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  • HIWI-Job an PENTATRAP (Bachelorarbeit bereits vergeben):
    pdf, 6.11 MB

 

PENTATRAP Projekt

Motivation

Das neue Penningfallen-Projekt PENTATRAP für hochpräzise Massenmessungen an hochgeladenen stabilen Ionen, das Tests fundamentaler Symmetrien und Konstanten ermöglichen soll, wird zurzeit am MPIK aufgebaut. PENTATRAP strebt eine relative Genauigkeit der Massenmessungen von δm/m <= 10-11 an. Hierdurch wird es beispielsweise möglich sein, die obere Grenze der Neutrinomasse im Bereich des Elektroneneinfangs experimentell mit einer Genauigkeit von ~1eV zu bestimmen [1]. Ein anderes Beispiel ist der Test der Quantenelektrodynamik im bislang wenig erforschten Bereich extrem starker Felder.

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Experimenteller Aufbau

Das PENTATRAP Experiment wird an die Heidelberger EBIT [2] angeschlossen werden (siehe Abb.1), oder später an das HITRAP Projekt an der GSI [3], wo die zu untersuchenden Ionen erzeugt werden.

Skizze des geplanten experimentellen Aufbaus
Abbildung 1: Skizze des geplanten experimentellen Aufbaus: hochgeladene Ionen werden entweder von der Heidelberger EBIT oder später vom HITRAP Experiment geliefert und treten von oben in die PENTATRAP-Anlage. Ionenoptische Elemente werden die Ionen zum Fallenturm führen, der sich innerhalb des supraleitenden 7 T Magneten befindet. (b) Aufbau, der die Penningfalle umgibt. Die Falle wird durch den Flüssighelium-Kryostaten des Magnets gekühlt und befindet sich in einer Vakuumkammer. Sie kann an den Magnetfeldlinien ausgerichtet werden. Die angeschlossene Elektronik wird unterhalb der Falle in einer eigenen Vakuumkammer untergebracht. - für Vergrößerung klicken

Anschließend werden die hochgeladenen Ionen durch ionenoptische Elemente in die Penningfallen-Anlage geführt, die sich innerhalb eines supraleitenden 7 T Magneten befindet (siehe Abb. 2).

supraleitender 7 T Magnet
Abbildung 2: supraleitender 7 T Magnet im temperaturgeregelten PENTATRAP-Labor. - für Vergrößerung klicken

Der Fallenturm sowie die Nachweiselektronik werden von einer 4 K Umgebung umschlossen sein. Eine verschieb- und schrägstellbare Bühne gestattet die online-Ausrichtung der Penningfalle in Richtung der Magnetfeldlinien. Um stabile und gut kontrollierte Umgebungsbedingungen zu gewährleisten, wird der Aufbau zusätzlich in einem Raum mit Temperaturschwankungen unterhalb 0.1 K untergebracht. Um Störeffekte durch Vibrationen zu minimieren, wird der Magnet auf pneumatischen Antivibrations-Kissen gelagert. Zudem wird eine Stabilisierung des Heliumpegels und des Gasdrucks im Flüssighelium-Dewargefäß des Magnets implementiert. Es wird eine leistungsstarke Regelung des Magnetfeldes durch Fluxgate Magnetometrie eingesetzt werden, um Schwankungen der vertikalen Komponente des Erdmagnetfeldes zu korrigieren.

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Penningfallen-System

Die Massenbestimmung eines Ions in einer Penningfalle erfolgt über die Messung seiner freien Zyklotronfrequenz

νc = 1/(2π) ⋅ qB/m ,

wo q/m das Ladungs-Masse-Verhältnis des Ions ist und B das magnetische Feld. Um die höchste Genauigkeit zu erzielen, werden ausschließlich relative Massenmessungen durchgeführt, bei denen das Magnetfeld über einen Massevergleich kalibriert wird. Somit muss das Frequenzverhältnis zwischen einem "Ion of Interest" (IOI) und einem Referenzion (RI) abwechselnd gemessen werden. Deshalb stellen nicht festgestellte Schwankungen des B-Feldes eine der wesentlichen Unsicherheiten dar, die die Genauigkeit von hochpräzisen Massenmessungen limitieren.

An PENTATRAP wird ein neuartiges Fallensystem (siehe Abb. 3 und 4), bestehend aus fünf unabhängigen Fallenregionen, hochpräzise Frequenzmessungen ermöglichen. Alle Fallen sind zylindrische Fünf-Pol-Penningfallen [4].

