Hochgeladene Ionen bei 100 Millionen Grad im Kühlschrank

Crespo López-Urrutia, José Ramón et al. | Hochgeladene Ionen bei 100 Millionen Grad im Kühlschrank
Tätigkeitsbericht 2005
Astronomie/Astrophysik, Hochenergie- und Plasmaphysik/Quantenoptik
Hochgeladene Ionen bei 100 Millionen Grad im Kühlschrank
Crespo López-Urrutia, José Ramón; Ullrich, Joachim
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Forschungsbereich - Dynamik von Atomen und Molekülen und Vielkörperphysik
Korrespondierender Autor: Crespo López-Urrutia, José Ramón
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Eine neue Tieftemperatur-Ionenfalle am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg erlaubt es,
hochgeladene Ionen zu produzieren und zu speichern. Diese Ionen sind für extrem heiße Plasmen, wie
sie in Sternatmosphären und Fusionsreaktoren vorkommen, typisch. Die Ionenfalle wird vorwiegend für
spektroskopische Untersuchungen zum Test der Atomstrukturtheorie eingesetzt.
Abstract
A new cryogenic ion trap at the Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg is able to produce and
store highly charged ions. These ions are typical for extremely hot plasmas, such as those found in stellar
atmospheres and nuclear fusion experimental reactors. The ion trap is mainly used for spectroscopic
investigations aiming at testing current atomic structure theory.
Begünstigt durch rasante Fortschritte in der Optik erreichte die Spektroskopie von Atomen bereits sehr
früh eine hohe Präzision. Wellenlängen konnten schon zu Zeiten, als die meisten anderen physikalischen
Messmethoden höchstens auf wenige Prozent genau arbeiteten, auf sechs Dezimalstellen bestimmt
werden. Unbekannte chemische Elemente wurden durch ihre spektralen Merkmale identifiziert. Das
Spektrum des Wasserstoffatoms gab erste Hinweise auf die Quantenstruktur der Materie und leitete die
Entwicklung der Atomtheorie vom Bohr'schen Atommodell über die Dirac'sche Formulierung bis hin
zur modernen Quantenelektrodynamik ein. Der Spin des Protons sowie Kerngrößeneffekte wurden durch
die Beobachtung der Hyperfeinstruktur entdeckt und die Doppler-Verschiebung der spektralen Linien
liefert den Astrophysikern den Abstand zu fernen Galaxien. Manche Experimente erreichen inzwischen
eine Genauigkeit von über sechzehn Dezimalstellen!
Bereits im neunzehnten Jahrhundert wurden in der Sonnenkorona starke Linien beobachtet, die sich nicht
durch bekannte Elemente des periodischen Systems erklären ließen. Erst im zwanzigsten Jahrhundert
wurde klar, dass ihre Quellen hochgeladene Ionen (highly charged ions, HCI) waren. Bei Temperaturen
von vielen Millionen Grad werden den Atomen ihre äußeren Elektronen entrissen, und HCI mit nur
wenigen oder gar keinen Elektronen in ihrer Hülle werden zur typischen Erscheinungsform der Elemente.
So liegt der weitaus größte Teil der baryonischen Materie des Universums, in Sternen, in aktiven
galaktischen Kernen, in Supernova-Resten oder den Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern, in
Form von Ionen unterschiedlicher Ladungszustände vor.
Aus diesen, wie auch insbesondere aus fundamentalen wissenschaftlichen Gründen ist es somit von
großer Bedeutung, Ionen in praktisch allen Ladungszuständen, also Materie bei Temperaturen von
wenigen hundert bis hin zu Milliarden Kelvin im Labor so zur Verfügung zu haben, dass sie
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spektroskopischen Messungen mit hoher Präzision zugänglich werden. Wegen der zur Produktion von
höchstgeladenen Ionen notwendigen, enormen Konzentration von Energie auf die einzelnen Atome
gelang dies allerdings erst in allerjüngster Zeit, so dass die Ionen- im Vergleich zur Atomspektroskopie
noch in ihren Anfängen begriffen ist.
