Universität zu Köln

Fanghaenel, Sven (2018). Low Temperature Collisions and Reactions in a 22-Pole Ion Trap. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This work consists of two major parts, a theoretical and an experimental one. The latter part investigates ion molecule reactions performed in a temperature variable 22-pole ion trap. The former one analyses different aspects of radio frequency ion traps and the dynamics of charged particles located inside. Therefore, fundamental concepts for the description of charged particles in oscil- lating electrical fields are discussed on as a first step (Chapter 3). The calculation of these fields via different numerical methods is elaborated on subsequently (Chap- ter 4). The boundary element method (BEM) has proven highly adequate for the calculation of electrostatic potentials. Hence it is depicted in detail. Using analytically solvable electrostatic problems, the previously calculated fields will be tested with respect to their accuracy. To perform the necessary calculations both own numeric routines have been developed and available routines have been employed. This work shows how the numerically, calculated fields can be converted into an analytical description via appropriate multipole expansion. This permits an efficient simulation and investigation of the dynamics of charged particles in ion traps. Simulations of different existing multipole ion trap geometries help to analyze the behavior of ions in oscillating fields with respect to, inter alia, the increase of their translational energy, their energy distribution and shifts of the secular frequency caused by higher anharmonicities (Chapter 5). Furthermore, space charge effects and perturbations of the fields due to mechanical misalignments of electrodes are included here. Consequently, this work is meant to contribute to the optimization of existing ion traps and to the development of new and better ones. The experimental part focuses on the reaction of nitrogen ions with hydrogen molecules taking into account the fine structure state of N + and the nuclear-spin state of H 2 . This reaction can be considered as the first process or step in the formation of interstellar ammonia. Up to date this very fundamental reaction – although having been studied in several laboratories for decades – is not fully understood. For example, it remains unclear whether or not the reaction really endothermic or it is just inhibited by a barrier. Also, it is not known to what extent the fine structure state energy N + favours/promotes this reaction. All these questions are of great relevance for low temperature astrochemistry. Applying a non-adiabatic reaction model and a global fit, fine structure state specific rate coefficients for the reaction mentioned above could be derived (Chapter 7). Initially, a large number of test measurements were conducted in order to clarify the impact of different measurement parameters like e.g. temperature or number density on measured rate coefficients (Chapter 6).On the basis of these test measurements probable conclusions of initial difficulties with reproducing test results could be drawn. Thereupon, experimental processes were optimized to minimize errors in determination the rate coefficients. As a result,+ rate coefficients for the reaction of N + 2 und CO with hydrogen in a temperature range between 10 to 120 K were determined as well as ternary rate coefficients for the formation of nitrogen-helium-clusters (NHe n ) + (n = 1, 2) in a temperature range between 10 – 13 K (Chapter 9). Also, measurements were performed with respect to fine structure state changing collisions of the nitrogen ion due to helium. Moreover, this work contains the characterization of a piezoelectric valve which was performed using the reaction of Ar + ions with H 2 (Chapter 10). The purpose of the characterization is to develop a new experimental method for the study of ion molecule reactions. This aims at separating translational thermalization of ions as well as their relaxation of the internal excited states from the reaction process. A quantitative model could be developed in order to describe the reaction gas flow as a function of time, temperature and reaction gas pressure.