Speicherung und Kühlung geladener Teilchen

Vortrag von Kai Schatto

16.05.2006

Inhalt

Speicherung

Paulfalle

Penningfalle

Kühlung

Kühlmethoden

Experimente

Zusammenfassung

Warum Speichern ?

• präzise Messung von Teilcheneigenschaften

• Lokalisierung auf sehr kleinem Raum

• Manipulation möglich z.B. Kühlung

• lange Speicherzeiten seltene Prozesse beobachtbar

• Quantencomputer

Grundlagen

Radiale Kraft: EM-Felder oder Licht

Speicherung in einem Potentialminimum harmonische Oszillation

Kühlung zur Verringerung der Amplitude

Problem

Potentialminimum in 3 Dimensionen benötigt

Nur mit Elektrostatischen Feldern nicht möglich!

Kein Feld im Inneren

Lösungen

Paulfalle

Prinzip: elektrisches Wechselfeld

Penningfalle

Prinzip: Überlagerung eines Magnetfeldes

[K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)

Die Paulfalle

Auch Quadrupol-Ionenfalle

Entwickelt von Wolfgang Paul (1913 - 1993) in den 1950er Jahren

Physik-Nobelpreis 1989

[www.nobelprize.org]

Die Paulfalle

Elektrisches Wechselfeld erzeugt ein statisches Pseudopotential

Das Potential

Bewegungsgleichungen

0))cos((

20

002

2

rmr

tVUe

dt

rd0

))cos((22

0

002

2

zmr

tVUe

dt

zd

Spezialfälle der Mathieu- DGL:

Lösung mittels adiabatischer Nährung

Lösungen wird durch einen charakteristischen Exponenten β bestimmt nur für reelle und nicht ganzzahlige Werte ist die Lösung beschränkt

Bewegung des TeilchensAus dem gemittelten statischen ‚Pseudopotential‘, können die Bewegungsgl. abgeleitet werden.

• Mikrobewegung: getriebene Schwingung mit fester Phasenbeziehung zum Führungsfeld

• Makrobewegungen: freie Schwingungen der Ionen in dem zeitlich gemittelten Potential

)cos()cos(2

1)(

tt

qtu u

Bewegung des Teilchens

Mikro und Makrobewegung Trajektorie

Die Penningfalle

Idee vom holländischen Physiker Frans Michel Penning in den 1930er Jahren

Penningfalle

Speicherung mit konstantem Magnetfeld und elektrostatischem Quadrupolfeld

Bewegungsgleichungen

mz = qEz mr = q(Er + r × B)

Lösung ist Überlagerung von 3 unabhängigen Schwingungen

20

md

qVz

242

22zcc

Bm

qc

.. .. .

Bewegung

Teilchen in der Penningfalle

Vorteile der Penningfalle

• nur statische elektrische und magnetische Felder keine Mikrobewegung und damit verbundene Aufheizung durch die dynamischen Felder • Penningfalle kann bei gleicher Fallenstärke grösser gebaut werden weniger Wechselwirkung mit Oberflächenpotenzialen, die zu Aufheizungen und Dekohärenz führt

Inhalt

Speicherung

Paulfalle

Penningfalle

Kühlung

Kühlmethoden

Experimente

Zusammenfassung

Warum Kühlen?

• Verringerung der Emittanz leichterer Strahltransport

• kleinere Einflüsse durch Feldinhomogenitäten

• Bessere Intensität

• kleinere Schwingungsamplituden

• Dopplereffekt verringert

Kühlmethoden

• Puffergaskühlen

• Widerstandkühlen

• Elektronenkühlen

• Verdampfungskühlen

• Laserkühlung

• Sympathische Kühlung

Puffergaskühlung

Abkühlung durch Stöße mit einem Kalten Gas

Endtemperatur = Temperatur des Kühlgases

Auf alle Teilchen anwendbar

Elektronenkühlen

Prinzip:

- dem Ionenstrahl wird ein paralleler Elektronenstrahl überlagert

- Ionengeschwindigkeit passt sich immer mehr an die Elektronengeschwindigkeit an

energiescharfer Ionenstrahl mit sehr geringer Divergenz

Verdampfungskühlen

Aus der nach der Maxwell-Boltzmann-Verteilung beschriebenen Temperaturverteilung werden die „heißen“ Teilchen entfernt

Laserkühlung

Hänsch und Schawlow 1975: Abbremsen der Teilchen durch Impulsübertrag

Laserkühlung

Probleme bei Laserkühlung

1. Anpassung der Frequenz an das sich abkühlende Gas

2. Vielfalt der möglichen Übergänge; LK nicht auf Moleküle anwendbar

Lösungen:

1. Periodisch frequenzveränderbare Laser oder Anpassung der Anregungsfrequenz mittels räumlichem Magnetfeldgradient (Zeeman-Effekt)

2. Sympathische Kühlung

Sympathische Kühlung

• Kombination von Laser und Puffergaskühlung

• Leicht laserkühlbares Gas wirkt als Puffergas

• bis zu einige hundertstel Kelvin möglich

Inhalt

Speicherung

Paulfalle

Penningfalle

Kühlung

Kühlmethoden

Experimente

Zusammenfassung

Experimente

• Untersuchung von Antimaterie

• g-Faktor (z.B. Proton, hochgeladene Ionen)

– Test der QED

• Präzisionsmassenmessung

– Radionuklide

• Kernstruktur

• Astrophysik

– Stabile Ionen

• Neudefinition kg

• Fundamentale Konstanten

• Laserspektroskopie

– Lebensdauermessung

– Isotopieverschiebung

ISOLTRAP

[K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)

ISOLTRAP

Ablauf:

• Nukiderzeugung

• Isotopenseparation durch ISOLDE

• Abbremsen und Pulsen in linearer Paulfalle

• Isobarentrennung und Kühlung in der ersten Penningfalle

• Präzisionsmessung in der 2. Penningfalle

• Ermitteln der Zyklotronfrequenz durch Flugzeitmethode

ISOLTRAPErzeugung der Nuklide durch Beschuss von schweren Atomen (Uran, Blei) mit hochenergetischen Teilchen

Flugzeitmethode

1. Anregung mit Hochfrequenz in der Nähe der Zyklotronfrequenz

2. Bei Resonanz Umwandlung von Zyklotronradius in Magnetronradius

33 Anwachsen der Umlauffrequenz und damit der Energie des Ions

Flugzeitmethode

Beschleunigung durch Magnetfeldgradienten proportional zur (angeregten) modifizierten Zyklotronfrequenz

angeregte Ionen sind deutlich schneller

Nuklidkarte

[K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)

Kohlenstoff als Referenz

• kein Fehler in den Referenzmassen, da u über Kohlenstoff definiert

• durch Einsatz von Kohlenstoffcluster Referenzmassen über die gesamte Nuklidkarte (max. Abstand 6u)

Nuklidkarte

ISOLTRAP

Anwendung in der Astrophysik

Erklärung der Entstehung der Elemente im Universum

Dazu müssen die Nuklidmassen sehr genau bekannt sein

Zusammenfassung

Vorteile von Ionenfallen:• Genauigkeit• Empfindlichkeit • Effizienz

Präzisionsexperimente• ATRAP+ ATHENA• ISOLTRAP• HITRAP• SMILETRAP• LEBIT