In this work, 22-pole ion trap machines have been applied to investigate protonated water clusters H+(H2O)n (n=4..10) and ionic hydrocarbons CHn+ (n=2..5) at low temperatures. Protonated water clusters H+(H2O)n play an important role in atmospheric chemistry and in interstellar space. The Taipei 22-pole ion trap machine has been applied to kinetic and spectroscopic investigations of these clusters produced from a supersonic expansion in a corona discharge source. Using low-pressure He buffer gas for collisional thermalization, refrigeration of the ion trap by liquid nitrogen allows a good control of the cluster temperature over the range 80K-350K. This method provides an accurate means of determining the dissociation energies of the cluster ions by measuring their dissociation rates as a function of temperature and calculating their internal energies from vibrational frequencies provided by density functional theory. Results of the thermochemical measurements at well-defined cluster temperatures have been given for H+(H2O)n, n=4..10. The feasibility of using the ion trap to acquire temperature-dependent infrared spectra is presented. The deuteration and abstraction reactions of small ionic hydrocarbons CHn+ (n=2..5) with H2, HD and D2 and the subsequent association processes have been explored at temperatures down to 15K in the Chemnitz 22-pole apparatus. The reactions of the investigated ionic species and their isotopic variants are important for understanding ion-molecule processes in the interstellar medium. One of the starting points of the research program was the question whether protonated methane, CH5+, is subject to H-D-exchange in collisions with HD at low temperatures. It turns out that the rate coefficient for this deuteration process is very small, whereas CH3+ deuterates with HD by three subsequent fast exchange reactions to CD3+ at a temperature of 15K. The latter process is very efficient and happens close to the collision limit. The methane cation, CH4+, on the other hand, shows also some interesting features in collisions with H2, HD and D2. It exhibits an inverse temperature dependence with the rate coefficient increasing at least one order of magnitude going from 300K to 15K. Furthermore, reacting with HD at the temperature of 15K, the reaction channel leading to CH5+ is preferred over the D-atom abstraction channel (isotope effect). / Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Apparaturen mit 22-Pol-Ionenfallen benutzt, um protonierte Wassercluster H+(H2O)n (n=4..10) und kleine ionische Kohlenwasserstoffe CHn+ (n=2..5) bei tiefen Temperaturen zu untersuchen. Die in einer Koronaentladungsquelle erzeugten Cluster H+(H2O)n wurden kinetisch und spektroskopisch untersucht. Dazu wurden sie in einem 22-Pol-Speicher mithilfe eines He-Puffergases auf einer Temperatur zwischen 80K und 350K thermalisiert. Die Bestimmung der Bindungsenergien fuer Cluster der Groesse n=4..10 wird ermoeglicht durch die Messung der temperaturabhaengigen Dissoziationsraten und durch die Ermittlung der inneren Energien mittels berechneter Schwingungsfrequenzen. Temperaturabhaengige IR-Spektren im Bereich der freien OH-Streckschwingung wurden aufgenommen. Die Austausch- und Abstreifreaktionen von ionischen Kohlenwasserstoffen CHn+ (n=2..5) mit H2, HD und D2 und die darauffolgenden Assoziationsprozesse wurden im Temperaturbereich 15K bis 300K untersucht. Es stellt sich z.B. heraus, dass der H-D-Austauschprozess zwischen CH5+ und HD bei 15K sehr langsam ist, wogegen CH3+ mit jeder Kollision einen Austausch ausfuehrt. In der Abstreifreaktion von CH4+ mit Wasserstoffmolekuelen beobachtet man eine inverse Temperaturabhaengigkeit. Dies