Diese Arbeit untersucht den Einfluss der elektronischen Bandstruktur von Festkörperoberflächen auf den resonanten Ladungsaustausch zwischen Festkörpern und atomaren Projektilen. Dazu wurden diese atomaren Projektile an einkristallinen Cu(111)- und Cu(110)-Oberflächen gestreut. Die Streuung erfolgt unter streifendem Einfall, typischerweise bei Einfallswinkeln zwischen 0.5 bis zu 4 Grad zur Oberfläche bei Projektilgeschwindigkeiten von 0.05 bis zu 1.4 atomaren Einheiten. Unter diesen Bedingungen erfolgt kein Eindringen des Projektils in den Festkörper, sondern eine Reflektion des Projektils von der Oberfläche. Somit können die Ladungszustände der auslaufenden Projektile als Funktion von Projektilgeschwindigkeit und Einfallswinkel untersucht werden. Die Verteilung der Ladungszustände nach der Streuung hängt theoretischen Vorhersagen zufolge signifikant von der Bandstruktur der Festkörperoberfläche ab. Die Experimente wurden an zwei verschiedenen Cu-Oberflächen durchgeführt. Während die Cu(110)-Oberfläche gut durch das Modell des freien Elektronengases (jellium-Modell) beschrieben werden kann, ist die Cu(111)-Oberfläche durch eine Bandlücke im Bereich der Fermienergie sowie durch einen in der Bandlücke liegenden Oberflächenzustand gekennzeichnet. Um den Effekt der elektronischen Bandstruktur auf den resonanten Ladungsaustausch zwischen Festkörperoberflächen und atomaren Zuständen deutlich herauszustellen, wurden atomare Zustände, die sich energetisch in Resonanz zur Bandlücke befinden, untersucht. Insbesondere wurde der Ladungsaustausch von negativen Wasserstoff-, Fluor-, Chlor-, Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Schwefelionen sowie der Grund- und angeregten Zustände von Lithium, Natrium und Kalium mit Cu(110)- und Cu(111)-Oberfläche experimentell untersucht. Die Neutralisation hochgeladener Ionen an einer Cu(111)-Fläche wurde stellvertretend am Beispiel von bis zu 21-fach geladenen Xenonionen studiert. Gravierende Effekte der elektronischen Bandstruktur der Cu(111)-Oberfläche wurden durch die Theorie für die Formierung negativer Wasserstoffionen vorhergesagt. Nach den Ergebnissen der WPP-Methode wird das Maximum der Abhängigkeit der H- -Ausbeute von der Parallelgeschwindigkeit bei 6% erwartet, während bei einer jellium-Oberfläche gleicher Austrittsarbeit und Fermienergie nur etwa 0.3% negativer Ionen vorhergesagt werden. Mit einer experimentell ermittelten H- -Ausbeute von maximal 1% wird ein signifikanter Einfluß der elektronischen Bandstruktur auf den Ladungsaustausch bestätigt. Der Verlauf der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Ausbeute an negativen Ionen, insbesondere die Breite der Resonanzstruktur, deutet in Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage auf eine dominante Beteiligung des Oberflächenzustandes am resonanten Ladungsaustausch hin. Die Differenz zwischen experimentellen und theoretischen Ergebnissen wird durch die Existenz eines zusätzlichen Elektronen-Verlustkanals erklärt. Die Berücksichtigung der Streuung an Festkörperelektronen führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie. Die experimentelle Untersuchung der Neutralisation der Alkaliatome Lithium, Natrium und Kalium bestätigt einen signifikanten Einfluß der Bandlücke der Cu(111)-Oberfläche auf den resonanten Ladungsaustausch: Im Vergleich zur Vorhersage des jellium-Modells treten deutlich erhöhte Ausbeuten an neutralisierten Projektilen auf. Weiterhin finden sich in der Abhängigkeit der Neutralausbeuten von der Parallelgeschwindigkeit mehrere Maxima bzw. Schulterstrukturen, die auch von der WPP-Theorie qualitativ vorhergesagt werden. Die bei der Formierung negativer Halogenionen experimentell beobachtete Signatur der elektronischen Bandstruktur ist schwächer, als dies bei der Neutralisation von Alkaliatomen und der Formierung negativer Wasserstoffionen beobachtet werden konnte. Ein deutlicher Effekt der Bandlücke kann aber auch hier, wie auch bei der Streuung von Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Schwefelionen, konstatiert werden. Die Untersuchung des Ladungsaustausches an der Cu(110)-Oberfläche ergab in allen Fällen eine gute Übereinstimmung mit der Vorhersage des jellium-Modells. Die in dieser Arbeit vorgestellten experimentellen Ergebnisse zeigen, daß die elektronische Bandstruktur der Cu(111)-Oberfläche den resonanten Ladungsaustausch substantiell beeinflußt. Das wurde besonders am Beispiel der Formierung negativer Wasserstoffionen und der Neutralisation von Alkaliatomen