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die vorliegende Arbeit ist unterteilt in einen experimentellen und einen theoretischen Teil. Der experimentelle Teil befasst sich mit der Untersuchung von Ionen-Molekül Reaktionen in einem temperaturregelbaren 22 Pol Ionenspeicher. Im theoretischen Teil werden verschiedene Aspekte von Radio Frequenz Ionenspeichern und die Dynamik von geladenen Teilchen in diesen analysiert. Hierfür werden zunächst in Kapitel 3 grundlegende Konzepte für die Beschreibung von geladenen Teilchen in oszillierenden elektrischen Feldern erläutert. Anschließend wird auf die Berechnung dieser Felder mittels verschiedener numerischer Verfahren eingegangen (Kapitel 4). Als besonders effiziente Methode zur Berechnung elektrostatischer Potenziale erwies sich die Randelemente Methode, die daher detailliert erläutert wird. Mittels analytisch lösbarer elektrostatischer Fragestellungen werden die zuvor numerisch berechneten Felder auf ihre Genauigkeit hin untersucht. Für die dafür notwendigen Berechnungen wurden sowohl eigene numerische Routinen entwickelt als auch bestehende Routinen verwendet. Es wird aufgezeigt, wie mit Hilfe einer geeigneten Multipolentwicklung die numerisch berechneten Felder in eine analytische Beschreibung überführt werden können. Dies ermöglicht eine effiziente Simulierung und Untersuchung der Dynamik von geladenen Teilchen in Ionenspeichern. Mittels Simulationen verschiedener existierender Multipol Ionenspeicher (Kapitel 5)wird so das Verhalten von Ionen in elektrischen Wechselfeldern u.a. in Hinblick auf die Erhöhung der Translationsenergie, die Energieverteilung und Verschiebungen der sekulären Oszillationsfrequenz durch höhere Anharmonizitäten analysiert. Darüber hinaus werden Raumladungseffekte and Störungen der Felder durch mechanische Fehljustierungen von Elektroden in die Analyse mit einbezogen. Damit leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Optimierung bestehender sowie zur Entwicklung von neuen und besseren Ionenspeichern. Im Fokus des experimentellen Teils steht die Reaktion von Stickstoffionen N + mit Wasserstoffmolekülen H 2 unter Berücksichtigung der Feinstrukturzustände der Stickstoffionen und der Kernspinzuständen des Wasserstoffmoleküls. Diese Reaktion stellt den ersten Prozess bzw. die Vorstufe zur Bildung von interstellarem Ammoniak dar. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist diese fundamentale Reaktion bis zum heutigen Tage nicht im Detail verstanden. So ist zum Beispiel offen, ob diese Reaktion endotherm ist oder nur durch eine Barriere gehemmt wird. Weiter ist ungeklärt inwieweit die Energie der Feinstrukturzustände der Stickstoffionen diese Reaktion begünstigt. All diese Fragen sind von großer Relevanz für die Astrochemie bei tiefen Temperaturen. Zur Klärung dieser Fragen möchte diese Arbeit beitragen. Unter Anwendung eines nicht adiabatischen Reaktionsmodells und einer globalen Anpassung an die gemessenen Daten werden feinstrukturspezifische Ratenkoeffizienten für die oben genannte Reaktion bestimmt (Kapitel 7). Zunächst wurden hiefür eine Vielzahl verschiedener Testmessungen durchgeführt, um den Einfluss unterschiedlicher Messparameter wie z.B. der Temperatur oder der Teilchenzahldichte auf die gemessenen Ratenkoeffizienten hin zu untersuchen (Kapitel 6). Anhand dieser Testmessungen konnten mögliche Ursachen in Bezug auf die anfänglich teils schlechte Reproduzierbarkeit von Messergebnissen identifiziert werden. Daraufhin wurden verschiedene Messabläufe optimiert, um den Fehler in den zu messenden Ratenkoeffizienten zu minimieren. Als Folge dieser Testmessungen wurden ebenfalls Ratenkoeffizienten für die Reaktion von N + mit Wasserstoff in einem Temperaturbereich von 10 bis 120 K sowie ternäre Ratenkoeffizienten zur Bildung von Stickstoff-Helium Clustern (NHe n ) + (n = 1, 2) bei Temperaturen zwischen 10 und 13 K bestimmt (Kapitel 9). Weiterhin wurden Messungen in Hinblick auf eine mögliche Umbesetzung der Feinstrukturzustände der Stickstoffionen durch Stöße mit Helium durchführt. Darbüerhinaus beinhaltet diese Arbeit die Charakterisierung eines piezo-elektrischen Ventils (Kapitel 10). Diese wurde mittels der Reaktion von Argonionen mit Wasserstoffmolekülen durchgeführt. Die Absicht dieser Charakterisierung ist es, die für Ionen-Molekül Reaktionen verwendete Messmethode weiter zu entwickeln. So soll ermöglicht werden, die translatorische Thermalisierung der Ionen sowie deren Re- laxation intern angeregter Zustände, von der Reaktion zu trennen. Schlussendlich konnte ein Modell entwickelt werden, welches den Reaktiongasfluss von Wasserstoff als Funktion der Zeit, der Temperatur und des Reaktiongasdrucks beschreibt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Fanghaenel, Sven fanghaenel@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-81368
Date:	2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Iontrap English Reactiondynamic UNSPECIFIED
Date of oral exam:	11 January 2018
Referee:	Name Academic Title Schlemmer, Stephan Prof. Dr. Niedner-Schatteburg, Gereon Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8136