wird vorlaeufig mit einer laengeren Komplexlebensdauer bei tiefen Temperaturen erklaert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Kombination Metallatomquelle - Hochfrequenz-Ionenfalle aus den vorliegenden Funktionseinheiten aufgebaut und für die Untersuchung der Reaktionen zwischen Ionen und Metallatomen eingesetzt. In der Anordnung durchdringt der effusive Metallatomstrahl die Falle, in der die kalten Ionen gespeichert sind. Mit der Methode wurde zunächst die schnelle Reaktion zwischen O2+ Ionen und Ni Atomen untersucht. Der Ratenkoeffizient der NiO+ Bildung wurde bestimmt. Als nächstes wurde eine Reaktionskette gesucht, mit welcher ionische Metallcluster in der Falle gebildet werden. Es wurde beobachtet, daß die Bildung von Ni(N2)n+ Ionen sehr schnell verläuft. Der erste Schritt des Wachstums der ionischen Ni Cluster, d.h. die Ni2+ Bildung, wurde durch die Ni-Austauschreaktion NiN2+ + Ni realisiert; der Ratenkoeffizient wurde bestimmt. Weiterhin wurde ein lineares Flugzeitmassenspektrometer aufgebaut, mit dem die gespeicherten Ionen analysiert werden. Die in der Falle weit verteilten Ionen werden für die Flugzeitanalyse mit speziellen Pulsen vorbereitet. Eine Massenauflösung von 50 wurde erreicht. In einer temperaturvariablen Ionenfalle wurde das Wachstum von (CO)n+ Clustern untersucht. Die Cluster wurden durch die sequentielle Anlagerung von CO Molekülen an ein CO+ Ion gebildet. Die Ratenkoeffizienten der Dreikörperassoziation wurden für die ersten zwei Wachstumsschritte CO+ + CO und (CO)2+ + CO bei verschiedenen Temperaturen und CO Dichten bestimmt. Das weitere Wachstum wird durch zwei Isotopenklassen der (CO)3+ Ionen und größerer Cluster beeinflußt. Reaktionspfade zur Bildung und Isomerisierung von (CO)n+ Clustern werden vorgeschlagen. Die Bildung großer Cluster (n > 4) wird durch den gepulsten intensiven Einlaß von CO Gas erzielt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Kombination Metallatomquelle - Hochfrequenz-Ionenfalle aus den vorliegenden Funktionseinheiten aufgebaut und für die Untersuchung der Reaktionen zwischen Ionen und Metallatomen eingesetzt. In der Anordnung durchdringt der effusive Metallatomstrahl die Falle, in der die kalten Ionen gespeichert sind. Mit der Methode wurde zunächst die schnelle Reaktion zwischen O2+ Ionen und Ni Atomen untersucht. Der Ratenkoeffizient der NiO+ Bildung wurde bestimmt. Als nächstes wurde eine Reaktionskette gesucht, mit welcher ionische Metallcluster in der Falle gebildet werden. Es wurde beobachtet, daß die Bildung von Ni(N2)n+ Ionen sehr schnell verläuft. Der erste Schritt des Wachstums der ionischen Ni Cluster, d.h. die Ni2+ Bildung, wurde durch die Ni-Austauschreaktion NiN2+ + Ni realisiert; der Ratenkoeffizient wurde bestimmt. Weiterhin wurde ein lineares Flugzeitmassenspektrometer aufgebaut, mit dem die gespeicherten Ionen analysiert werden. Die in der Falle weit verteilten Ionen werden für die Flugzeitanalyse mit speziellen Pulsen vorbereitet. Eine Massenauflösung von 50 wurde erreicht. In einer temperaturvariablen Ionenfalle wurde das Wachstum von (CO)n+ Clustern untersucht. Die Cluster wurden durch die sequentielle Anlagerung von CO Molekülen an ein CO+ Ion gebildet. Die Ratenkoeffizienten der Dreikörperassoziation wurden für die ersten zwei Wachstumsschritte CO+ + CO und (CO)2+ + CO bei verschiedenen Temperaturen und CO Dichten bestimmt. Das weitere Wachstum wird durch zwei Isotopenklassen der (CO)3+ Ionen und größerer Cluster beeinflußt. Reaktionspfade zur Bildung und Isomerisierung von (CO)n+ Clustern werden vorgeschlagen. Die Bildung großer Cluster (n > 4) wird durch den gepulsten intensiven Einlaß von CO Gas erzielt.

