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Max-Planck-Gesellschaft Max-Planck-Institut für Kernphysik Universität Heidelberg
Abteilung für gespeicherte und gekühlte Ionen
 
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Der Kryogene Speicherring CSR

Der elektrostatische kryogene Speicherring CSR, der für atomare, molekulare und Clusterphysik-Experimente bei kryogenen Temperaturen entwickelt wurde, konnte im März 2015 erfolgreich in Betrieb genommen werden. In dieser ersten kryogenen Betriebsperiode konnten Temperaturen unter 10 K in einer Testphase von fast 4 Monaten erreicht werden. Damit wurden alle angestrebten Designziele des CSRs erfolgreich realisiert. Im nächsten Schritt wurde der Elektronenkühler in den CSR eingebaut. Der Elektronenkühler wurde ab 2017 bis jetzt in insgesamt 4 kryogenen Strahlperioden von je 9-12 Wochen für Experimente mit kalten Atom-, Molekül- und Clusterionen verwendet.

Der CSR besteht aus einem Experimentier-Vakuumsystem, das durch integrierte Pumpeinheiten, die bei 2 K arbeiten, unter 10 K gehalten wird. Zwei Strahlungsschilde bei 40 und 80 K umschließen die Experimentier-Vakuumkammern. Ein äußeres Vakuumsystem, das als Kryostat wirkt, liefert ein Isolationsvakuum von 10-6 mbar. Der rein elektrostatische Speicherring mit einem Umfang von etwa 35 m besteht aus vier um 90o gebogenen Ecken und vier feldfreien geraden Abschnitten die für die Strahldiagnose, einen Elektronenkühler (ECOOL), ein Reaktionsmikroskop (REMI, noch in Vorbereitung) und für Experimente mit überlagerten neutralen Atomstrahlen verwendet werden, siehe Abbildung 1.

Konstruktionsmodell des Speicherringes.
Abbildung 1: Konstruktionsmodell des Speicherringes mit den elektrostatischen ionenoptischen Elementen (vergrößert dargestellt), der Injektionsstrecke, dem Elektronenkühler (ECOOL, gerader Abschnitt rechts) und dem Reaktionsmikroskop (REMI, gerade Strecke links).

Bereits 2014 war der CSR fast vollständig aufgebaut und es konnte ein Ar+-Strahl erfolgreich gespeichert werden. Zweck dieser Experimente war die Überprüfung der Funktionsweise des Speicherringes sowie die Überprüfung der Stabilität der elektrostatischen Felder, die mit insgesamt 112 Elektroden in 24 Elementen erzeugt werden. Nach diesen Tests dauerte es fast ein Jahr, bis der kryogene Betrieb des CSRs vorbereitet war. In dieser Periode wurden insgesamt 210 m Heliumrohre aus rostfreiem Stahl verlegt sowie etwa 140 m2 an Abschirmungen und Superisolierungen montiert. Abbildung 2 zeigt den CSR während dieser Montageperiode. In der zweiten Inbetriebnahme-Phase im Jahr 2015 wurden die Experimentier-Vakuumkammern des CSR innerhalb von 18 Tagen auf eine Durchschnittstemperatur von etwa 6 K abgekühlt. Diese Umgebungstemperatur ermöglicht die Kühlung von Rotationen und Vibrationen von Molekülen und Metallclustern sowie die Untersuchung der Eigenschaften von Molekülen im Grundzustand.

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Der CSR im November 2014, einige Monate vor der ersten erfolgreichen Abkühlung.
Abbildung 2: Der CSR im November 2014, einige Monate vor der ersten erfolgreichen Abkühlung.

Um das extrem hohe Vakuum zu untersuchen, wurde der Elektroneinfangprozess Ar+ + e- → Ar im Restgas während des gesamten Abkühlprozesses kontinuierlich beobachtet. Die Rekombinationsrate der neutralen Ar-Atome fiel bei niedrigen Temperaturen unter die Dunkelzählrate des Detektors, da die Rate der Kollisionen der Ar+-Ionen mit dem Restgas mit der abnehmenden Anzahl der Restgaspartikeln sehr stark abnahm. Aus der Rekombinationsrate sowie der Geometrie des Rings und des experimentellen Aufbaus konnte ein Restgasdruck von unter 10-14 mbar und eine Restgasdichte von weniger als 140 Partikeln pro cm3 abgeschätzt werden.

