High Resolution Terahertz Spectroscopy on Small Molecules of Astrophysical Importance

Click here to load reader

  • date post

    17-Sep-2015
  • Category

    Documents

  • view

    21
  • download

    12

Embed Size (px)

description

THz Spectroscopy

Transcript of High Resolution Terahertz Spectroscopy on Small Molecules of Astrophysical Importance

  • High Resolution Terahertz Spectroscopyon Small Molecules

    of Astrophysical Importance

    Inaugural-Dissertationzur

    Erlangung des Doktorgradesder Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultt

    der Universitt zu Kln

    vorgelegt von

    Sandra Brnkenaus Sevelen

    Kln 2005

  • Cover Illustration:

    False color image of ionisation fronts in a DC glow discharge.

    Berichterstatter: Privatdozent Dr. T. GiesenProf. Dr. J. JolieProf. Dr. P. Jensen

    Tag der mndlichen Prfung: 25. Mai 2005

  • We are all made of starsRichard Melville Hall / Moby

  • Abstract

    In this work the results of rotational spectroscopic investigations of selected molecularspecies with both astrophysical and purely spectroscopical importance are presented.

    The rotational spectra of the deuterium cyanide isotopomers DCN, D13CN, DC15N,and D13C15N were recorded in the vibrational ground and first excited bending state(v2 = 1) up to 2 THz. R-branch transitions up to 1 THz were measured with sub-Doppler resolution. These very high resolution saturation dip measurements allowedfor resolving the underlying hyperfine structure due to the nuclear spin of 14N in DCNand D13CN. Accuracies of about 3 kHz were achieved for sub-Doppler measurements ofisolated lines. Additionally, high J R-branch transitions around 2 THz and direct l-typetransitions (J = 0) between 66 and 118 GHz were recorded in Doppler-limited reso-lution. These new experimental data, together with available infrared rovibrational data,were subjected to a global least squares analysis for each isotopomer. This yielded precisesets of molecular constants for the ground and first excited vibrational states, includingthe nuclear quadrupole and magnetic spin-rotation coupling constants of the 14N nucleusfor DCN and D13CN.Two astrophysically important rotational transitions between energetically low lying le-vels of methylene (CH2) have been measured with high accuracy near 2 THz for the firsttime. For the in-situ synthesis of this unstable radical and the recording of its gas-phaserotational spectrum a new absorption cell has been designed and the technique of Zeemanmodulation has been introduced to the Cologne laser sideband system. A non-standardEuler expansion of the effective Hamiltonian was employed for the analysis of a globaldataset, yielding precise spectroscopic parameters with improved predictive capability forastrophysical important transitions.More than 170 rotational transitions of the two water isotopomers HDO and D2O weremeasured up to high energies in the frequency range between 7001000 GHz and around2 THz in the vibrational ground and first excited states. The global analysis of this datatogether with other available rotational and rovibrational transition frequencies by meansof the Euler approach resulted in an improved spectroscopic parameter set on these mol-ecules. The analysis provides highly accurate transition frequency predictions which arevaluable both for atmospheric and astrophysical science.

  • Kurzzusammenfassung

    In dieser Arbeit werden die Ergebnisse von Untersuchungen der Rotationsspektren aus-gewhlter molekularer Spezies vorgestellt, welche von sowohl astrophysikalischem alsauch rein spektroskopischem Interesse sind.

    Die Rotationsspektren im Vibrationsgrundzustand und innerhalb der ersten angeregtenKnickschwingung (v2 = 1) der deuterierten Blausure-Isotopomere DCN, D13CN, DC15Nund D13C15N wurden im Frequenzbereich bis 2 THz gemessen. R-Zweig - bergnge un-terhalb von 1 THz wurden mit sub-Doppler-Auflsung aufgenommen. Mit dieser hoch-auflsenden Sttigungsspektroskopie konnte die durch den Kernspin des 14N hervorge-rufene Hyperfeinstruktur im Fall von DCN und D13CN spektral aufgelst werden. Frisolierte Spektrallinien kann mit dieser Methode die bergangsfrequenz auf bis zu 3 kHzbestimmt werden. Zustzlich wurden mit Doppler-begrenzter Auflsung R-Zweig Linienmit hoher Rotations-Quantenzahl J im Bereich um 2 THz aufgenommen, sowie einigedirekte `-Typ bergnge mit J = 0 im Frequenzbereich 66 118 GHz. Die neuge-wonnenen Daten wurden zusammen mit zur Verfgung stehenden Infrarot-Daten der Vi-brationsbande einer globalen Analyse unterzogen, die hochprzise Moleklkonstanten frden Vibrationsgrundzustand und den ersten angeregten Knickzustand lieferte. Unter an-derem konnten die Kernquadrupol-Wechselwirkungs- und die Kopplungskonstante dermagnetischen Kernspin-Rotation-Wechselwirkung des 14N Kerns bestimmt werden.Zum ersten Mal konnten zwei astrophysikalisch relevante Rotationsbergnge zwischenenergetisch niedrig liegenden Niveaus von Methylen (CH2) mit hoher Genauigkeit imFrequenzbereich um 2 THz gemessen werden. Zur in situ-Erzeugung dieses hchst insta-bilen Radikals wurde eine neue Absorptionszelle entwickelt. Auerdem wurde die Me-thode der Zeeman-Modulation zum ersten Mal am Klner Seitenband-Spektrometer ange-wandt. Zur Analyse der zur Verfgung stehenden Rotationsdaten wurde statt des standard-mig angewandten Modells eine Euler-Entwicklung des Hamilton-Operators verwendet.Es konnten przise spektroskopische Parameter ermittelt werden, die eine verbesserteVorhersage von astrophysikalisch relevanten Labor-bergangsfrequenzen erlauben.Im Frequenzbereich zwischen 700 1000 GHz und um 2 THz wurden mehr als 170 ener-getisch hochliegende Rotationsbergnge im Grund- und angeregten Knickschwingungs-Zustand der Wasser-Isotopomere HDO und D2O gemessen. Deutlich verbesserte spek-troskopische Parameter konnten fr beide Molekle durch den Euler-Ansatz, angewandtauf einen umfangreichen, globalen Datensatz reiner Rotations-, sowie Rotations-Schwin-gungsbergnge, gewonnen werden. Die auf diesem Parametersatz basierenden Frequenz-vorhersagen liefern wertvolle Informationen sowohl fr die Atmosphren- als auch dieAstrophysik.