In this work, 22-pole ion trap machines have been applied to investigate protonated water clusters H+(H2O)n (n=4..10) and ionic hydrocarbons CHn+ (n=2..5) at low temperatures. Protonated water clusters H+(H2O)n play an important role in atmospheric chemistry and in interstellar space. The Taipei 22-pole ion trap machine has been applied to kinetic and spectroscopic investigations of these clusters produced from a supersonic expansion in a corona discharge source. Using low-pressure He buffer gas for collisional thermalization, refrigeration of the ion trap by liquid nitrogen allows a good control of the cluster temperature over the range 80K-350K. This method provides an accurate means of determining the dissociation energies of the cluster ions by measuring their dissociation rates as a function of temperature and calculating their internal energies from vibrational frequencies provided by density functional theory. Results of the thermochemical measurements at well-defined cluster temperatures have been given for H+(H2O)n, n=4..10. The feasibility of using the ion trap to acquire temperature-dependent infrared spectra is presented. The deuteration and abstraction reactions of small ionic hydrocarbons CHn+ (n=2..5) with H2, HD and D2 and the subsequent association processes have been explored at temperatures down to 15K in the Chemnitz 22-pole apparatus. The reactions of the investigated ionic species and their isotopic variants are important for understanding ion-molecule processes in the interstellar medium. One of the starting points of the research program was the question whether protonated methane, CH5+, is subject to H-D-exchange in collisions with HD at low temperatures. It turns out that the rate coefficient for this deuteration process is very small, whereas CH3+ deuterates with HD by three subsequent fast exchange reactions to CD3+ at a temperature of 15K. The latter process is very efficient and happens close to the collision limit. The methane cation, CH4+, on the other hand, shows also some interesting features in collisions with H2, HD and D2. It exhibits an inverse temperature dependence with the rate coefficient increasing at least one order of magnitude going from 300K to 15K. Furthermore, reacting with HD at the temperature of 15K, the reaction channel leading to CH5+ is preferred over the D-atom abstraction channel (isotope effect). / Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Apparaturen mit 22-Pol-Ionenfallen benutzt, um protonierte Wassercluster H+(H2O)n (n=4..10) und kleine ionische Kohlenwasserstoffe CHn+ (n=2..5) bei tiefen Temperaturen zu untersuchen. Die in einer Koronaentladungsquelle erzeugten Cluster H+(H2O)n wurden kinetisch und spektroskopisch untersucht. Dazu wurden sie in einem 22-Pol-Speicher mithilfe eines He-Puffergases auf einer Temperatur zwischen 80K und 350K thermalisiert. Die Bestimmung der Bindungsenergien fuer Cluster der Groesse n=4..10 wird ermoeglicht durch die Messung der temperaturabhaengigen Dissoziationsraten und durch die Ermittlung der inneren Energien mittels berechneter Schwingungsfrequenzen. Temperaturabhaengige IR-Spektren im Bereich der freien OH-Streckschwingung wurden aufgenommen. Die Austausch- und Abstreifreaktionen von ionischen Kohlenwasserstoffen CHn+ (n=2..5) mit H2, HD und D2 und die darauffolgenden Assoziationsprozesse wurden im Temperaturbereich 15K bis 300K untersucht. Es stellt sich z.B. heraus, dass der H-D-Austauschprozess zwischen CH5+ und HD bei 15K sehr langsam ist, wogegen CH3+ mit jeder Kollision einen Austausch ausfuehrt. In der Abstreifreaktion von CH4+ mit Wasserstoffmolekuelen beobachtet man eine inverse Temperaturabhaengigkeit. Dies wird vorlaeufig mit einer laengeren Komplexlebensdauer bei tiefen Temperaturen erklaert.