Darüber hinaus wurden Lebensdauern bei verschiedenen atomaren und molekularen Ionensorten untersucht. Eine Abhängigkeit zwischen der Lebensdauer und der Masse konnte beobachtet werden. Das Silberdimer Ag2- war eine der größten bisher gespeicherten Ionenmassen. Für das Silberdimer mit einer Energie von 60 keV wurde eine Lebensdauer von 2717 s gemessen (siehe Abbildung 3).

Im CSR gemessene Lebensdauer von Silberdimeren Ag2-.
Abbildung 3: Im CSR gemessene Lebensdauer von Silberdimeren Ag2-. Für Ag2- wurde eine Lebensdauer von ca. 45 min erreicht.

Bisher lagen die Ionenenergien für einfach geladene Ionen, Moleküle und Cluster im Bereich von 35 bis 280 keV. Die folgenden positiven und negativen Ionen wurden in den letzten fünf Jahren gespeichert: HD+, H3+, D2+, H2D+, HeH+, C-, CH+, O-, OH+, OH-, F6+, C2-, Si-, Ar+, C4O-, TiO+, Al4-, Ni2-, Co2-, Co3-, Au-, Ag2-, Co4+.

Die in diesen Experimenten verwendeten unterschiedlich geladenen Ionen wurden von seit Jahrzehnten im Institut betrieben und bewährten Ionenquellen erzeugt, von Penning-, MISS- (Metallionen-Sputterquelle) und einer ECR-Quelle, die auf zwei verschiedenen elektrostatischen Plattformen mit maximalen Spannungen von ± 300 kV bzw. ± 60 kV betrieben wurden. Die typische Ionenströme lagen im Bereich von 1 nA bis 1 μA.

Der injizierte Ionenstrahl kann von Strahldetektoren, einer vor dem CSR und von drei weiteren, die sich im CSR befinden, beobachtet und ausgerichtet werden. Die Strahldetektoren bestehen aus einer Aluminiumplatte, auf der Sekundärelektronen erzeugt werden, wenn sie vom Ionenstrahl getroffen werden. Unter Verwendung eines auf Hochspannung gelegten Gitters werden die Elektronen in Richtung eines MCP-Phosphorschirms mit 40 mm Durchmesser beschleunigt. Das Bild des Strahls wird mit einer CCD-Kamera aufgenommen.

In den beiden Injektionsstrahlrohren wird ein kontinuierlicher Ionenstrom, der von einer Ionenquelle geliefert wird, durch schaltbare elektrostatische Deflektoren gepulst. Der erste 60-Deflektor, auf den die Ionen nach dem Eintritt in den CSR treffen, dient als Injektionselement des Rings. Seine Spannung wird zu Beginn eines Injektionszyklus abgeschaltet. Ionen vom Injektor können dann in den CSR solange eintreten, bis die Deflektor-Spannung auf ihre Nennwerte ansteigt und somit die Speicherung eines Ionenstrahls ermöglicht. Die Pulslänge der injizierten Ionen kann durch Einstellen der Öffnungszeit des Choppers im Injektionsstrahlrohr eingestellt werden. Die von der Injektion geprägte Zeitstruktur (vgl. Abbildung 4) ändert sich während der Speicherung und verschwindet nach etwa 104 Umläufen vollständig.

In der Diagnosesektion werden zwei kapazitive Pickups verwendet, um die Zeitstruktur des zirkulierenden Ionenstrahls zu erfassen. Diese Pickups mit 100 mm Innendurchmesser unterscheiden sich in ihrer Länge. Der kurze Pickup (Strom-Pickup) mit einer Länge von 30 mm dient zur Bestimmung der durch Influenz erzeugten Spannung des zirkulierenden Ionenstrahls. Der lange Pickup (Schottky-Pickup, l = 340 mm) ermöglicht die Messung des Schottky-Rauschens des gespeicherten Ionenstrahls. Mit dem Strom-Pickup können die Injektion des Ionenstrahls sowie die ersten Umläufe des Ionenstrahls direkt beobachtet werden. Die induzierte Spannung des Strom-Pickups als Funktion der Zeit ist in Abbildung 4 dargestellt. Aus der gemessenen Spannung kann die Anzahl der injizierten Ionen bestimmt werden.

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Gemessenes (blau) Strom-Pickup-Signal
Abbildung 4: Bei einem 60 keV 40Ar+-Ionenstrahl gemessenes (blau) Strom-Pickup-Signal. Die rote Linie ist eine Simulation, die für N=6·107 injizierte Ionen, unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Schottky-Pickup, durchgeführt wurde.

