speicherung und kühlung geladener teilchen vortrag von kai schatto 16.05.2006
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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