Ionen in der Falle - Indico

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GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Ionen in der Falle
CRYRING@ESR und HITRAP
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Frank Herfurth
Überblick
Was wollen wir messen? Warum?
Warum hochgeladene Schwerionen?
Uranion 91+
Wir sperren Ionen ein. Warum? Wie?
Eine Ionenfalle und ein Speicherring.
„HITRAP“ und „CRYRING“
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Sternenlicht
wikipedia.org
http://solarscience.msfc.nasa.gov
Sonne
Fraunhoferlinien - 1814
„Lamb“verschiebung - 1947
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
http://www.nobelprize.org
www.conrad.de
Balmer Serie - 1885
Wasserstoff
Bohr Modell
des Wasserstoff
+ Relativistik,
Elektronspin
(Dirac)
+ elektromagnetisches
Feld + „Nichts“
(QED)
Lambverschiebung
- Startpunkt der
Quantenelektrodynamik
http://www.nobelprize.org
...
Willis E. Lamb
Nobelpreis 1955
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Wahrscheinlichkeit
Hubble, nasa.gov, Krebsnebel in Falschfarben
Entstehung der schweren Elemente
Überreste einer Supernova
p
+
ZA
=
Z+1A
=
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Gamow “Fenster“
Sternenstaub
Energie (Temperatur)
Wie wahrscheinlich sind bestimmte
Reaktionen? – Messung!
Anpassen der Modelle an Labordaten
um Supernovae zu modellieren und
verstehen
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Warum möchten wir hochgeladene Ionen?
•
Das einfachste atomare System ist Wasserstoff
(1 Proton + 1 Elektron)
• Leicht zu berechnen, präzise zu messen
(1s2s – 10-15)
•
Wasserstoff
Ähnlich einfach = “wasserstoffähnliches” Schwerion
(1 Kern + 1 Elektron)
• Genaue Rechnungen verfügbar
• Große QED Effekte, aber auch Kerneffekte
•
Hochgeladenes Schwerion
•
•
Hohe Kernladungszahl Z = Großes Elektrisches Feld – nirgends sonst
verfügbar
Kernreaktionswahrscheinlichkeit viel kleiner als
Reaktionswahrscheinlichkeit mit der Elektronenhülle eines Atoms
•
Um Kernreaktionen hervorzuheben – alle Elektronen entfernen
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Uranion 91+
Schwere, hochgeladene Ionen herstellen
Mit Elektronen beschießen
Durch Elektronen schießen
Metallfolie
(voller Elektronen)
•
•
recht klein und einfach
Temperaturion ~ eV/q
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
•
•
schnell und effizient
funktioniert auch mit
Millionen von Uranionen
Zwischenstand
Wir beobachten hochgeladene Schwerionen
um Theorien zu überprüfen und zu verbessern
Quantenelektrodynamik (QED), Kernmodelle, ...
Daten für unser Verständnis der Entstehungsprozesse der
Elemente im Universum zu sammeln
...
Wir produzieren hochgeladene Schwerionen mit einer
Beschleunigeranlage (GSI/FAIR)
Für genaue Messungen müssen wir aber noch
– Ort
– Beobachtungszeit
– Energie
kontrollieren.
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Ionen im Magnetfeld
Magnetfeld
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Ionen im Magnetfeld
Magnetfeld
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F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Solenoid, Zylinderspule - supraleitend
https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_magnet
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Ionenfalle (Penningfalle)
Penningfallen
B
Zyklotronfrequenz:
z0
1 q
⋅ ⋅B
νc =
2π m
r0
+ q/m
H. Dehmelt, W. Paul – Nobelpreis 1989
Axial (z)
ν c = ν + +ν −
http://www.nobelprize.org
Magnetron (-)
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mod. Zyklotron (+)
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Dipolmagnet
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F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Speicherring
Dipolmagnete bringen den Ionenstrahl auf eine
Kreisbahn (hier für CRYRING@ESR 12 Stück)
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Zwischenstand
Wir beobachten hochgeladene Schwerionen
um Theorien zu überprüfen und zu verbessern
Quantenelektrodynamik (QED), Kernmodelle, ...