Die durch den Injektionsprozess auf den gespeicherten Ionenstrahl geprägte Zeitstruktur verschwand nach weniger als 1 s Speicherzeit. Im Gegensatz dazu kann das Schottky-Rauschsignal des gespeicherten Ionenstrahls bis zu sehr langen Speicherzeiten von ca. 1000 s beobachtet werden. Rauschleistungsspektren des verstärkten Schottky-Signals für 60 keV Co2--Ionen (A= 118, f0=8.915 kHz) sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Schottky-Frequenzen wurden bei dem 20-fachen der Umlauffrequenz gemessen.

Nach dem Verlust der Zeitstruktur des injizierten Ionenstrahls aufgrund der Impulsunschärfe kann die Intensität des gespeicherten Ionenstrahls mit dem Schottky-Pickup gemessen werden. Er detektiert das Schottky-Rauschen des gespeicherten Ionenstrahls. Abbildung 5 zeigt die gemessene Schottky-Leistung eines gespeicherten Co2--Ionenstrahls zu verschiedenen Zeiten nach der Injektion. Die Schottky-Spektren wurden bei der 20ten Harmonischen der Umlauffrequenz bei verschiedene Speicherzeiten aufgenommen. Mit diesem Pickup wurden ca. 108 injizierte Ionen nachgewiesen. Das Schottky-Signal blieb solange sichtbar, bis etwa 2·107 Ionen bei einer Speicherzeit von 1200 s erreicht wurden.

Gemessene Schottky-Spektren
Abbildung 5: Gemessene Schottky-Spektren von Co2--Ionen (E = 60keV), die bei verschiedenen Zeiten gemessen wurden.

Ein wesentlich empfindlicheres Verfahren zum Erfassen schwacher, gespeicherter Ionenstrahlen besteht darin, den gespeicherten Ionenstrahl unter Verwendung eines Hochfrequenzsystems zu "bunchen". Das HF-System besteht aus einer 340 mm langen Driftröhre, die von einem HF-Signal mit einer Amplitude von 1 bis 20 V und einer Frequenz im Bereich von 100 bis 500 kHz betrieben wird. Bei einen Al4--Ionenstrahl gemessene Ionenstrahl-"Bunche" sind in Abbildung 6 dargestellt. In diesem Experiment wurden etwa 5·106 Al4--Ionen mit einer Energie von 275 keV in den CSR injiziert. Die HF-Frequenz (frf=159.73 kHz) wurde auf das 8-fache der Umlauffrequenz eingestellt (f0=1/T0, T0=50.1 μs). Da etwa nur die Hälfte des Rings mit einer Injektion gefüllt wurde, sind die Bunche nur in der Hälfte einer Umlaufperiode sichtbar (siehe Abbildung 6).

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Bei einem Al4- Strahl gemessene Ionen-Bunche.
Abbildung 6: Bei einem Al4--Strahl gemessene Ionen-Bunche.

Die Positionen der Umlaufbahn des gespeicherten und gebündelten Ionenstrahls kann mit sechs horizontalen und sechs vertikalen Strahlpositionsmonitoren (BPMs) gemessen werden, die entlang des Rings verteilt sind. Ein einzelner Strahlpositionsmonitor besteht aus einem zylindrischen, kapazitiven Pickup mit einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Länge von 60 mm, der entlang der Diagonale in zwei Elektroden aufgeteilt ist. Für die Positionsmessungen wird eine Elektrode des Paares unter Verwendung eines Kryo-Relais mit einem Verstärker verbunden, während die andere geerdet wird. Die Strahllagemessung wird dann mit vertauschten Verbindungen wiederholt. Der Schwerpunkt des Ionenstrahls im Strahlpositionsmonitor wird aus der Differenz der Signalamplituden in den beiden Messungen berechnet, wobei das Differenzsignal auf das Summensignal normiert wird. Strahlpositionsmessungen wurden durchgeführt, um die geschlossene Umlaufbahn des gespeicherten Ionenstrahls zu messen. Weiter wurde die Dispersion des Speicherrings mit den Strahlpositionsmonitoren bestimmt. Bei diesen Messungen wurde ein Ar+-Ionenstrahl in den CSR injiziert. Danach wurde die geschlossene Umlaufbahn geändert, indem alle elektrostatischen Potentiale um die gleiche relative Änderung ΔU/U variiert wurden. Dies führte zu einer horizontalen Verschiebung Δx der Schwerpunktposition des gespeicherten Ionenstrahls, aus der die Dispersion Dx berechnet werden kann: Dx=-2Δx/(ΔU/U). Da alle Strahlpositionsmonitore an äquivalenten Positionen des Speicherrings installiert sind, sollte die Dispersion bei den sechs horizontalen Strahlpositionsmonitoren identisch sein. Die Messungen ergaben eine durchschnittliche Dispersion von Dx=2,2 m für die Standardeinstellung des CSRs, während die einzelnen gemessenen Dx-Werte im Bereich von 2.08 m bis 2.28 m variierten. Berechnungen unter Verwendung des G4beamline-Codes, bei denen Ionen durch realistisch modellierte Felder des Speicherrings verfolgt wurden, ergaben für den verwendeten Arbeitspunkt eine Dispersion von Dx=2.14 m.

