F-Praktikum RUB

Versuchsprotokolle aus dem Fortgeschrittenenpraktikum des Physikstudiums an der Ruhr-Universität Bochum

802 – Simulation einer Pierce-Diode

Apr 022012

Im Gegensatz zu interstellaren Plasmen, die aufgrund ihrer Dimension über weite Bereiche als unbegrenzte Plasmen angesehen werden können, müssen bei technischen Plasmen die endlichen Abmessungen berücksichtigt werden. Die Begrenzungen des Plasmas führen dabei zu Veränderungen der Plasmadynamik. Ein einfaches thermionisches Entladungsmodell für begrenzte Plasmasysteme (Bounded Plasma Systems, BPS’s) wurde bereits 1944 von Pierce vorgeschlagen und erweiterte das Plasmaoszillationsmodell von Tonks und Langmuir (1929) um physikalisch motivierte Randbedingungen. Modellierung und Simulation von BPS stellen dabei einen wichtigen Beitrag für die quantitative Beschreibung von solchen Plasmasystemen dar, deren Ergebnisse für viele Plasmabereich relevant sind. Eine Übersicht über verschiedene mikroskopische BPS-Simulationen ist in Kuhn (1994) zu finden.

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701 – Zeitaufgelöste FTIR an Bakteriorhodopsin

F-Praktikum RUB

Apr 022012

An Bakteriorhodopsin (im Folgenden mit bR abgekürzt), einem Cytoplasmamembranprotein des Halobakteriums Halobacterium salinarium, wird seit Jahren intensiv geforscht und konnte als erstes Membranprotein strukturaufgeklärt werden. Als verhältnismäßig einfaches Membranprotein besitzt es in der biochemischen und biophysikalischen Forschung Modellcharakter, ähnlich dem Wasserstoffatom in der Atomphysik und Quantenmechanik. In diesem Versuch soll mittels FTIR-Spektroskopie, einem etablierten und breit angewendeten Analyseverfahren, das bR näher untersucht werden. Da das bR Protonen vom Cytoplasma zum Extramedium transportiert, eine sogenannte Protonenpumpe, stellt dieses Protein die Energiequelle für die ATP-Synthase dar. Mit Hilfe der FTIR soll im Rahmen dieses Versuches die Protonenpumpe untersucht und der Weg des Protons nachvollzogen werden.

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608 – Spektroskopie der Supernova 1987a

F-Praktikum RUB

Apr 022012

Der Versuch Spektroskopie der Supernova SN 1987A befasst sich, im Rahmen des F-Praktikums, mit den Arbeitsmethoden zur Untersuchung von spektrophotometrischen Daten. Dabei werden die mit einem Spektrum-Scanner gemessenen Daten der Supernova SN 1987A, die für die ersten 100 Tage nach dem Ausbruch vorliegen, ausgewertet. Im Rahmen des Versuches wird zunächst das Spektrum der Supernova diskutiert, dann die Expansionsgeschwindigkeit der Supernovahülle bestimmt und zum Schluss ihre wahre Entfernung abgeschätzt. Dabei bedienen wir uns der Bildverarbeitungssoftware MIDAS.

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602 – Sonnengranulation

F-Praktikum RUB

Apr 022012

Bis vor etwa 400 Jahren galt die Sonne als unveränderlich und makellos, als Christoph Scheiner und Johannes Fabricius 1611 zum ersten mal Sonnenflecken beobachteten. Im Folgenden wurden weitere dynamische, veränderliche Strukturelemente wie Granulationen der Sonnenoberfläche, Flares oder Protuberanzen entdeckt und bis heute stellt die Heliophysik ein intensiv bearbeitetes Forschungsgebiet dar. In Rahmen des F-Praktikums sollen in diesem Versuch die Sonnengranulen untersucht und mittels holographischer Methoden deren Lebensdauer bestimmt werden.

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508 – Rastertunnelmikroskopie

F-Praktikum RUB, Festkörperphysik

Apr 022012

Ziel des Versuchs 508 – STM (Scanning Tunneling Microscope) ist es, die Funktions- und Arbeitsweise eines Rastertunnelmikroskops zu verfizieren. Im Rahmen des Versuchs soll die Kalibrierung des STM anhand eines Platingitters mit einem organischen Substrat kontrolliert und die Struktur von Graphit untersucht werden. Dazu wird zunächst anhand einer Stufenkante auf der Graphitprobe der Netzebenenabstand bestimmt. Schließlich soll die Graphitoberfläche auf atomarer Skala sichtbar gemacht und die Gitterkonstante direkt gemessen werden.