überzeugend demonstriert. Die Überzeugungskraft der experimentellen Ergebnisse wird durch die gute Übereinstimmung der an der (110)-Fläche des gleichen Metalls erzielten experimentellen Resultate mit den Vorhersagen des jellium-Modells erhöht. / This thesis investigates the influence of the electronic band structure of single crystal surfaces on the resonant charge transfer between solid and atomic projectiles. Atoms and ions were scattered off Cu(111)- and Cu(110) surfaces under grazing incidence conditions with angles of incidence between 0.5 to 4 degrees. Projectile velocities were varied between 0.05 and 1.4 atomic units. In this regime no penetration of the projectile into the solid occurs. Instead, the projectile is reflected from the crystal surface. Therefore the charge state distribution of scattered projectiles can be investigated as a function of the incidence conditions. According to theoretical predictions this charge state distribution strongly depends on the electronic band structure of the surface. The experiments were performed on 2 different Cu surfaces. While the Cu(110) surface can be well described by the free electron gas model (also refered to as jellium model), the Cu(111) surface is characterized by a bandgap around the Fermi energy and a surface state within this bandgap. To investigate the effect of the electronic band structure on the resonant charge transfer between solids and atoms/ions, the projectiles were choosen in a way that the atomic valence state is in resonance to the bandgap. In particular the formation of negative hydrogen, fluorine, chlorine, oxygen, carbon and sulfur ions as well as the population of ground and excited states of lithium, sodium and potassium in front of Cu(110) and Cu(111) surfaces was investigated. The neutralization of highly charged (up to 21 times positively charged) xenon ions in front of a Cu(111) surface was studied as well. A significant impact of the band structure of the Cu(111) surface has been theoretically predicted for the formation of negatively charged hydrogen ions. From wave packet propagation calculations 6% negative hydrogen ions are expected in front of a Cu(111) surface, compared to 0.3% that are expected for a jellium surface of the same work function and Fermi level. The experimental result of 1% confirms a significant influence of the electronic band structure on the charge exchange. The shape of the velocity dependence of the negative ion yield, in particular the width of this dependence, implies a dominant contribution of the surface state to resonant charge exchange in compliance with the theoretical predicition. The discrepancy between experimental data and theoretical prediction is explained by taking an additional electron loss channel into account. The consideration of scattering from electrons in the solid conduction band significantly improves the agreement between experimental and theoretical data. The investigation of the neutralization of the alkali atoms lithium, sodium and potassium confirms a significant influence of the electronic band structure of the Cu(111) surface on the resonant charge transfer. Significantly higher yields of neutralized projectiles as compared to the prediction of the jellium model are found. Furthermore the parallel velocity dependences of the neutral atom yield shows maxima or shoulder structures which are qualitavely reproduced by wave packet propagation calculations. The formation of negative halogen ions shows less pronounced effects of the Cu(111) surface band structure. However, also for these projectils a significant influence of the band structure on the resonant charge transfer is experimentaly confirmed. This holds as well for the formation of negatively charged oxygen, carbon and sulfur ions. The investigation of the resonant charge transfer in front of a Cu(110)surface resulted for all ions investigated in a good agreement between experiment and theory. The experimental results presented in the framework of this thesis show, that the electronic band structure of the Cu(111) surface has a substantiell impact on the resonant charge transfer. This has been presented in a particularly convincing way by the investigation of negative hydrogen ion and neutral alkali atom formation in front of a Cu(111) surface. The cogency of the experimental results is improved by the good agreement between the experimental results achieved at the Cu(110) surface and the theoretical prediction for a jellium metal.