Nach der erfolgreichen Erzeugung von „nacktem“ Uran mit dem BEVALAC-Beschleuniger in Berkeley
berichtete J. P. Briand [1] im Jahr 1990 über die erste Beobachtung des elektronischen Übergangs von
der n=2- in die n=1-Schale im wasserstoffähnlichen Uran an der gleichen Anlage. Kurz danach war auch
an der GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) in Darmstadt die Produktion solcher Ionen
gelungen, welche zunächst in großen Beschleunigeranlagen erzeugt und dann in einem Ring mit 200 m
Umfang gespeichert wurden. Nahezu gleichzeitig gelangen die Erzeugung von U92+-Ionen [2] sowie
erste hochpräzise Messungen zur Feinstruktur wasserstoffähnlicher schwerer Ionen mittels einer
wesentlich weniger aufwändigen Methode, in einer so genannten Electron Beam Ion Trap (EBIT) am
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA. Ursprünglich von Donets [3] in Dubna
(in der damaligen UDSSR) entwickelt, hat diese elegante Technologie, die auf der sequentiellen
Ionisation von gefangenen Ionen mittels eines intensiven Elektronenstrahls beruht (Abb. 1),
internationale Verbreitung gefunden: Neue EBITs entstanden, weitgehend eins-zu-eins Kopien der
LLNL-Maschine, in Gaithersburg, Oxford, Tokio, sowie nicht zuletzt auch am Max-Planck-Institut für
Plasmaphysik in Berlin. Maschinen der dritten Generation wurden und werden in Dresden, Stockholm,
Shanghai und Belfast aufgebaut.
Abb. 1 : Prinzip einer Electron Beam Ion Trap. Durch die negative Raumladung eines komprimierten
Elektronenstrahls werden positive Ionen axial festgehalten. In der longitudinalen Richtung verhindern an
ringförmige Elektroden angelegte positive Potentiale das Entweichen der Ionen.
Bild : Max-Planck-Institut für Kernphysik
Die auf einem radikal überarbeiteten und weiterentwickelten technischen Konzept beruhende jetzige
Heidelberger EBIT (HD-EBIT) nahm 1999 zunächst ihren Betrieb an der Universität Freiburg [4] auf
und übersiedelte dann, im Jahr 2001, zum Max-Planck-Institut für Kernphysik [5]. Sie gehört, zusammen
mit der SuperEBIT (LLNL) und der Tokio-EBIT zu denjenigen Maschinen, bei denen Elektronenstrahlen
mit Energien von über 100 keV zur Ionisierung der K-Schale schwerer Elemente zur Verfügung stehen
und die es somit erlaubt, weltweit mit die höchsten Ladungszustände zu erzeugen.
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Wie bereits erwähnt und in Abbildung 1 illustriert, beruht das Prinzip einer EBIT auf der sequentiellen
Ionisation von gefangenen Ionen mittels eines intensiven Elektronenstrahls von einigen hundert mA. Die
gegenseitige Abstoßung der Elektronen im Strahl wird dabei durch das starke, parallel zum
Elektronenstrahl verlaufende magnetische Feld (HD-EBIT: 9 T) eines supraleitenden Magneten
kompensiert, welches den Strahl auf einen Durchmesser von nur 50 μm komprimiert. Die dabei erreichte
Stromdichte von bis zu 10000 A/cm2 entspricht einem Fluss von nahezu 1023 Elektronen pro Sekunde
und cm2. Der Strahl erzeugt gleichzeitig aufgrund der hohen Konzentration negativer Ladung ein starkes
negatives Raumladungspotential von bis zu einigen hundert Volt. Neutrale Atome werden zunächst beim
Durchqueren des Elektronenstrahls durch Stöße ionisiert und dann unmittelbar und höchst effizient durch
das Raumladungspotential des Strahls radial zu seiner Ausbreitungsrichtung eingefangen (rechts in
Abbildung 1 angedeutet). Es entsteht eine „Wolke“ von Ionen mit einem Durchmesser von wenigen
zehntel mm, deren Ausdehnung entlang der Fallenachse, durch ringförmige Elektroden auf positivem
Potential, auf eine Länge von wenigen cm begrenzt ist (unten in Abbildung 1 skizziert). Sukzessive
werden die gefangenen Ionen durch Elektronenbeschuss nun immer höher geladen. Gleichzeitig darf der
jeweils erreichte Ladungszustand nicht durch so genannte Rekombinationsprozesse, also durch Einfang
von Elektronen von Restgasatomen, vermindert werden, was extrem gute Vakuumbedingungen
voraussetzt. Bei einer Temperatur der Innenwände der Vakuumkammer von nur 4 K frieren alle Restgase
nahezu vollständig aus und es werden Drucke im extremen Ultrahochvakuumbereich von 10-13 mbar
erzielt. In diesem „Kühlschrank“ können selbst Ionen, deren Ladungszustand Temperaturen von
mehreren hundert Millionen Kelvin entspricht, hocheffizient „konserviert“ werden.
