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Max Kircher

• The present work investigates the kinematics of Compton scattering at gaseous, internally-cool helium and molecular nitrogen targets in the high- and the low-energy regime. Additionally, photoionization at molecular nitrogen with high-energy photons is investigated. These exeprimental regimes were previously inaccessible due to the extremely small cross sections involved. Nowadays, the third- and fourth-generation synchrotron machines produce sufficient photon flux, enabling the investiagtion of the above processes. The utilized cold-target recoil-ion momentum spectroscopy (COLTRIMS) technique further increases the detection efficiency of the observed processes, since it enables full-solid-angle detection by exploiting momentum conservation. Compton scattering is investigated at both high (helium and N2) and low (helium) photon energies. In the high-energy regime, the impulse approximation is mostly valid, which is not the case for the low-energy regime. The impulse approximation assumes that the Compton-scattering process takes place at a free electron with a momentum distribution as if it was bound, thus ignoring the binding energy of the system. In the low-energy regime, the impulse approximation is not valid. Photoionization is investigated at high photon energies, where the linear momentum of the photon cannot be neglected, as is the fashion of the commonly used dipole approximation.
• Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Compton-Effekt an gasförmigem Helium und molekularem Stickstoff bei niedrigen (ℏ𝜔 = 2.1 keV) sowie hohen (ℏ𝜔 = 40 keV) Photonenenergien untersucht. Der Compton-Effekt bezeichnet die inelastische Streuung eines Photons an einem freien oder gebundenen Elektron. Im Falle eines gebundenen Elektrons ist der Energieübertrag in der Streuung ausreichend, um das System, in dem es gebunden ist, zu ionisieren. Zusätzlich wurde Photoionisation von molekularem Stickstoff bei hohen Photonenenergien untersucht. Die vorgestellten Experimente geben Einsicht in die kinematischen Eigenschaften der Compton-Streuung. Insbesondere im Falle der Niedrigenergieexperimente an Helium wurde die vollständige Kinematik beobachtet, was in dieser Form erstmalig realisiert werden konnte. Im Gegensatz zu typischen Experimenten zur Untersuchung des Compton-Effekts, bei denen das gestreute Photon (manchmal in Koinzidenz mit dem emittierten Elektron) detektiert wird, wurde für diese Arbeit die Experimentiertechnik Coltrims (cold-target recoil-ion momentum spectroscopy) verwendet. Hierbei werden anstatt des gestreuten Photons die Impulse des Compton-Elektrons und des Compton-Ions koinzident detektiert. Der Nachteil dieser Experimentiertechnik ist, dass aufgrund der Notwendigkeit eines kalten, lokalisierten Targetgases die Targetdichte relativ gering ist, was in Kombination mit den kleinen Streuquerschnitten des Compton-Effekts dessen Untersuchung experimentell sehr anspruchsvoll gestaltet. Generell sind Compton-Experimente mit gasförmigen Targets wegen des kleinen Streuquerschnitts rar. Erst die Weiterentwicklung von Synchrotronanlagen in den letzten Jahrzehnten, und die daraus resultierenden erreichbaren Photonendichten ermöglichen eine differenzielle Untersuchung der Kinematik des Compton-Effekts mittels der Coltrims-Technik. Moderne Synchrotronanlagen der dritten und vierten Generation ermöglichen hinreichend große Photonenflüsse von bis zu 1015 Photonen/s. Da bei der eingesetzten Coltrims-Messmethode nicht die gestreuten Photonen, sondern die Impulse der Compton-Ionen und Elektronen gemessen werden, eröffnet sich die Möglichkeit, die Compton-Reaktion unter Abdeckung des vollen Raumwinkels zu vermessen. Die geladenen Reaktionsteilchen werden mittels elektrischer und magnetischer Felder (erzeugt durch ein Spektrometer) auf zwei Detektoren geführt. Aus der Geometrie des Spektrometers sowie den Auftrefforten und Flugzeiten der Teilchen lassen sich dann ihre dreidimensionalen Impulsvektoren zum Reaktionszeitpunkt bestimmen. Die Impulse des gestreuten Photons werden unter Ausnutzung der Impulserhaltung bestimmt, wodurch eine direkte Detektion des Photons überflüssig wird. Der Compton-Effekt wurde bei Photonenenergien von ℏ𝜔 = 2.1 (Helium) und 40 keV (Helium und N2) untersucht. Für hohe Photonenenergien ist die „Impulse Approximation“ (aus dem englischen: impulse, Impuls; approximation, Näherung) größtenteils anwendbar. Dies ist für Niedrigenergiephotonen nicht der Fall. Die Impulse Approximation besagt, dass die Bindung des streuenden Elektrons vernachlässigt werden kann, insofern man diese nur berücksichtigt, indem man das streuende Elektron nicht in Ruhe sondern mit einer Impulsverteilung des gebundenen Zustands annimmt. Die Photoionisation von N2 wurde bei Photonenenergien von 12 bis 40 keV untersucht. Bei solch hohen Photonenenergien ist die häufig angewandte Dipolnäherung nicht mehr gültig. Innerhalb der Dipolnäherung wird der lineare Photonenimpuls 𝒌𝛾 = 𝒑𝛾/ℏ vernachlässigt. Teil I dieser Arbeit führt die relevanten, theoretischen und experimentellen Grundlagen, welche notwendig sind, um die vorgestellten Ergebnisse zu verstehen, ein. In Kapitel 2 wird inelastische Photonenstreuung und Photoabsorption vorgestellt. Dies inkludiert die oben erwähnte Impulse Approximation und die Dipolnäherung. In Kapitel 3 werden atomare und molekulare Systeme eingeführt, insbesondere ihre Beschreibung im Rahmen der Quantenmechanik. Kapitel 4 stellt die verwendete Coltrims-Technik sowie Synchrotronstrahlung vor. In Kapitel 5 wird die offline-Datenanalyse erläutert. In Teil II werden die Ergebnisse dieser Arbeit vorgestellt. Dabei behandeln die Kapitel 6 bis 8 die Messungen bezüglich des Compton-Effekts und Kapitel 9 die Untersuchungen bezüglich der Photoionisation.