In der vorliegenden Arbeit wird bei tiefen Temperaturen die bimolekulare Reaktion C2H2+ + H2 -- C2H3+ + H in einem HF 22-Pol-Ionenspeicher untersucht. %weist eine Aktivierungsenergie von ca. 50 meV auf. Dreikörper- und Strahlungsratenkoeffizienten der Assoziationsreaktion C2H2+ + H2 -- C2H4+ werden bestimmt, sowie ihre Temperaturabhängigkeit. Durch Anregung der infrarot-aktiven antisymmetrischen C--H-Streckschwingung nu3 des C2H2+-Ions wird die Aktivierungsenergie der bimolekularen Reaktion überwunden. Zunächst wird ein Nd:YAG-Laser gepumpter Farbstofflaser mit Differenzfrequenzmischung und dann ein schmalbandiger cw-betriebener Bleisalzdiodenlaser zur Induzierung der Reaktion eingesetzt. Der Nachweis des Produkts C2H3+ dient als Hinweis auf den Anregungszustand der C2H2+-Ionen ( chemical probing) und somit lassen sich die P-, Q- und R-Zweige der Normalschwingung nu3 von C2H2+ aufzeichnen. Die empfindliche untergrundfreie Spektroskopie der Prim¨arionen wird demonstriert. Die hohe spektrale Auflösung des Experiments ermöglicht die Schwingungs-, Rotations-, Feinstruktur- und Kernspinszustandspezifische Anregung der C2H2+-Ionen. %Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen Rotationseffekte. Es wird gezeigt, dass eine grössere Rotationsquantenzahl des C2H2+-Ions zur Behinderung der Reaktion führt. Mit der Messung der C2H3+-Ionenzahl als Funktion der Speicherzeit und der H2-Dichte werden die Ratenkoeffizienten der laserinduzierten Reaktion und der Reaktion schwingungsangeregter Primärionen bestimmt. Es wird vermutet, dass die Energie nicht unmittelbar in der Reaktionskoordinate vorhanden ist, sondern einen Sto¨skomplex \mbox{\glqq erhitzt\grqq}. Die von einer Barriere im Eingangskanal behinderte Komplexbildung kann die vorgestellten Ergebnisse erklären. Der Ratenkoeffizient der stossinduzierten Schwingungsrelaxation wird ermittelt. Die experimentelle Bestimmung des Einstein-Koeffizienten der spontanen Emission ermöglicht es, die Lebensdauer des angeregten Zustandes sowie das Dipolmatrixelement und die Schwingungsintensität von nu3 abzuschätzen.

In der vorliegenden Arbeit wird bei tiefen Temperaturen die bimolekulare Reaktion C2H2+ + H2 -- C2H3+ + H in einem HF 22-Pol-Ionenspeicher untersucht. %weist eine Aktivierungsenergie von ca. 50 meV auf. Dreikörper- und Strahlungsratenkoeffizienten der Assoziationsreaktion C2H2+ + H2 -- C2H4+ werden bestimmt, sowie ihre Temperaturabhängigkeit. Durch Anregung der infrarot-aktiven antisymmetrischen C--H-Streckschwingung nu3 des C2H2+-Ions wird die Aktivierungsenergie der bimolekularen Reaktion überwunden. Zunächst wird ein Nd:YAG-Laser gepumpter Farbstofflaser mit Differenzfrequenzmischung und dann ein schmalbandiger cw-betriebener Bleisalzdiodenlaser zur Induzierung der Reaktion eingesetzt. Der Nachweis des Produkts C2H3+ dient als Hinweis auf den Anregungszustand der C2H2+-Ionen ( chemical probing) und somit lassen sich die P-, Q- und R-Zweige der Normalschwingung nu3 von C2H2+ aufzeichnen. Die empfindliche untergrundfreie Spektroskopie der Prim¨arionen wird demonstriert. Die hohe spektrale Auflösung des Experiments ermöglicht die Schwingungs-, Rotations-, Feinstruktur- und Kernspinszustandspezifische Anregung der C2H2+-Ionen. %Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen Rotationseffekte. Es wird gezeigt, dass eine grössere Rotationsquantenzahl des C2H2+-Ions zur Behinderung der Reaktion führt. Mit der Messung der C2H3+-Ionenzahl als Funktion der Speicherzeit und der H2-Dichte werden die Ratenkoeffizienten der laserinduzierten Reaktion und der Reaktion schwingungsangeregter Primärionen bestimmt. Es wird vermutet, dass die Energie nicht unmittelbar in der Reaktionskoordinate vorhanden ist, sondern einen Sto¨skomplex \mbox{\glqq erhitzt\grqq}. Die von einer Barriere im Eingangskanal behinderte Komplexbildung kann die vorgestellten Ergebnisse erklären. Der Ratenkoeffizient der stossinduzierten Schwingungsrelaxation wird ermittelt. Die experimentelle Bestimmung des Einstein-Koeffizienten der spontanen Emission ermöglicht es, die Lebensdauer des angeregten Zustandes sowie das Dipolmatrixelement und die Schwingungsintensität von nu3 abzuschätzen.