Abb. 2 : Schnittzeichnung des HD-EBIT-Aufbaus. Ein von der Elektronenkanone erzeugter monoenergetischer
Elektronenstrahl wird im Feld eines supraleitenden Magneten komprimiert und durchläuft eine Anordnung von
neun Driftröhren bevor er von einem Kollektor aufgefangen wird. Die Temperatur der Fallenanordnung beträgt
4 K (3-stufige thermische Entkopplung von der Außenwelt), um exzellente Vakuumbedingungen (10-13 mbar) zu
garantieren. Die speziell gewählte Geometrie erlaubt es, die EBIT entweder als Ionenfalle zur Spektroskopie oder
als Ionenquelle zur Extraktion der hochgeladenen Ionen zu betreiben.
Bild : Max-Planck-Institut für Kernphysik
Die HD-EBIT beruht auf einem technisch und konstruktiv vollständig neuen Entwurf mit horizontalem
Strahlverlauf (Abb. 2). Darüber hinaus erreicht sie bezüglich einiger Parameter wesentlich höhere
Spezifikationen als andere Maschinen. So konnte z. B. der Verbrauch an Flüssighelium gegenüber
Maschinen der zweiten und selbst modernsten Maschinen der dritten Generation zwanzigfach reduziert
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werden, der bisher maximal erreichte Elektronenstrom wurde verdoppelt, und ein ebenfalls etwa doppelt
so großes Magnetfeld sorgt für eine stärkere Kompression des Strahls. Der horizontale Aufbau (siehe
auch Fotographie, Abb. 3) bietet unmittelbare Vorteile für die Extraktion von HCI aus der Falle,
praktische Erleichterungen bei der Montage und es werden große Raumwinkel für den
Strahlungsnachweis erreicht. Zurzeit befinden sich in Heidelberg zwei weitere EBITs in der
abschließenden Aufbauphase, bei denen die Vorteile dieses Konzeptes konsequent ausgenutzt wurden,
so dass höchst leistungsfähige, kompakte, kosteneffiziente und transportable Maschinen, die bei einer
Temperatur von 4K ohne Flüssighelium arbeiten, zur Verfügung stehen.
Abb. 3 : Fotographie der HD-EBIT. Hinter der runden grauen Abdeckung in der Mitte des Bildes befindet sich ein
Röntgenfenster für spektroskopische Beobachtungen.
Bild : Max-Planck-Institut für Kernphysik
Ein Röntgenspektrum von hochgeladenen Quecksilber-Ionen (Hg), aufgenommen bei einer Strahlenergie
von 72 keV, ist in Abbildung 4 dargestellt. Bei etwa 70 keV sieht man Linien der charakteristischen, so
genannten Kα1- und Kα2-Strahlung von Hg. Ein breites Kontinuum erstreckt sich von der niedrigsten bis
hin zur maximalen Strahlenergie, mit zu höheren Energien hin abnehmender Intensität. Diese Photonen
entstehen durch partielle Abbremsung der Strahlelektronen im Coulombfeld der Ionen (Bremsstrahlung).
