500-1000nm
280-420nm
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
Extension into the VUV shows N I lines ! (nitrogen spectrum)
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Atomic nitrogen shows up in the VUV spectral range
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 90,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Rat
io
Beam Current (A)
NO / N2 GHG / N2
200 300 400 500 600-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
Inte
nsity
(nm)
1A beam current 8A beam current(scaled on 337nm)
N2 / NO 337nm/247nmN2 / GHG 337nm / 557nm
The spectrum depends on beam current!
Plasma effects and radiation trapping
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
200 300 400 500 600
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Inte
nsity
(nm)
pure NitrogenNitrogen with 0,1% Oxygen
e-beam 1µA
1000mbar gas
Huge effect of O2
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
0 5 10 15 20 25 3020000
25000
30000
35000
40000
Inte
nsity
at 3
37nm
(a.u
.)
Time (min)
Stopping the gas flow: 17% in 30min
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200 300 400 500 600
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
200 225 250 275 300
0
500
1000
1500
Inte
nsity
(nm)
600 700 800 900 1000
0
1000
2000
Inte
nsity
(nm)
Inte
nsitä
t
[nm]
5A 400mbar fresh5A 400mbar after 1min
Appearance of CN
600nm 1000nm
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200 300 400 500 6000
1000
2000
3000
4000
5000
6000In
tens
ity
(nm)
Nitrogensynth. Air(scaled on 337nm)
e-beam, 8µA
800mbar gas
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
200 250 300 350 400 450 500 550 6000
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000In
tens
ity
(nm)
NitrogenAir(scaled on 337nm)
e-beam, 8µA800mbar gas
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Qualitative results from spectroscopy:Pure nitrogen is very sensitive to impurities
NO is often formed
Higher lying bands are populated (cascades ?)
Nitrogen is split to N atoms even excited N atoms
Regular air and synthetic air behave differently
Next step:
relative sensitivity calibration
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Thomas Dandl has used 3 types calibration lamps:
Halogen Lamp (LOT)
Wi 17G (Osram) 2x
Deuterium Lamp (LOT, Cathodeon) one lamp, 2 data sets
to measure the relative response of an Ocean Optics QE65000 between 280 and 420nm
He used (in part) filters for the wavelength region to suppress stray light
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Setup for calibration
Calibration lamp
Gas cell
MgF2 windows
12 keV electron source
Fiber optics entrance
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200 400 600 800 10000,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
corre
ctio
n fu
nctio
n
(nm)
Wi17/G 2892Wi17/G 3261Halogenlamp
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
280 300 320 340 360 380 400 4200,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
Rat
io
(nm)
fiber rotated 1fiber rotated 2fiber bentfiber tilted
Important message: Do not touch the setup after calibration !
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
260 280 300 320 340 360 380 400 4200,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
0,0040
Wi17/G 2892Wi17/G 3261Deuterium lamp (not our lamp)Deuterium lamp (our lamp)Halogen lamp
corr
ectio
n fu
nctio
n
(nm)
solid line: with UG11-filter
dashed line: without UG11-filter
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300 320 340 360 380 400 420-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Inte
nsity
(a.u
.)
(nm)
Laborluft M.Ave et al.
per
cent
age
wis
e de
viat
ion
from
syn
th. a
ir
synth. Air
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
200 250 300 350 400 450 500 550 600
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
22000
-320
-280
-240
-200
-160
-120
-80
-40
0
40
80
120
160
800mbar400mbar100mbar
Inte
nsity
(nm)
per
cent
age-
wis
e de
viat
ion
from
800
mba
r dat
a
Pure nitrogen, 8μA
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
0 200 400 600 800 100061
62
63
64
65
66
67
68
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Pressure [mbar]
357,7nm
0 200 400 600 800 100022,0
22,2
22,4
22,6
22,8
23,0
23,2
23,4
23,6
23,8
380,5nm
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Druck [mbar]0 200 400 600 800 1000
7,2
7,3
7,4
7,5
7,6 405,0nm
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Druck [mbar]
0 200 400 600 800 100016
18
20
22
24
26357,7nm
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Druck [mbar]
0 200 400 600 800 100011
12
13
14
15
16353,7nm
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Druck [mbar]0 200 400 600 800 1000
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
13,0
375,6nm
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Druck [mbar]0 200 400 600 800 1000
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
399,8nm
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Druck [mbar]
0 200 400 600 800 10002,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
328,5nm
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Druck [mbar]0 200 400 600 800 1000
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
371,1nm
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Druck [mbar]0 200 400 600 800 1000
3
4
5
6
7
8
9
391,4nm
Inte
nsitä
t bez
ogen
auf
337
,1nm
[%]
Druck [mbar]
I (p) various lines relative to the 337nm line 100 to 1000mbar
5 to 10% starting at vib. level 0 ???
30 to 50% at vib. Level 1
N2+ 100%15% level 3 30% level 2
Pressure dependence rel. to 337nm line
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A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
0 1 2 3 4 5 6 7 8 957
58
59
60
61
62
63
64
65
66
Inte
nsitä
t
357,7nm
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
20,5
21,0
21,5
22,0
22,5
23,0
23,5
Inte
nsitä
t
380,5nm
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
6,6
6,8
7,0
7,2
7,4
7,6
Inte
nsitä
t
405nm Beam current dependence of some lines in pure nitrogen normalized to the 337nm line
Quenching by free electrons?
5%
0 to 9 µA
Technische Universität München
A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
200 250 300 350 400 450 500 550 600
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
8A4A1A
Inte
nsity
(nm)
per
cent
age
wis
e de
viat
ion
from
int a
t 8A
Technische Universität München
A. Ulrich et al., Air Fluorescence, Karlsruhe 2011
Conclusion:Spectroscopy provides a lot of information about the nitrogen fluorescence.
Calibration measurements have to be carefully prepared.
Relative intensity measurements of the emission bands would have to be repeated with better wavelength resolution.