To date only very few bistatic measurements (airborne or in controlled laboratories) have been reported. Therefore most of the current remote sensing methods are still focused on monostatic (backscatter) measurements. These methods, based on theoretical, empirical or semi-empirical models, enable the estimation of soil roughness and the soil humidity (dielectric constant). For the bistatic case only theoretical methods have been developed and tested with monostatic data. Hence, there still remains a vital need to gain of experience and knowledge about bistatic methods and data. The main purpose of this thesis is to estimate the soil moisture and the soil roughness by using full polarimetric bistatic measurements. In the experimental part, bistatic X-band measurements, which have been recorded in the Bistatic Measurement Facility (BMF) at the DLR Oberpfaffenhofen, Microwaves and Radar Institute, will be presented. The bistatic measurement sets are composed of soils with different statistical roughness and different moistures controlled by a TDR (Time Domain Reflectivity) system. The BMF has been calibrated using the Isolated Antenna Calibration Technique (IACT). The validation of the calibration was achieved by measuring the reflectivity of fresh water. In the second part, bistatic surface scattering analyses of the calibrated data set were discussed. Then, the specular algorithm was used to estimate the soil moisture of two surface roughnesses (rough and smooth) has been reported. A new technique using the coherent term of the Integral Equation Method (IEM) to estimate the soil roughness was presented. Also, the sensitivity of phase and reflectivity with regard to moisture variation in the specular direction was evaluated. Finally, the first results and validations of bistatic radar polarimetry for the specular case of surface scattering have been introduced. / Aktuell sind nur sehr wenige Messungen mit bistatischem Radar durchgeführt worden, sei es von Flugzeuggetragenen Systemen oder durch spezielle Aufbauten im Labor. Deshalb basieren die meisten der bekannten Methoden zur Fernerkundung mit Radar auf monostatis-chen Messungen der Rückstreuung des Radarsignals. Diese Methoden, die auf theoretischen, empirischen oder halb-empirischen Modellen basieren, ermöglichen die Schätzung der Oberfächenrauhigkeit und die Bodenfeuchtigkeit (Dielektrizitätskonstante). Im bistatischen Fall wurden bisher nur theoretische Modelle entworfen, die mittels monostatischer Messungen getestet wurden. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, Erfahrung und Wissen über die physikalischen Effekte in bistatischen Konfigurationen zu sammeln. Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist es, anhand vollpolarimetrischer, bistatischer Radarmessungen die Oberfächenrauhigkeit und Bodenfeuchtigkeit zu bestimmen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden die Ergebnisse bistatischer Messungen präsentiert, die in der Bistatic Measurement Facility (BMF) des DLR Oberpfaffenhofen aufgenommen wurden. Die Datensätze umfassen Messungen von Böden unterschiedlicher statistischer Rauhigkeit und Feuchtigkeit, die mittels eines Time Domain Reflectivity (TDR) Systems bestimmt werden. Zur Kalibration des BMF wurde die Isolated Antenna Calibration Technique (IACT) verwendet und anhand der Messung der Reflektivität von Wasser überprüft. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird anhand der kalibrierten Daten eine Analyse der Oberflächenstreuung in bistatischen Konfigurationen vorgenommen. Im Anschluss daran wird mittels des Specular Algorithm eine Schätzung der Bodenfeuchte zweier Proben unter- schiedlicher Rauhigkeit (rau und fein) durchgeführt. Ein neues Verfahren zur Schätzung der Oberfächenrauhigkeit, das auf dem kohärenten Term der Integral Equation Method (IEM) basiert, wurde eingeführt. Daneben wird die Empfindlichkeit der Phase sowie der Reflektivität des vorwärtsgestreuten Signals gegenüber Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit analysiert. Schließlich werden erste Ergebnisse und Validierungen bistatischer Radarpolarimetrie für den Fall der Vorwärtsstreuung präsentiert.