Am oberen Ende dieses Bremsstrahlungs-Kontinuums reihen sich eine Serie von „RR“-Linien an. Sie
resultieren, wie in Abbildung 4 illustriert, aus „Radiativer Rekombination“, dem zeitumgekehrten
Photoeffekt, bei dem ein freies Elektron aus dem Strahl in eine offene „n“-Hauptquantenschale des
hochgeladenen Ions unter Aussendung eines Photons eingefangen wird. Die genauen Positionen der
Linien und ihre jeweiligen Intensitäten zeigen den Ionisationszustand eindeutig an, da nur leere Schalen
Elektronen aufnehmen können. Daher wird man für Ionen, die z. B. den Ne-artigen Zustand (also Ionen
mit weniger als zehn Elektronen) überschritten haben, Linien für n≥2 nachweisen können. Deutlich sieht
man für den Einfang in die n=2-Schale zwei Linien, die durch Rekombination in die für hochgeladene
Ionen im keV-Bereich aufgespalteten Feinstrukturniveaus für j=1/2 und j=3/2 entstehen.
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Abb. 4 : Röntgenspektrum der Rekombination von Hg-Ionen mit offener n=2-Schale bei 72 keV Strahlenergie.
Ladungszustände bis zum Hg78+ mit ca. 23 keV Bindungsenergie sind erkennbar.
Bild : Max-Planck-Institut für Kernphysik
An der HD-EBIT lassen sich zurzeit eine Vielzahl von Ionen produzieren, wie z. B. He-artige Systeme
bis hin zu Hg78+ [6], oder „nacktes“ Ba56+, Kr36+, Ar18+, sowie selbstverständlich alle niedrigeren
Ladungszustände. Diese Ionen können nicht nur bei praktisch allen Wellenlängen spektroskopiert
werden, sondern sie lassen sich auch aus der Falle extrahieren und beschleunigen. Hochgeladene Ionen,
beschleunigt auf Energien von bis zu hundert keV, simulieren Teilchen im Sonnenwind, und ihre
Wechselwirkung mit Kometen oder der oberen Erdatmosphäre kann so im Labor gezielt in kinematisch
vollständigen Experimenten erforscht werden (siehe Abb. 5). Treffen die Ionen auf Oberflächen, so
entstehen Gebilde mit Durchmessern von wenigen Nanometern, so dass sie sowohl zur Strukturierung
als auch für die Analyse von Oberflächen Verwendung finden.
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Abb. 5 : Aufbau zur Durchführung kinematisch vollständiger Experimente. Extrahierte Ionen von der EBIT werden
nach ihrem Ladungszustand getrennt und außerhalb des EBIT-Faradayraumes mit Hilfe eines Strahlrohrs zum
Reaktionsmikroskop [7], einem neuartigen Vielteilchen-Impulsspektrometer, transportiert.
Bild : Max-Planck-Institut für Kernphysik
Die Forschung an der HD-EBIT konzentriert sich jedoch ganz wesentlich auf fundamentale
Fragestellungen. Erste Messungen, die bereits in einigen Bereichen zu Ergebnissen unübertroffener
Genauigkeit geführt haben, erlauben die kritische Überprüfung neuester theoretischer
Näherungsmethoden zur elektronischen Struktur an der Grenze ihrer Vorhersagegenauigkeit in einem
Bereich, wo zum einen immer noch ein großer Mangel an zuverlässigen Daten herrscht und wo zum
anderen grundlegende Effekte, die in hochgeladenen Ionen z. T. extrem verstärkt auftreten, exemplarisch
untersucht werden können. Verbunden mit der Tatsache, dass man Systeme mit wenigen oder nur einem
Elektron untersuchen kann, so dass also das notorisch schwierig zu behandelnde Vielelektronenproblem
nur in abgemilderter Form oder gar überhaupt nicht auftritt, schaffen HCI damit einmalige Bedingungen.
Ein prägnantes Beispiel für das Anwachsen gewisser Effekte ist das Auftreten starker „verbotener“
Spektrallinien, die zum Teil mit der zehnten Potenz der Kernladung, also mit Z10, intensiver werden.
Wenn H-artiges Uran, d. h. U91+, mit Wasserstoff verglichen wird, verhalten sich die entsprechenden
Intensitäten der verbotenen Linien wie der Durchmesser der Sonne zu demjenigen des H-Atoms!
