Messung der Beweglichkeit von Ionenclustern unter Benutzung des 20ms-Isomers ^24mNa als Tracer

Diplomarbeit von Bernhard Abmayr

Januar 1989

Technische Universität München, Fachbereich Physik

Institut E17, Prof. Dr. H. Morinaga

Garching b. München

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Tracer-Methode entwickelt, die mit einer extrem kurzen Tracer-Halbwertszeit von nur 20ms die Möglichkeit bietet, Bewegungen von Na⁺-Ionen im Geschwindigkeitsbereich von einigen m/s nachzuweisen. Ein großer Vorteil des hier benutzten Tracers ist, daß die ^24mNa-Kerne als Tracerisotope nicht direkt erzeugt werden müssen, sondern aus ²⁴Ne durch einen β^--Zerfall mit einer Halbwertszeit von 3.38min entstehen und ab diesem Zeitpunkt bis zur Rekombination positiv geladen sind. Dadurch bewegen sich die ^24mNa⁺-Ionen in einem elektrischen Feld. Die Geschwindigkeit der Ionen kann über die Änderung der Rate der in einem Detektor nachgewiesenen Gammaquanten vom Zerfall des isomeren Zustands berechnet werden. Auf diese Weise wurden die Beweglichkeiten der Natriumionen in reinem, gasförmigen Neon gemessen. Dabei stellte sich heraus, daß die Ionenbeweglichkeit stark von der Konzentration des Wasserdampfes im Gas bzw. Gasgemisch abhängt, da die Wassermoleküle selbst bei weniger als einem Promill Wasserdampfanteil so schnell mit den Natriumionen Cluster bilden, daß die Geschwindigkeit der Ionen schon während der ersten Millisekunden nach ihrer Entstehung drastisch verringert wird. Bei Beweglichkeitsmessungen in Gasmischungen von Neon mit Argon, Helium, Stickstoff, und Kohlendioxid wurde gezeigt, daß die Anwesenheit von Wasserdampf je nach Gassorte unterschiedliche Einflüsse auf die Ionenbeweglichkeit hat: Während bei Argon und Stickstoff die Beweglichkeit in der Mischung mit durch Wasserdampf verunreinigtem Neon dem von der Theorie vorhergesagten Wert für Gasmischungen entsprach, waren die Wassercluster beim Helium größer und somit die Beweglichkeit kleiner als erwartet, da die Cluster durch Stöße mit den leichten Heliumatomen nicht so leicht zerstört werden können wie durch Stöße mit den anderen, schwereren Atomen oder Molekülen. Bei der Mischung von Neon mit Kohlendioxid war die Beweglichkeit der Natriumionen jedoch größer als vermutet, weil durch die Bildung der Cluster mit den Wassermolekülen die Bildung von Clustern mit Kohlendioxidmolekülen wegen der kleineren Bindungsenergie unterbunden war. Ferner konnte exemplarisch an verschiedenen Mischungen von Neon mit Ethanoldampf gezeigt werden, daß die Methode geeignet ist, die Änderung der Ionenbeweglichkeit mit dem Mischungsverhältnis in Übereinstimmung mit der Theorie mit hinreichender Genauigkeit zu messen.

Um die Anwendbarkeit der Tracermethode zur Untersuchung der Bildung von größeren Clustern oder Tröpfchen in Gassystemen in der Nähe des Kondensations- oder des kritischen Punktes zu prüfen, wurde in der sensitiven Zone einer Diffusionsnebelkammer nach solch einer Clusterbildung gesucht. Dazu wurde in einem "Fließgleichgewicht" für längere Zeit eine Zone mit übersättigtem Ethanoldampf erzeugt und die Geschwindigkeit der Ionen in diesem Gebiet gemessen. Es zeigte sich, daß die Beweglichkeit der Ionen so stark sank, daß man diesen Effekt nur auf die Bildung von größeren Clustern zurückführen kann.