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The lowest rotational quantum states of hydroxyl anions probed by electron photodetachment in a cryogenic storage ring

Meyer, Christian

German Title: Die tiefsten Quantenzustände der Rotation in Hydroxylanionen untersucht durch photoinduzierte Elektronablösung in einem Tieftemperatur-Speichering

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Abstract

The Heidelberg electrostatic Cryogenic Storage Ring (CSR) provides an environment for storing ion beams up to hours under interstellar conditions. A low radiative background and a residual particle density of < 140 cm-3 is achieved by cooling the experimental chambers of the CSR down to 6 K by liquid helium. In such an environment internally excited infrared-active molecules cool to their lowest rovibrational levels by emitting photons. The radiative cooling of a rotationally hot OH- beam at 60 keV is probed by near-threshold photodetachment. Thereby the radiative lifetimes of the lowest rotational states (193(6) s for J = 1) are measured directly by the exponential decays and the rotational transition dipole moment is determined. Calculations for the transition dipole moment in the vibrational ground state deviate about (7+-1)% from the experimental value of d = 0.971(10) D. The correlation between the rotational energy levels and their corresponding radiative lifetimes is used to reveal the individual level populations and their relative photodetachment cross sections. In the steady state an internally cold OH- beam is reached with more than 90% of the population in the rovibrational ground state, corresponding to an effective internal temperature of 15 K.

Translation of abstract (German)

Der elektrostatische Tieftemperatur-Speichering in Heidelberg bietet eine Umgebung, in der Ionen-Strahlen bis zu Stunden unter interstellaren Bedingungen gespeichert werden können. Ein niedriger Strahlungshintergrund und eine Restgasteilchendichte von < 140 cm-3 werden erreicht, indem die experimentellen Kammern des Tieftemperatur-Speicherings mit flüssigem Helium auf 6 K abgekühlt werden. In einer solchen Umgebung kühlen intern angeregte infrarot-aktive Moleküle durch Photonenabstrahlung in ihre tiefsten Rotations- und Vibrationsniveaus. Das Strahlungskühlen eines Rotations-angeregten Hydroxylanionen-Strahls bei 60 keV wird nahe der photoinduzierten Elektronablösungsschwelle untersucht. Hiermit werden Strahlungslebensdauern der niedrigsten Rotationszustände (193(6) s für J = 1) durch exponentielle Zerfälle gemessen und Übergangsdipolmomente bestimmt. Theoretische Berechnungen für das Übergangsdipolmoment im Vibrationsgrundzustand weichen ungefähr (7+-1)% vom experimentellen Wert d= 0,971(10) D ab. Die Korrelation zwischen den Rotationsenergieniveaus und deren entsprechende Strahlungslebensdauern wird verwendet, um die Besetzung der einzelnen Niveaus und deren Wirkungsquerschnitt bei Elektronenablösung zu bestimmen. Im stationären Zustand wird ein intern kalter Hydroxylanionen-Strahl mit mehr als 90% der Besetzung im Rotationsgrundzustand erreicht. Dies entspricht einer effektiven internen Temperatur von 15 K.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wolf, Prof. Dr. Andreas
Date of thesis defense: 19 April 2018
Date Deposited: 27 Apr 2018 14:19
Date: 2018
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: photodetachment, molecular beams, cooling
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