Daten für unser Verständnis der Entstehungsprozesse der
Elemente im Universum zu sammeln
...
Wir produzieren hochgeladene Schwerionen mit einer
Beschleunigeranlage (GSI/FAIR)
Für genaue Messungen kontrollieren wir Ort und Zeit
Abbremsen und Kühlen um Energie zu kontrollieren
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Zur Kontrolle von
– Ort
– Beobachtungszeit
– Energie
Kühlen mit Elektronen
1. Kalte Elektronen herstellen
2. Ionen in kalten Elektronen ”baden”
3. Ionen und Elektronen trennen
4. Nachfüllen (oder abkühlen) der Elektronen
im Speicherring
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
in Ionenfalle
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Kühlen mit Licht
Zur Kontrolle von
– Ort
– Beobachtungszeit
– Energie
in Ionenfalle
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Zur Kontrolle von
– Ort
– Beobachtungszeit
– Energie
Einsperren = Speichern = Kontrolle
+B
+E
Kleine Kreise = “Fallen”
Axiale Bewegung
νz
Große Kreise = “Speicherringe”
Zyklotron Bewegung
ν+
ν-
Magnetron Bewegung
Durchmesser ~ wenige Millimeter
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Durchmesser ~ mehrere Meter
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Die Beschleunigeranlage in Darmstadt
SIS100
SIS
UNILAC
ESR
S-FRS
HESR
Deutschland, Finnland,
Frankreich, Indien, Polen,
Rumänien, Russland,
Schweden und Slowenien
Großbritannien (assoziiert)
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CR
NESR
FLAIR
LSR/CRYRING
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
HITRAP und CRYRING@ESR in Darmstadt
SIS
UNILAC
Ionenfallenanlage
HITRAP
ESR
Speicherring
CRYRING@ESR
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CRYRING in Stockholm + GSI/FAIR
Experimente von 1992 bis 2012
~ 200 verschiedene Ionen
einfach geladene Ionen (pos. & neg.)
mehrfach geladene Ionen
Molekül - Ionen (pos. & neg.)
+ schwere, hochgeladene Ionen +
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F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Transport von Schweden nach Darmstadt
> 10 LKW mit Komponenten
Nov. 2012
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung mbH
A. Kaellberg, Manne Siegbahn Laboratory, Stockholm
März 2013
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
CRYRING@ESR im neuen “Bunker”
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
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F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Jan. 2014
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F. Herfurth "Ionen in der Falle"
März 2014
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Dez. 2014
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
2016
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Warum dauert das so lange?
Neustart
SIS/ESR
Wir sind hier.
Idee
2012
2013
2014
Transport
zur GSI
Umbau Halle
Richtfest
Strom, Wasser, Licht, Aufbau
der Komponenten.
2015
2016
Erste Ionen von
der Quelle
2017
2018
Inbetriebnahme
Erste Ionen
@ 300 keV/u
Gespeicherte
Ionen
Ausheizen
Aufbau und
Test des
1. Experiments
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Flug entlang der Ionenbahn
Mit Dank für die Flugkünste an Andreas Bonin
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
Ionen in der Falle – HITRAP und CRYRING
Wir beobachten hochgeladene Schwerionen
um Theorien zu überprüfen und zu verbessern
Quantenelektrodynamik (QED), Kernmodelle, ...
Daten für unser Verständnis der
Entstehungsprozesse der Elemente im
Universum zu sammeln
...
Wir produzieren hochgeladene Schwerionen
mit einer Beschleunigeranlage (GSI/FAIR)
Für genaue Messungen müssen wir
Ort, Beobachtungszeit und Energie kontrollieren
Ionenfallen und Speicherringe
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
F. Herfurth "Ionen in der Falle"
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