Aufgrund der extremen elektrischen und magnetischen Felder von bis zu 1019 V/cm und 108 Tesla in
Kernnähe, gewinnen insbesondere auch quantenelektrodynamische (QED) Effekte, die mit der vierten
Potenz der Kernladung skalieren, erheblich an Bedeutung. Diese werden üblicherweise in Form einer
Störungsreihe in Z∙α (α=1/137, Feinstrukturkonstante) berechnet, ein Verfahren, das bei hoher
Kernladungszahl Z und damit bei Z∙α~1 nicht mehr anwendbar ist. Weiterhin werden wegen der hohen
Geschwindigkeiten der tief gebundenen Elektronen relativistische Korrekturen wichtig und die Kernnähe
des Elektrons bedeutet, dass insbesondere bei Hyperfeinübergängen die Kernstruktur, die Verteilung des
magnetischen Moments und die Kernausdehnung eine wesentliche Rolle spielen. Bei mittlerer
Kernladungszahl und wenigen, noch gebundenen Elektronen müssen relativistische Beiträge,
Korrelations- und QED-Korrekturen gleichzeitig auf hohem Niveau berechnet werden, was höchste
Anforderungen an die Vorhersagekraft theoretischer Modelle stellt und z. T. dazu zwingt, vollkommen
neue Wege zu beschreiten.
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Abb. 6 : Ansicht einer der neuen am MPI für Kernphysik entwickelten EBITs.
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Somit dringen wir mit der Heidelberger EBIT in ein großes, experimentell noch wenig erschlossenes
Gebiet vor. Gleichzeitig steht zu erwarten, dass mit der Entwicklung des freien Elektronenlasers (FEL)
am DESY in Hamburg, wo erstmals „Laserlicht“ im Röntgenbereich, also passend zu den Übergängen
in HCI, zur Verfügung stehen wird, sich eine neue Ära der Spektroskopie hochgeladener Ionen eröffnet.
So sollten in Zukunft nahezu alle Spektrallinien mit zehn- bis tausendfach gesteigerter Präzision
vermessen werden können, mit heute noch unvorhersehbaren Konsequenzen für die Entwicklung der
Theorie. Im Rahmen der Max-Planck-Initiative DESY FEL (MIDFEL) haben wir speziell zum Betrieb
am FEL eine neue EBIT aufgebaut (Abb. 6), die Ende des Jahres in Hamburg ihren Betrieb aufnehmen
wird und erste Daten liefern soll.
Literaturhinweise
[ 1 ] J. P. Briand, P. Chevallier, P. Indelicato, K. P. Ziock, D. D. Dietrich:
Observation and Measurement of n=2 → n=1 Transitions of Hydrogenlike and Heliumlike
Uranium
Physical Review Letters 65, 2761 (1990).
[ 2 ] R. E. Marrs, S. R. Elliott, D. A. Knapp:
Production and Trapping of Hydrogenlike and Bare Uranium Ions in an Electron Beam Ion Trap
Physical Review Letters 72, 4082 (1994).
[ 3 ] E. D. Donets, V. P. Ovsyannikov:
Investigation of ionization of positive ions by electron impact
Soviet Physics-JETP 53, 466 (1981).
[ 4 ] J. R. Crespo López-Urrutia, A. Dorn, R. Moshammer, J. Ullrich:
The Freiburg Electron Beam Ion Trap/Source Project FreEBIT
Physica Scripta T80, 502 (1999).
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[ 6 ] A. J. González Martínez, J. R. Crespo López-Urrutia, J. Braun, G. Brenner, H. Bruhns, A. Lapierre,
V. Mironov, R. Soria Orts, H. Tawara, M. Trinczek, J. Ullrich, J. H. Scofield:
State-Selective Quantum Interference Observed in the Recombination of Highly Charged Hg75+...
78+ Mercury Ions in an Electron Beam Ion Trap
Physical Review Letters 94, 203201 (2005).
[ 7 ] J. Ullrich, R. Moshammer, A. Dorn, R. Dörner, L. Ph. H. Schmidt, H. Schmidt-Böcking:
Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes
Reports on Progress in Physics 66, 1463 (2003).
Referenzen und weiterführende Links
[ 5 ] Homepage der Heidelberger EBIT
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