Speicherung und Kühlung geladenener Teilchen

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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
Penningfalle
Prinzip:
elektrisches
Wechselfeld
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
d 2 r e(U 0  V0 cos(t ))

r0
2
2
dt
mr0
d 2 z 2e(U 0  V0 cos(t ))

z0
2
2
dt
mr0
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 Teilchens
Aus dem gemittelten statischen ‚Pseudopotential‘,
können die Bewegungsgl. abgeleitet werden.
 qu

u (t )  1  cos(t ) cos(t   )
2


• Mikrobewegung: getriebene Schwingung mit fester
Phasenbeziehung zum Führungsfeld
• Makrobewegungen: freie Schwingungen der Ionen in
dem zeitlich gemittelten Potential
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
..
..
.
mr = q(Er + r × B)
mz = qEz
Lösung ist Überlagerung von 3 unabhängigen
Schwingungen
 
c
2

q
c  B
m
c 2
4

z2
2
qV0
z 
md 2
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
ISOLTRAP
Erzeugung 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
3.  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
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