Mit zeitaufgelöster Massenspektrometrie untersuchen wir die Winkelverteilung von Kohlendioxid-Monomeren bei der Streuung von Kohlendioxid-Clustern an einer Si(111)/Siliciumdioxid-Oberfläche unter Ultrahochvakuum-Bedingungen. Die präsen- tierten Studien decken eine große Breite der Clustergrößen, , 1,000 < N < 200,000 Moleküle pro Partikel, ab. Dabei liegt der Fokus auf dem Einfluss der Ausgangsentropie, die durch eine präzise Einstellung des Ausgangsdruckes und der Düsentemperatur realisiert wurde. Es zeigt sich, daß die Streuverteilung direkt den Expansionspfad widerspiegelt, wodurch eine Unterscheidung zwischen Clustern, die durch eine Expansion auf der gasförmigen oder flüssigen Seite des kritischen Punktes und der metstabilen Phase ent- stehen, ermöglicht wird. Um bei den hohen Teilchendichten eine verlässliche Aussage zu ermöglichen, wurden im Vorfeld die Eigenschaften gepulster Molekularstrahlen untersucht, insbesondere deren Abhängigkeit vom Restgasdruck und den Wechselwirkungen mit Strahlblenden. Hierzu diente die elektronische Anregung eines Helium-Strahls. Die Optimierung der Randbedingungen ermöglicht viel kältere Strahlen, so dass Helium-Cluster sogar bei einer Ausgangstemperatur von T = 410.0 K gefunden werden können. Dieses Ergebnis ist für die Cluster-Forschung, die Molekülspektroskopie und Experimente in der Quantenphysik von Bedeutung. / Employing pulsed high-pressure supersonic jet expansion and a dedicated setup for the experimental investigation of chemical processes occurring between neutral, van der Waals bound clusters and a solid surface, we report on the angular distribution observed for large carbon dioxide clusters scattered off a Si(111)/Silicon Dioxide surface under ultrahigh vacuum conditions. Scattered particles are detected using angle and time resolved mass spectrometry. The presented studies cover a broad range of cluster sizes, , 1,000 < N < 200,000 molecules per particle. The focus is on the influence of source entropy, realized by accurately setting stagnation pressure and temperature. This thesis demonstrates a dependence of the angular distribution of scattered carbon dioxide monomers on source conditions: the scattering distribution directly reflects the expansion path, allowing us to distinguish between clusters generated via expansion on the gaseous or on the liquid side of the critical point, and an intermediate regime where the expansion passes the metastable gas-liquid region. To optimize the supersonic beam, on the other hand, we reveal a substantial influence of residual gas pressure and beam–skimmer interactions on beam properties, particularly the minimum attainable translational temperature in a model system. This study contains the systematic investigation of supersonic jet expansions of helium, employing the variable distance between the Even-Lavie valve and different types of skimmers. Utilizing the ultra-high precision time-of-flight measurements of electronically tagged particles, the terminal velocities and the spread of particles allow us to correspondingly obtain much colder beams with the same source conditions. As a result, helium clusters can be found even in the jet expansion from a source temperature of T = 410.0 K. This knowledge is of particular interest to cluster science, molecular spectroscopy, and quantum physics.

