Techniklexikon

Vakuum-UV-Spektroskopie

Atom- und Molekülphysik, VUV-Spektroskopie, Teilgebiet der Spektroskopie, bei dem der ultraviolette Bereich des elektromagnetischen Spektrums untersucht wird. Die Wellenlängen der Strahlung liegen im Bereich 0,2-200 nm, der zugehörige Bereich der Photonenenergie (Photon) liegt bei 6-6 000 eV. Da in diesem Bereich die atmosphärischen Gase in der Luft signifikante Absorption zeigen, werden die Experimente in der Regel im Vakuum durchgeführt. Deshalb hat sich für Strahlung in dem Spektralbereich der Begriff Vakuum-UV-Strahlung (VUV-Strahlung) eingebürgert. Auf der hochenergetischen Seite ist der Übergang zum Bereich der Röntgenstrahlung fliessend. Die ersten Experimente in diesem Spektralbereich wurden bereits Ende des 19. Jh. durchgeführt. Seit den fünfziger Jahren des 20. Jh. hat sich das Gebiet rasch weiterentwickelt, als Hochvakuum und entsprechende Lichtquellen verfügbar wurden. Diese Entwicklung wurde stimuliert durch die Notwendigkeit spektroskopischer Daten im Spektralbereich z.B. für die Plasmaphysik oder die Physik der Wechselwirkung der Sonnenstrahlung mit atmosphärischen Gasen. In Atomen und Molekülen ist dieser Spektralbereich der Bereich der Photoionisation und Photodissoziation. Als Beispiel aktueller Forschung auf diesem Gebiet sei die Untersuchung der Winkelkorrelation von Elektronen bei der Vielfachionisation von Atomen oder Molekülen durch Absorption von Synchrotronstrahlung genannt. Wie bei anderen Formen der Spektroskopie lässt sich auch hier eine Unterteilung in Absorptionsspektroskopie (Atom-Absorptionsspektroskopie), Emissionsspektroskopie (Atom-Emissionsspektroskopie), Fluoreszenzspektroskopie und Ionisationsspektroskopie vornehmen, je nach Art der Anregung der Probe und der Detektionsmethode. Die verwendeten, experimentellen Techniken unterscheiden sich allerdings teilweise deutlich von denen der Spektroskopie in anderen Spektralbereichen.

Lichtquellen:

Auch hier kann man die Lichtquellen grundsätzlich in kontinuierliche Quellen und Linienquellen unterteilen. Die Gasentladung liefert eigentlich Linienspektren, allerdings kann unter Umständen, z.B. wenn sehr viele Vibrations- und Rotationslinien in Molekülen spektral sehr dicht liegen, die Überlappung diskreter Linien zur Emission eines kontinuierlichen Spektrums führen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die einzelnen Linien stark verbreitert sind (Linienbreite), z.B. durch hohen Druck in der Entladungsröhre. Im VUV-Bereich kann z.B. mit H₂-Molekülen in einer Glimmentladung kontinuierliche Strahlung im Bereich 165-220 nm erzeugt werden. Zweiatomige Edelgasmoleküle in einer Funkenentladung (Funke) emittieren Strahlung mit Wellenlängen im Bereich 60-200 nm. Die wohl wichtigste kontinuierliche Strahlungsquelle ist die Synchrotronstrahlung. Sie ist sehr gut monochromatisch und über weite Wellenlängenbereiche kontinuierlich abstimmbar. Je nach Anlage können Wellenlängen bis zu einigen hundertstel nm erreicht werden.

Als Linienquellen stehen, wie bereits erwähnt, Entladungslichtquellen zur Verfügung. Dabei liefern eine Reihe verschiedener Entladungstypen und verschiedener Gase Wellenlängen bis in den Bereich von ca. 100 nm. Ausserdem existieren seit einigen Jahren durchstimmbare VUV-Laser mit Wellenlängen in dem interessierenden Spektralbereich. Die VUV-Strahlung wird dabei in der Regel mit Methoden der nichtlinearen Optik wie z.B. der Frequenzmischung erzeugt. Als Strahlungquellen der Grundwellenlängen werden meist Farbstofflaser verwendet, die mit einem Excimerlaser, Stickstofflaser oder frequenzvervielfachten Nd-YAG-Laser gepumpt werden. Ausserdem gibt es eine Reihe molekularer Übergänge, die zur Realisierung von Gaslasern in dem Bereich geeignet sind. Diese sind allerdings nicht abstimmbar.

VUV-Optik:

Herkömmliche optische Materialien wie BK7 oder Quarz sind nicht zur Verwendung für Strahlung mit Wellenlängen unterhalb ca. 180 nm geeignet, da die Absorptionskoeffizienten zu gross sind. Für VUV-Fenster werden daher meist Materialien wie Saphir, MgF₂ und LiF verwendet. Aus dem gleichen Grund werden zur Wellenlängenselektion in der Regel keine Prismen sondern Reflexionsgitter verwendet.

Strahlungsdetektion:

Zur Detektion der Strahlung können eine Vielzahl von Methoden verwendet werden. Photomultiplier gehören auch hier zu den Detektoren mit der grössten Empfindlichkeit. Mit speziellen Photokathoden und Fenstern kann man bis ca. 100 nm vordringen. Für Anwendungen, die keine sehr hohe Empfindlichkeit erfordern, sind oft einfache Photokathoden ausreichend. Wegen der hohen Energie der Photonen sind die meisten Metalle geeignet, um durch den Photoeffekt Elektronen aus dem Festkörper zu emittieren. Ausserdem kann VUV-Strahlung teilweise mit Gaszählern wie dem Geiger-Müller-Zählrohr nachgewiesen werden. Eine weitere Alternative bieten spezielle photographische Filme die gute Empfindlichkeit bis ca. 80 nm liefern.

Elektronen- und Ionenspektroskopie:

Da die Targetteilchen durch Absorption von VUV-Strahlung oft ionisiert oder dissoziiert werden, sind auch die Methoden der Photoelektronenspektroskopie und des Nachweises geladener Teilchen wichtig.

Durch die Entwicklung der beschriebenen experimentellen Techniken konnten in den vergangenen Jahrzehnten viele Untersuchungen zu verschiedenen physikalischen Fragestellungen durchgeführt werden. Wie viele Spektroskopie-Methoden findet auch die VUV-Spektroskopie Anwendungen z.B. in der Elementanalyse.