Speicherung und Kühlung geladener Teilchen

1. Speicherung und Kühlung geladener Teilchen Vortrag von Kai Schatto 16.05.2006

2. Inhalt • Speicherung • Paulfalle • Penningfalle • Kühlung • Kühlmethoden • Experimente • Zusammenfassung

3. Warum Speichern ? • präzise Messung von Teilcheneigenschaften • Lokalisierung auf sehr kleinem Raum • Manipulation möglich  z.B. Kühlung • lange Speicherzeiten  seltene Prozesse beobachtbar • Quantencomputer

4. Grundlagen Radiale Kraft: EM-Felder oder Licht Speicherung in einem Potentialminimum  harmonische Oszillation Kühlung zur Verringerung der Amplitude

5. Problem Potentialminimum in 3 Dimensionen benötigt  Nur mit Elektrostatischen Feldern nicht möglich! Kein Feld im Inneren

6. Lösungen Paulfalle Prinzip: elektrisches Wechselfeld Penningfalle Prinzip: Überlagerung eines Magnetfeldes [K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)

7. Die Paulfalle Auch Quadrupol-Ionenfalle Entwickelt von Wolfgang Paul (1913 - 1993) in den 1950er Jahren Physik-Nobelpreis 1989 [www.nobelprize.org]

8. Die Paulfalle Elektrisches Wechselfeld erzeugt ein statisches Pseudopotential

9. Das Potential

10. Bewegungsgleichungen 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

11. Bewegung des Teilchens • Aus 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

12. Bewegung des Teilchens Mikro und Makrobewegung Trajektorie

13. Die Penningfalle Idee vom holländischen Physiker Frans Michel Penning in den 1930er Jahren

14. Penningfalle Speicherung mit konstantem Magnetfeld und elektrostatischem Quadrupolfeld

15. Bewegungsgleichungen .. .. . mz = qEz mr = q(Er + r×B) Lösung ist Überlagerung von 3 unabhängigen Schwingungen

16. Bewegung Teilchen in der Penningfalle

17. 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

18. Inhalt • Speicherung • Paulfalle • Penningfalle • Kühlung • Kühlmethoden • Experimente • Zusammenfassung

19. Warum Kühlen? • Verringerung der Emittanz  leichterer Strahltransport • kleinere Einflüsse durch Feldinhomogenitäten • Bessere Intensität • kleinere Schwingungsamplituden • Dopplereffekt verringert

20. Kühlmethoden • Puffergaskühlen • Widerstandkühlen • Elektronenkühlen • Verdampfungskühlen • Laserkühlung • Sympathische Kühlung

21. Puffergaskühlung Abkühlung durch Stöße mit einem Kalten Gas Endtemperatur = Temperatur des Kühlgases Auf alle Teilchen anwendbar

22. Elektronenkühlen • Prinzip: • dem Ionenstrahl wird ein paralleler Elektronenstrahl überlagert • Ionengeschwindigkeit passt sich immer mehr an die Elektronengeschwindigkeit an •  energiescharfer Ionenstrahl mit sehr geringer Divergenz

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

24. Laserkühlung Hänsch und Schawlow 1975: Abbremsen der Teilchen durch Impulsübertrag

25. Laserkühlung

26. Probleme bei Laserkühlung • Anpassung der Frequenz an das sich abkühlende Gas • Vielfalt der möglichen Übergänge; LK nicht auf Moleküle anwendbar • Lösungen: • Periodisch frequenzveränderbare Laser oder Anpassung der Anregungsfrequenz mittels räumlichem Magnetfeldgradient (Zeeman-Effekt) • Sympathische Kühlung 

27. Sympathische Kühlung • Kombination von Laser und Puffergaskühlung • Leicht laserkühlbares Gas wirkt als Puffergas • bis zu einige hundertstel Kelvin möglich

28. Inhalt • Speicherung • Paulfalle • Penningfalle • Kühlung • Kühlmethoden • Experimente • Zusammenfassung

29. 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

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

31. 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

32. ISOLTRAP Erzeugung der Nuklide durch Beschuss von schweren Atomen (Uran, Blei) mit hochenergetischen Teilchen

33. Flugzeitmethode • Anregung mit Hochfrequenz in der Nähe der Zyklotronfrequenz • Bei Resonanz Umwandlung von Zyklotronradius in Magnetronradius •  Anwachsen der Umlauffrequenz und damit der Energie des Ions

34. Flugzeitmethode Beschleunigung durch Magnetfeldgradienten proportional zur (angeregten) modifizierten Zyklotronfrequenz  angeregte Ionen sind deutlich schneller

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

36. 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)

37. Nuklidkarte

38. ISOLTRAP

39. Anwendung in der Astrophysik Erklärung der Entstehung der Elemente im Universum  Dazu müssen die Nuklidmassen sehr genau bekannt sein

40. Zusammenfassung • Vorteile von Ionenfallen: • Genauigkeit • Empfindlichkeit • Effizienz • Präzisionsexperimente • ATRAP+ ATHENA • ISOLTRAP • HITRAP • SMILETRAP • LEBIT