Der CSR ist außerdem mit einem Elektronenkühler ausgestattet, der auch als Elektronentarget für hochauflösende Rekombinationsexperimente verwendet wird. Übliche thermische Elektronenquellen mit typischen Energie-Unschärfen in der Größenordnung von 100 meV sind nicht für die Elektronenkühlung bei niedrigen Ionengeschwindigkeiten geeignet. Um eine viel kleinere Energie-Unschärfe des Elektronenstrahls zu erhalten, wird im Elektronentarget eine Photokathode verwendet, die mit einem Laser bestrahlt wird. Der Elektronenstrahl wird wie bei einem herkömmlichen Elektronenkühler von Magnet- und Toroidfeldern geführt. Das Schema, mit dem der Elektronenstrahl und der Ionenstrahl zusammengeführt werden, ist jedoch unkonventionell. Es weicht vom Standardschema ab, bei dem Toroide verwendet werden, um den Elektronenstrahl mit dem Ionenstrahl zu überlappen. Bei den niedrigen Ionengeschwindigkeiten im CSR verursacht das Toroidfeld, insbesondere für leichte Ionen, Ablenkungen der Ionenbahnen, die mit einfachen Dipolkompensationsspulen nicht korrigiert werden können. Aus diesem Grund werden im Elektronentarget keine Toroide verwendet um den Elektronenstrahl mit dem Ionenstrahl zu überlappen (vgl. Abbildung 7), vielmehr wird der Elektronenstrahl oberhalb des Ionenstrahls gebogen und dann mit einem Dipolfeld auf die Strahlachse geführt.

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Schema des CSR-Elektronenkühlers mit den magnetischen Führungsfeldern des Elektronenstrahls.
Abbildung 7: Schema des CSR-Elektronenkühlers mit den magnetischen Führungsfeldern des Elektronenstrahls. Durch die teilweise Überlagerung des Solenoid- und Dipol -Feldes (grün) wird der Elektronenstrahl mit dem Ionenstrahl zusammengeführt.

Mit zwei Sätzen von Korrekturspulen, die sich vor und hinter dem Elektronentarget befinden, werden die Ionenbahnen korrigiert. Das magnetische Führungsfeld der Elektronen ermöglicht auch eine Ausdehnung des Elektronenstrahls, mit der die transversale Elektronentemperatur reduziert werden kann. Das typische Magnetfeld im Hauptmagneten des Elektronentargets beträgt etwa 100 Gauß.

Nach dem Einbau des Elektronentargets in den CSR und den erfolgreichen Tests des Elektronenstrahltransports durch den Elektronenkühler wurden Elektronenkühlungsexperimente am CSR durchgeführt. Die longitudinale Elektronenkühlung wird am Beispiel eines HeH+-Ionenstrahls in Abbildung 8 gezeigt. Die Ionenstrahlenergie in diesem Experiment betrug 250 keV, die einer Umlauffrequenz von 88.251 kHz entspricht. Das "Bunchen" des Ionenstrahls wurde bei einer harmonischen Zahl von 4 durchgeführt. Da nur 75% des Ringumfangs mit der Injektion gefüllt wurde, sind nach der Injektion nur drei "Bunche" sichtbar. Der in Abbildung 8 gezeigte Zeitbereich T0=11.3 μs entspricht einem Umlauf. Die in diesem Experiment verwendete Elektronenenergie betrug 27.32 eV. Für den Expansionsfaktor wurde ein Wert von α=21.59 gewählt, bei dem die Elektronendichte 6.55·105 cm-3 betrug.

