PVDF Detectors in Supersonic Molecular Jet Experiments
Creators: name: Saftien, Paul
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: Überschallmolekularstrahlen
subject: Pyroelektrizität
subject: Piezoelektrizität
subject: Detektor
subject: detector
subject: piezoelectric
subject: supersonic jet
subject: pyroelectric
subject: 541 Physikalische Chemie

description: Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Teilchendetektoren zur Verwendung in einem gepulsten Überschallmolekularstrahlexperiment entworfen und hergestellt. In den hier durchgeführten Experimenten kollidiert ein Molekularstrahl mit einer sensitiven Detektoroberfläche, nämlich einer Polyvinylidenfluorid(PVDF)-Folie. Da PVDF sowohl pyroelektrisch wie auch piezoelektrisch ist, entstehen durch die Kollision der Molekularstrahlteilchen auf der Folie Oberflächenladungen. Vorteile von PVDF-Detektoren sind die hohe Effizient der Detektion, die Detektion von neutralen Atomen und Molekülen (eine Ionisierung der zu detektierenden Teilchen ist nicht notwendig), ein einfaches und leicht anzupassendes Detektordesign und außerdem eine schnelle Antwortzeit (im Mikrosekundenbereich). Da nur Ladungen im Bereich von wenigen Pikocoulomb generiert werden, sind verschiedene Verstärker getestet worden. Zur Analyse und Beschreibung des detektierten Signals wird der piezoelektrische Anteil durch ein Materialmodell in Verbindung mit einem schwingenden System, nämlich der erzwungenen Schwingung einer gedämpften Kreismembran, beschrieben. Der pyroelektrische Anteil wird durch einen Energieaustausch beschrieben. Durch die Ausnutzung des pyroelektrischen sowie des piezoelektrischen Effektes können zusätzliche wichtige Informationen wie zum Beispiel der Restitutionskoeffizient oder der Energieakkommodationkoeffizient experimentell erhalten werden. Zur Demonstration der Anwendungsmöglichkeiten sind Detektoren in verschiedenen Größen zur Messung von unterschiedlichen Strahleigenschaften verwendet worden. Untersucht wurde dabei die Strahlgeschwindigkeit von verschiedenen Edelgasen über einen großen Stagnationsdruck- und Stagnationstemperaturbereich. Außerdem wurden Strahlprofile zur Bestimmung der Strahldichte gemessen und mathematisch beschrieben. Zusätzlich wird eine Methode zur Bestimmung der Strahltemperatur mit Hilfe der Strahldichte und der Strahlgeschwindigkeit vorgestellt.
description: In this study, different particle detectors with a foil of polyvinylidene difluoride have been designed and built for use in a pulsed supersonic molecular jet experiment. Here, the molecular jet collides with the sensitive detector area and generates a charge. This generated charge is caused by the piezo- and the pyroelectric effect. Advantages of polyvinylidene difluoride detectors are a high detection efficiency, the detection of neutral atoms or molecules --- no ionization is required, a simple setup which can be easily incorporated in an existing experiment, an easy adjustment of the detector design because the shape and size can be changed easily, and a fast response-time in the sub-microsecond regime. Because the amount of charges generated is in the order of some picocoulomb, different amplifiers are used. In this analysis of the detected signal, the piezoelectric contribution is defined by the constitutive equations of piezoelectricity, which are used in combination with the concept of a driven damped circular membrane in order to obtain an analytic solution. The pyroelectric contribution is described via the exchanged energy. Because both the piezo- and the pyroelectric effects can be exploited, valuable additional information such as the coefficient of energy accommodation or the coefficient of restitution can be determined experimentally. In order to demonstrate the application possibilities of polyvinylidene difluoride detectors, detectors of different sizes are used as a local jet probe to determine different jet properties. The mean velocities of different rare gases for a wide range of source conditions are determined. Density profiles of various supersonic jets are measured and described mathematically in detail. In addition, both quantities, the velocity and the density, are used to determine the temperature of the supersonic jet.