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To date only very few bistatic measurements (airborne or in controlled laboratories) have been reported. Therefore most of the current remote sensing methods are still focused on monostatic (backscatter) measurements. These methods, based on theoretical, empirical or semi-empirical models, enable the estimation of soil roughness and the soil humidity (dielectric constant). For the bistatic case only theoretical methods have been developed and tested with monostatic data. Hence, there still remains a vital need to gain of experience and knowledge about bistatic methods and data. The main purpose of this thesis is to estimate the soil moisture and the soil roughness by using full polarimetric bistatic measurements. In the experimental part, bistatic X-band measurements, which have been recorded in the Bistatic Measurement Facility (BMF) at the DLR Oberpfaffenhofen, Microwaves and Radar Institute, will be presented. The bistatic measurement sets are composed of soils with different statistical roughness and different moistures controlled by a TDR (Time Domain Reflectivity) system. The BMF has been calibrated using the Isolated Antenna Calibration Technique (IACT). The validation of the calibration was achieved by measuring the reflectivity of fresh water. In the second part, bistatic surface scattering analyses of the calibrated data set were discussed. Then, the specular algorithm was used to estimate the soil moisture of two surface roughnesses (rough and smooth) has been reported. A new technique using the coherent term of the Integral Equation Method (IEM) to estimate the soil roughness was presented. Also, the sensitivity of phase and reflectivity with regard to moisture variation in the specular direction was evaluated. Finally, the first results and validations of bistatic radar polarimetry for the specular case of surface scattering have been introduced. / Aktuell sind nur sehr wenige Messungen mit bistatischem Radar durchgeführt worden, sei es von Flugzeuggetragenen Systemen oder durch spezielle Aufbauten im Labor. Deshalb basieren die meisten der bekannten Methoden zur Fernerkundung mit Radar auf monostatis-chen Messungen der Rückstreuung des Radarsignals. Diese Methoden, die auf theoretischen, empirischen oder halb-empirischen Modellen basieren, ermöglichen die Schätzung der Oberfächenrauhigkeit und die Bodenfeuchtigkeit (Dielektrizitätskonstante). Im bistatischen Fall wurden bisher nur theoretische Modelle entworfen, die mittels monostatischer Messungen getestet wurden. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, Erfahrung und Wissen über die physikalischen Effekte in bistatischen Konfigurationen zu sammeln. Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist es, anhand vollpolarimetrischer, bistatischer Radarmessungen die Oberfächenrauhigkeit und Bodenfeuchtigkeit zu bestimmen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden die Ergebnisse bistatischer Messungen präsentiert, die in der Bistatic Measurement Facility (BMF) des DLR Oberpfaffenhofen aufgenommen wurden. Die Datensätze umfassen Messungen von Böden unterschiedlicher statistischer Rauhigkeit und Feuchtigkeit, die mittels eines Time Domain Reflectivity (TDR) Systems bestimmt werden. Zur Kalibration des BMF wurde die Isolated Antenna Calibration Technique (IACT) verwendet und anhand der Messung der Reflektivität von Wasser überprüft. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird anhand der kalibrierten Daten eine Analyse der Oberflächenstreuung in bistatischen Konfigurationen vorgenommen. Im Anschluss daran wird mittels des Specular Algorithm eine Schätzung der Bodenfeuchte zweier Proben unter- schiedlicher Rauhigkeit (rau und fein) durchgeführt. Ein neues Verfahren zur Schätzung der Oberfächenrauhigkeit, das auf dem kohärenten Term der Integral Equation Method (IEM) basiert, wurde eingeführt. Daneben wird die Empfindlichkeit der Phase sowie der Reflektivität des vorwärtsgestreuten Signals gegenüber Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit analysiert. Schließlich werden erste Ergebnisse und Validierungen bistatischer Radarpolarimetrie für den Fall der Vorwärtsstreuung präsentiert.