Longitudinale Elektronenkühlung eines 250 keV HeH+ Ionenstrahls. Die Bunche wurden mit dem Schottky-Pickup gemessen.
Abbildung 8: Longitudinale Elektronenkühlung eines 250 keV HeH+-Ionenstrahls. Die Bunche wurden mit dem Schottky-Pickup gemessen. Die Elektronenkühlung wurde bei t=3 s eingeschaltet. Die Entwicklung der Bunche während der Elektronenkühlung ist blau markiert. Die Wellenformen wurden in Schritten von 300 ms aufgezeichnet.

Mit Hilfe einer Analyse der in Abbildung 8 gezeigten Bunch -Entwicklung konnte eine longitudinale Kühlzeit von 1.4 s für den HeH+-Ionenstrahl bestimmt werden.

Auch transversale Elektronenkühlexperimente an gespeicherten Ionenstrahlen wurden bei Ionenenergien von 250 keV für HeH+-, HD+- und O+-Ionen durchgeführt. In diesen Experimenten wird das transversale Ionenstrahlprofil während der Elektronenkühlung durch Messung der im Elektronstrahl erzeugten neutralen Fragmente bestimmt. Der der Messung zugrundeliegende Prozess ist die dissoziative Rekombination (DR) zwischen den einfach geladenen Molekülen und den freien Elektronen des Elektronenkühlers. Die neutralen Fragmente, die in diesem Prozess entstehen, werden mit einem MCP-Detektor (Durchmesser von 120 mm) erfasst, der sich hinter dem Elektronenkühler befindet. Das Profil des gespeicherten Ionenstrahls wird aus der Verteilung der Schwerpunktpositionen der im DR-Prozess erzeugten neutralen Fragmente berechnet. Für einen HeH+-Ionenstrahl bei einer Elektronendichte von 6.6·105 cm-3 wurde eine transversale Kühlzeit von 1.5 s gemessen, die der longitudinalen Kühlzeit des Ionenstrahls entspricht. Aufgrund der geringeren Masse des HD+-Moleküls wurde für HD+-Ionen bei einer Elektronendichte von 4.3·105 cm-3 eine kleinere transversale Kühlzeit von ca. 1 s bestimmt.

Referenz

Focus: The Coolest Molecular Ion Beams external Link

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Ausgewählte Publikationen

2017


 3.  Radiative Rotational Lifetimes and State-Resolved Relative Detachment Cross Sections from Photodetachment Thermometry of Molecular Anions in a Cryogenic Storage Ring
C. Meyer, A. Becker, K. Blaum, C. Breitenfeldt, S. George, J. Göck, M. Grieser, F. Grussie, E. A. Guerin, R. von Hahn, P. Herwig, C. Krantz, H. Kreckel, J. Lion, S. Lohmann, P. M. Mishra, O. Novotný, A. P. O’Connor, R. Repnow, S. Saurabh, D. Schwalm, L. Schweikhard, K. Spruck, S. Sunil Kumar, S. Vogel, and A. Wolf
Phys. Rev. Lett. 119, 023202 (2017) externer Link

2016


 2.  Photodissociation of an Internally Cold Beam of CH+ Ions in a Cryogenic Storage Ring
A. P. O’Connor, A. Becker, K. Blaum, C. Breitenfeldt, S. George, J. Göck, M. Grieser, F. Grussie, E. A. Guerin, R. von Hahn, U. Hechtfischer, P. Herwig, J. Karthein, C. Krantz, H. Kreckel, S. Lohmann, C. Meyer, P. M. Mishra, O. Novotný, R. Repnow, S. Saurabh, D. Schwalm, K. Spruck, S. Sunil Kumar, S. Vogel, and A. Wolf
Phys. Rev. Lett. 116, 113002 (2016) externer Link
 1.  The cryogenic storage ring CSR
R. von Hahn, A. Becker, F. Berg, K. Blaum, C. Breitenfeldt, H. Fadil, F. Fellenberger, M. Froese, S. George, J. Göck, M. Grieser, F. Grussie, E. A. Guerin, O. Heber, P. Herwig, J. Karthein, C. Krantz, H. Kreckel, M. Lange, F. Laux, S. Lohmann, S. Menk, C. Meyer, P. M. Mishra, O. Novotný, A. P. O’Connor, D. A. Orlov, M. L. Rappaport, R. Repnow, S. Saurabh, S. Schippers, C. D. Schröter, D. Schwalm, L. Schweikhard, T. Sieber, A. Shornikov, K. Spruck, S. Sunil Kumar, J. Ullrich, X. Urbain, S. Vogel, P. Wilhelm, A. Wolf, and D. Zajfman
Rev. Sci. Instrum. 87, 063115 (2016) externer Link