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507 – Rasterelektronenmikroskopie

F-Praktikum RUB, Festkörperphysik

Apr 022012

Im heutigen analytischen Umfeld stellt die Rasterelektronenmikroskopie eine Standardmethode für die Oberflächenstrukturanalyse von massiven Proben sowie für die quantitative, lokale Analytik der Elementzusammensetzung dar. Diese Standardmethode soll im Rahmen des Praktikumversuchs kennen gelernt werden – sowohl die Oberflächenstrukturanalyse als auch die Elementanalyse – und durch die Untersuchung von verschiedenen Proben unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Elektronenstrahl und Probe sowie Bildeffekte – insbesondere die verschiedenen Kontrastmechanismen – diskutiert werden.

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505 – Widerstand bei tiefen Temperaturen

F-Praktikum RUB, Festkörperphysik

Apr 022012

Der elektrische Widerstand bzw. Leitfähigkeit – also das Vermögen, Elektronen zu transportieren – ist von der Temperatur abhängig. Bei Normaltemperatur – d. h. im Bereich der Raumtemperatur – zeigen viele Metalle einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur. Für metallische Leiter steigt mit zunehmender Temperatur der Widerstand, wohingegen bei Halbleiter dieser sinkt. Konstantan und Manganin sind spezielle metallische Legierungen, deren elektrischer Widerstand nur sehr gering von der Temperatur abhängt. Bei tiefen Temperaturen zeigt sich jedoch, das unterschiedliche Eekte zur Streuung der Elektronen beitragen und somit den Ladungstransport behindern. Neben der Temperaturabhängigkeit hängen diese vom untersuchten Festkörper ab, wobei auch der Einfluss der einzelnen Mechanismen abhängig vom Material ist. Im Folgenden sollen vier Systeme und deren elektrischen Transporteigenschaften bei tiefen Temperaturen und Gleichspannung untersucht werden, die unterschiedliche typische Streumechanismen aufweisen.

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502 – Kristalluntersuchungen mit Hilfe von Debye-Scherrer-Aufnahmen

F-Praktikum RUB, Festkörperphysik

Apr 022012

Der Versuch Kristalluntersuchungen mit Hilfe von Debye-Scherrer-Aufnahmen befasst sich, im Rahmen des F-Praktikums, mit experimentellen Methoden zur Röntgen-Kristallstrukturanalyse. Im Experiment sollen zunächst je zwei Aufnahmen mit Hilfe des Debye-Scherrer und des Laue-Verfahrens angefertigt werden. Anschließend werden die Kristallparameter sowie die Millerschen Indizes durch Auswertung der Deby-Scherrer-Aufnahmen bestimmt.

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406 – Absorptionsspektroskopie an molekularen Gasen

F-Praktikum RUB, Plasmaphysik

Apr 022012

Innerhalb der Plasmaphysik sind die Bestimmung der Plasmaparameter wie Temperatur, Druck, Dichten, eingekoppelte Leistung und Zusammensetzungen u. a. wichtig für die Steuerung der Plasmaprozesse wie z. B. Beschichtung, Sputtering oder für das Verständnis der zugrundeliegenden Plasmachemie. Die Absorptionsspektroskopie stellt dabei, im Gegensatz zur Sondenmessung (z. B. Langmuir-Sonde), eine nicht-invasive Diagnostik dar – d. h. das Plasma wird durch die Diagnostik nicht oder nur geringfügig verändert. Bei der hier verwendeten Methode wird die Absorption in Abhängigkeit derWellenlänge entlang einer Linie durch den Probenraum – hier der Plasmareaktor –, in dem sich das zu diagnostizierende molekulare Gas (Methan) bzw. das Methanplasma befindet, bestimmt und erhält linienintegrierte Absorptionsprofile. Als Strahlungsquelle wird hierbei ein Diodenlaser im infraroten Spektralbereich (~ 1,648 µm) verwendet, da in diesem Bereich für Methan (CH4) vier stark absorbierende Linien vorliegen.

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405 – Massenspektrometrie in reaktiven Plasmen

F-Praktikum RUB, Plasmaphysik

Apr 022012

Die Massenspektrometrie ist in der Plasmaphysik/-technik ein wichtiges Hilfsmittel, die in einem Plasma wirksamen Komponenten zu bestimmen. So ist es häufig der Fall, dass z. B. bei der Oberflächenbehandlung eines Wafers durchaus bekannt sein kann, welches Plasma (Mischverhältnis der beteiligten Gase, Druck, eingekoppelte Leistung) optimale Ergebnisse liefert, ohne eigentlich zu wissen, welche Radikale für die Wechselwirkung Plasma/Oberfläche genau verantwortlich sind. Hier liefert die Massenspektrometrie interessante Einsichten. Ziel des heutigen Versuches ist es, zum einen die Hysterese eines reinen Ar-Plasmas zu beschreiben (CCP-, ICP-Mode), die Zusammensetzung einer unbekannten Gasmischung zu bestimmen sowie die Plasmazusammensetzung in Abhängigkeit der eingekoppelten Leistung zu ermitteln (Ar/O2- und CH4-Plasma).

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