  • Zusammenfassung

    In naher Zukunft beginnt die Erschlieung des Terahertz-Frequenzbereichs fr die Astro-physik durch zum Beispiel das Stratosphren-Observatorium SOFIA1 oder die Satelliten-Mission Herschel. Dadurch stellt sich fr die Spektroskopie die Aufgabe, in diesem Fre-quenzbereich zuverlssige Rotations-bergangsfrequenzen astrophysikalisch relevanterMolekle zur Verfgung zu stellen. Dies geschieht einerseits durch direkte Labormessun-gen im Terahertz-Bereich und andererseits durch Extra- und Interpolation basierend aufgeeigneten theoretischen Modellen.Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen an einer Vielzahl von astrophysika-lisch interessanten Moleklen durchgefhrt, von denen drei in dieser Dissertation nherbeschrieben werden.Die Messungen wurden hauptschlich am Klner Terahertz Spektrometer, basierend aufphasenstabilisierten Rckwrtswellengeneratoren2, und am Klner Laser-Seitenband-Spek-trometer3 durchgefhrt, die Frequenzbereiche zwischen 130 1000, beziehungsweise1750 2010 GHz abdecken. Es zeigte sich, da zur Analyse der Rotationsspektren imFall von leichten, quasilinearen Moleklen wie z.B. Wasser-Isotopomeren oder des Me-thylen, das standardmig verwendete Modell eines effektiven Hamilton-Operators alsPotenzreihe der Drehimpulsoperatoren nicht angewandt werden kann. Stattdessen wurdeein neuartiger, von H. Pickett [1] vorgeschlagener Ansatz einer Euler-Entwicklung desHamilton-Operators verwendet.

    Die Ergebnisse der einzelnen Teilprojekte knnen folgendermaen zusammengefatwerden.

    Die Rotationsspektren von vier Isotopomeren deuterierter Blausure, DCN,D13CN, DC15N und D13C15N, wurden im Frequenzbereich zwischen 66-2000 GHz sowohlim Schwingungs-Grundzustand als auch im ersten angeregten Zustand der Knickschwin-gung (v2 = 1) gemessen. Fr R-Zweig bergnge von J = 3 2 bis J = 13 12, entsprechend dem Frequenzbereich unterhalb 1 THz, wurde hchstauflsende Stti-gungsspektroskopie durchgefhrt. Die resultierenden Linienbreiten liegen mit ca. 70 kHzdeutlich unterhalb der thermischen Dopplerbreite, so da mit dieser Technik die vomKernspin des 14N-Kerns verursachte Hyperfein-Struktur in DCN und D13CN fr bergn-ge bis J = 10 9 aufgelst werden konnte. Die Frequenzgenauigkeit dieser Methodeliegt bei etwa 3 kHz fr isolierte Linien. Zustzlich wurden R-Zweig Linien mit hohenRotations-Quantenzahlen (J = 25 24 bis J = 28 27) im Bereich um 2 THz,sowie direkte `-Typ bergnge mit J = 0 (v2 = 1, J = 19 bis 25) im niederfrequentenBereich zwischen 66 und 118 GHz in Doppler-limitierter Auflsung gemessen, um die

    1Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy2BWOs - Backward Wave Oscillators3COSSTA - Cologne Sideband Spectrometer for Terahertz Applications

  • iv

    Bestimmung der Moleklparameter hherer Ordnung zu verbessern. Die neu gewon-nenen Daten wurden zusammen mit zur Verfgung stehenden Rotations-Schwingungs-Daten der Knickschwingungs-Bande analysiert und es konnte in allen Fllen ein deutlichverbesserter Molekl-Parametersatz gewonnen werden. Unter anderem konnten die Pa-rameter der Kernspin-Wechselwirkung mit hoher Przision bestimmt werden. Basierendauf dem vorliegenden Datensatz knnen bergangsfrequenzen im gesamten Frequenzbe-reich bis zu 2.5 THz hchstprzise inter- und extrapoliert werden. Diese Daten stehen zurAnalyse von astrophysikalischen Beobachtungen im Ferninfrarot-Bereich zur Verfgung.

    Die energetisch niedrigsten Rotationsbergnge des Methylen-Radikals CH2 liegenvornehmlich im Terahertz-Bereich. Diese bergnge sind von besonderer Bedeutung frdie Beobachtung von CH2 im kalten interstellaren Medium. Im Rahmen dieser Arbeitkonnten erstmals zwei energetisch tiefliegende bergnge von Methylen im elektroni-schen und Vibrations-Grundzustand mit hoher Przision im Bereich um 2 THz gemessenwerden. Ein bergang, das NKaKc = 211 202 Multiplett, gehrt zu ortho-CH2 undliegt bei 1.954 THz, whrend der andere, das NKaKc = 110 101 Multiplett, zu para-CH2 gehrt und bei 1.915 THz liegt. Methylen zeigt im elektronischen Grundzustand 3B1sowohl Fein-, als auch, im Falle von ortho-CH2, Hyperfein-Wechselwirkungen, was zuden beobachteten Aufspal