Prototyp des Fallenturms
Abbildung 3: Prototyp des Fallenturms. Die Elektroden bestehen aus sauerstofffreiem Kupfer und werden durch Saphir-Ringe isoliert. - für Vergrößerung klicken
Skizze des Penningfallen-Stapels
Abbildung 4: Skizze des Penningfallen-Stapels an PENTA-TRAP. - für Vergrößerung klicken

Die inneren Fallen werden für hochpräzise Massenmessungen eingesetzt werden. Durch Anwendung des Messverfahrens in Abb. 5, ist ein schneller (aber adiabatischer) Austausch der beiden Ionensorten (IOI und RI) während des Messzyklus möglich, ohne Zeitverlust aufgrund von Präparationsprozessen von Ionen. Die untere und die obere Falle des Turmes dienen als sog. "Monitorfallen" der Beobachtung der Magnetfeldschwankungen durch Nachweis der Zyklotronfrequenz eines permanent gespeicherten Ions. Somit lässt sich eine Magnetfeldkorrektur zwischen den beiden Messungen der IOI und der RI durchführen, um die Unsicherheit bei der Massenbestimmung zusätzlich zu reduzieren. Mit einem Satz aus fünf Penningfallen ist eine Vielzahl weiterer Messverfahren denkbar.

Beispiel eines Messzyklus an PENTATRAP
Abbildung 5: Beispiel eines Messzyklus an PENTATRAP. Die Frequenz des Referenzions (RI) wird bei t1 in der zentralen Präzisionsfalle gemessen und das Ion of Interest (IOI) wird währenddessen in einer der Präparationsfallen präpariert. Bei t2 werden die Ionen eine Falle weiter transportiert und die Frequenz des IOI wird in der zentralen Falle gemessen. In einem dritten Schritt werden die Ionen in die Ausgangsposition gebracht und das RI wird erneut gemessen. Während des gesamten Zyklus wird das Magnetfeld durch die Messung der Zyklotronfrequenz zweier gespeicherter Ionen in den Monitorfallen überwacht. Daher ist eine Magnetfeldkorrektur zwischen den beiden Messungen des IOI und des RI durchführbar. - für Vergrößerung klicken

 

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Ionennachweis

Die Frequenzbestimmung wird mit Hilfe der Fourier Transform-Ionen Zyklotron Resonanz (FT-ICR) Nachweistechnik durchgeführt. Hierbei wird der sehr schwache Spiegelstrom (~fA), der durch die Ionenbewegung in den Fallenelektroden induziert wird, zerstörungsfrei nachgewiesen. Um diesen sehr schwachen Strom nachweisen zu können, muss ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet sein. Hierfür sind die Elektroden mit abgestimmten Stromkreisen verbunden, die aus einer high-Q Spule (siehe Beispiel Abb. 6) bestehen, gefolgt von einem hochohmigen Verstärker. Diese Stromkreise befinden sich nahe der Falle in der 4 K Umgebung, da hier das thermische Rauschen reduziert ist und verlustarme supraleitende Stromkreise eingesetzt werden können. Typische Werte sind ein Q-Faktor im Bereich von 104 und ein Spannungsrauschen der Verstärker unter 1 nV/(Hz)^1/2.

Bild der spiralförmigen Kupferspule
Abbildung 6: Bild der spiralförmigen Kupferspule, die für den Frequenznachweis eingesetzt wird.

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Referenzen

[1]  K. Blaum, Yu. Novikov, G. Werth, Contemp. Phys. 51(2), 149 (2010)
[2]  J. Crespo López-Urrutia, et al., Rev. Sci. Instrum.75(5), 1560 (2004)
[3]  H.-J. Kluge et al., Dav. Quantum Chem. 53 (2008) 83.
[4]  G. Gabrielse, L. Haarsma, S. L. Rolston, Int. J. Mass Spectrom. Ion Process. 88(2-3), 319 (1989)

Kommentare

Die Forschungsarbeiten im Rahmen des PENTATRAP Projekts stehen in enger Verbindung mit der Zielsetzung des Extreme Matter Institutes (EMMI) externer Link an der GSI/Darmstadt externer Link. Das Institut wurde von der im November 2007 geschlossenen Helmholtz Allianz "Extremes of Density and Temperature: Cosmic Matter in the Laboratory" errichtet. Diese Allianz verbindet die GSI mit 7 nationalen Partnern (darunter das Max Planck Institut für Kernphysik) sowie 4 internationalen Partnern. Mit EMMI soll eine in Europa einmalige Struktur zur interdisziplinären Erforschung von Materie unter extremen Bedingungen entstehen.

HIWI-Job an PENTATRAP

Poster (Bachelorarbeit bereits vergeben): pdf, 6.11 MB

Die PENTATRAP-Gruppe bietet eine HiWi-Stelle an. (Arbeits- und Bezahlungszeitraum nach Vereinbarung.)
Zum Testen von Komponenten bei Temperaturen von 4K besitzt unsere Gruppe zwei Pulsröhren-Kühler. Davon muss einer betriebsbereit gemacht und der andere Instand gesetzt werden. Eine weitere Aufgabe bestünde darin, einen ultra-hochsensiblen Ladungsverstärker zu bauen und zu testen. Für die Bearbeitung beider Themen sind Elektronikkenntnisse von Vorteil, aber keine Voraussetzung.

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