ELCOTRAP
Die zunehmende Präzision der gegenwärtigen Penning-Fallen-Experimente treibt den Bedarf an immer besseren Kühltechniken. Mit dem ELCOTRAP-Experiment wird eine neue Kühltechnik realisiert, mit der einzelne hochgeladene Ionen oder Protonen/Antiprotonen auf Temperaturen nahe des quantenmechanischen Grundzustandes abgekühlt werden können. Die extrem niedrigen erwarteten Temperaturen eröffnen ein spannendes neues Feld für Messungen von Atommassen oder g-Faktoren, einschließlich der Untersuchung der CPT-Symmetrie, Tests des Standardmodells und der Quantenelektrodynamik, sowie der Bestimmung von Fundamentalkonstanten.
Das Kühlmedium für diese Technik ist eine Elektronenwolke, die in einer speziellen Penning-Falle gespeichert wird: Die schnell oszillierende Zyklotronbewegung der Elektronen in einem starken Magnetfeld führt zur spontanen Emission von Photonen, die nur durch die thermischen Photonen der Umgebung (hier auf 4 K gekühlt) entgegengewirkt wird, was zu einer mittleren Zyklotronquantenzahl von ~1 im thermischen Gleichgewicht führt.
Das Einstrahlen von Millimeterwellen mit einer charakteristischen Frequenz, durch die die Zyklotron- und Axialbewegung des Elektrons gekoppelt wird, führt zu einer Thermalisierung der axialen Bewegung auf das selbe quantenmechanische Energieniveau.
Schließlich wird die axiale Bewegung der Elektronen mit der Zyklotronbewegung eines beliebigen Teilchens (z.B. Ion) in einer räumlich entfernten Penningfalle gekoppelt, wobei Spiegelströme, die in den jeweiligen Fallenelektroden induziert werden, als vermittelndes Medium dienen. Dies ist möglich indem durch Variation des axialen Speicherpotentials die axiale Frequenz des Elektrons auf die konstante Zyklotronfrequenz des zu kühlenden Teilchens abgestimmt wird.
Um die technischen Herausforderungen des ELCOTRAP-Projekts bewältigen zu können, wurde das Experiment speziell so ausgelegt dass es einen modularen und iterativen Entwicklungsablauf unterstützt. Der Aufbau lässt sich in eine "Experimentierplattform", die alle üblichen Merkmale eines Penningfallen-Experiments bietet, und eine modulare "Experimentierkammer" unterteilen, die den eigentlichen Penningfallen-Aufbau und die Elektronik enthält und speziell für die jeweilige Aufgabe ausgelegt werden kann.
Im Zentrum der Experimentierplattform steht ein supraleitender Magnet mit einer Feldstärke von 7 T, dessen horizontale Bohrung es ermöglicht das Experiment mit Hilfe von Linearschienen leicht in den Magneten einzuführen bzw. aus ihm herauszuziehen.
Die innere Experimentierkammer wird über einen geschlossenen Kühlkreislauf in weniger als 12 Stunden auf 4 K abgekühlt und kann über eingebaute Heizelemente in wenigen Stunden auf Raumtemperatur erwärmt werden. In Kombination mit einem speziell auf den schnellen Zugang zur Experimentierkammer zugeschnittenes Hardware-Design sind damit sehr schnelle Entwicklungszyklen möglich.
Eine neu entwickelte thermische Verbindung öffnet beim Aufwärmen des Experiments automatisch die thermische Verbindung des Hitzeschilds und ermöglicht so den direkten Zugang zur 4 K-Stufe, ohne dass eine weitere Demontage von Zwischenstufen erforderlich ist.
Aufgrund des modularen Aufbaus hat sich das ELCOTRAP Experiment bereits als wertvoller Prüfstand für die Charakterisierung von Geräten/Elektronik in einer kryogenen Umgebung mit hohen Magnetfeldern erwiesen.
Phase I
Die erste Experimentierphase war für allgemeine Tests der Experimentierplattform und eine präzise Charakterisierung des Magnetfelds vorgesehen. Sie umfasste eine einzelne fünfpolige Penning-Falle mit einer integrierten Elektronenstrahl-Ionenquelle, die erfolgreich zur Erzeugung von Sauerstoff- und Kohlenstoffionen bis zu einem Ladungszustand von +6 eingesetzt wurde.
Phase II
Die zweite Phase umfasst eine hochspezialisierte Elektronenfalle, welche als Hohlraumresonator für Millimeterwellen ausgelegt ist und somit ein Treiben des Axial/Zyklotron-Seitenbandes der Elektronen ermöglicht. Ziel ist es, die Millimeterwellen-Einkopplung und einen mechanischen Hohlraum-Abstimmungsmechanismus zu charakterisieren und schließlich die Axial/Zyklotron Kopplungsrate und die Endtemperaturen der Teilchen zu ermitteln.
Phase III
In der dritten Phase wird die Elektronenfalle aus Phase II mit einer für sympathetische Kopplung optimierten Ionenfalle kombiniert, um die Kopplungsrate zwischen einem einzelnen hochgeladenen Ion und den Elektronen zu realisieren und zu optimieren.