Speicherung und Kühlung geladener Teilchen

Präsentation zum Thema: "Speicherung und Kühlung geladener Teilchen"—  Präsentation transkript:

1 Speicherung und Kühlung geladener Teilchen
Vortrag von Kai Schatto

2 Inhalt Speicherung Paulfalle Penningfalle Kühlung Kühlmethoden
Experimente Zusammenfassung

3 Warum Speichern ? präzise Messung von Teilcheneigenschaften
Lokalisierung auf sehr kleinem Raum Manipulation möglich  z.B. Kühlung lange Speicherzeiten  seltene Prozesse beobachtbar Quantencomputer

4 Grundlagen Radiale Kraft: EM-Felder oder Licht
Speicherung in einem Potentialminimum  harmonische Oszillation Kühlung zur Verringerung der Amplitude

5 Problem Potentialminimum in 3 Dimensionen benötigt
 Nur mit Elektrostatischen Feldern nicht möglich! Kein Feld im Inneren

6 Lösungen Paulfalle Penningfalle Prinzip: elektrisches Wechselfeld
Prinzip: Überlagerung eines Magnetfeldes [K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)

7 Die Paulfalle Auch Quadrupol-Ionenfalle
Entwickelt von Wolfgang Paul ( ) in den 1950er Jahren Physik-Nobelpreis 1989 [

8 Die Paulfalle Elektrisches Wechselfeld erzeugt ein statisches Pseudopotential

9 Das Potential

10 Bewegungsgleichungen
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

11 Bewegung des Teilchens
Aus dem gemittelten statischen ‚Pseudopotential‘, können die Bewegungsgl. abgeleitet werden. Mikrobewegung: getriebene Schwingung mit fester Phasenbeziehung zum Führungsfeld Makrobewegungen: freie Schwingungen der Ionen in dem zeitlich gemittelten Potential

12 Bewegung des Teilchens
Mikro und Makrobewegung Trajektorie

13 Die Penningfalle Idee vom holländischen Physiker Frans Michel Penning in den 1930er Jahren

14 Penningfalle Speicherung mit konstantem Magnetfeld und elektrostatischem Quadrupolfeld

15 Bewegungsgleichungen
.. .. . mz = qEz mr = q(Er + r × B) Lösung ist Überlagerung von 3 unabhängigen Schwingungen

16 Bewegung Teilchen in der Penningfalle

17 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

18 Inhalt Speicherung Paulfalle Penningfalle Kühlung Kühlmethoden
Experimente Zusammenfassung

19 Warum Kühlen? Verringerung der Emittanz  leichterer Strahltransport
kleinere Einflüsse durch Feldinhomogenitäten Bessere Intensität kleinere Schwingungsamplituden Dopplereffekt verringert

20 Kühlmethoden Puffergaskühlen Widerstandkühlen Elektronenkühlen
Verdampfungskühlen Laserkühlung Sympathische Kühlung

21 Puffergaskühlung Abkühlung durch Stöße mit einem Kalten Gas
Endtemperatur = Temperatur des Kühlgases Auf alle Teilchen anwendbar

22 Elektronenkühlen Prinzip:
dem Ionenstrahl wird ein paralleler Elektronenstrahl überlagert Ionengeschwindigkeit passt sich immer mehr an die Elektronengeschwindigkeit an  energiescharfer Ionenstrahl mit sehr geringer Divergenz

23 Verdampfungskühlen Aus der nach der Maxwell-Boltzmann-Verteilung beschriebenen Temperaturverteilung werden die „heißen“ Teilchen entfernt 

24 Laserkühlung Hänsch und Schawlow 1975: Abbremsen der Teilchen durch Impulsübertrag

25 Laserkühlung

26 Probleme bei Laserkühlung
Anpassung der Frequenz an das sich abkühlende Gas Vielfalt der möglichen Übergänge; LK nicht auf Moleküle anwendbar Lösungen: Periodisch frequenzveränderbare Laser oder Anpassung der Anregungsfrequenz mittels räumlichem Magnetfeldgradient (Zeeman-Effekt) Sympathische Kühlung 

27 Sympathische Kühlung Kombination von Laser und Puffergaskühlung
Leicht laserkühlbares Gas wirkt als Puffergas bis zu einige hundertstel Kelvin möglich

28 Inhalt Speicherung Paulfalle Penningfalle Kühlung Kühlmethoden
Experimente Zusammenfassung

29 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

30 ISOLTRAP [K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)

31 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

32 ISOLTRAP Erzeugung der Nuklide durch Beschuss von schweren Atomen (Uran, Blei) mit hochenergetischen Teilchen

33 Flugzeitmethode Anregung mit Hochfrequenz in der Nähe der Zyklotronfrequenz Bei Resonanz Umwandlung von Zyklotronradius in Magnetronradius  Anwachsen der Umlauffrequenz und damit der Energie des Ions

34 Flugzeitmethode Beschleunigung durch Magnetfeldgradienten proportional zur (angeregten) modifizierten Zyklotronfrequenz  angeregte Ionen sind deutlich schneller

35 Nuklidkarte [K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)

36 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)

37 Nuklidkarte

38 ISOLTRAP

39 Anwendung in der Astrophysik
Erklärung der Entstehung der Elemente im Universum  Dazu müssen die Nuklidmassen sehr genau bekannt sein

40 Zusammenfassung Vorteile von Ionenfallen: Genauigkeit Empfindlichkeit
Effizienz Präzisionsexperimente ATRAP+ ATHENA ISOLTRAP HITRAP SMILETRAP LEBIT