Speicherung und Kühlung geladener Teilchen
description
Transcript of Speicherung und Kühlung geladener Teilchen
![Page 1: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/1.jpg)
Speicherung und Kühlung geladener Teilchen
Vortrag von Kai Schatto
16.05.2006
![Page 2: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/2.jpg)
Inhalt
Speicherung
Paulfalle
Penningfalle
Kühlung
Kühlmethoden
Experimente
Zusammenfassung
![Page 3: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/3.jpg)
Warum Speichern ?
• präzise Messung von Teilcheneigenschaften
• Lokalisierung auf sehr kleinem Raum
• Manipulation möglich z.B. Kühlung
• lange Speicherzeiten seltene Prozesse beobachtbar
• Quantencomputer
![Page 4: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/4.jpg)
Grundlagen
Radiale Kraft: EM-Felder oder Licht
Speicherung in einem Potentialminimum harmonische Oszillation
Kühlung zur Verringerung der Amplitude
![Page 5: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/5.jpg)
Problem
Potentialminimum in 3 Dimensionen benötigt
Nur mit Elektrostatischen Feldern nicht möglich!
Kein Feld im Inneren
![Page 6: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/6.jpg)
Lösungen
Paulfalle
Prinzip: elektrisches Wechselfeld
Penningfalle
Prinzip: Überlagerung eines Magnetfeldes
[K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)
![Page 7: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/7.jpg)
Die Paulfalle
Auch Quadrupol-Ionenfalle
Entwickelt von Wolfgang Paul (1913 - 1993) in den 1950er Jahren
Physik-Nobelpreis 1989
[www.nobelprize.org]
![Page 8: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/8.jpg)
Die Paulfalle
Elektrisches Wechselfeld erzeugt ein statisches Pseudopotential
![Page 9: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/9.jpg)
Das Potential
![Page 10: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/10.jpg)
Bewegungsgleichungen
0))cos((
20
002
2
rmr
tVUe
dt
rd0
))cos((22
0
002
2
zmr
tVUe
dt
zd
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
![Page 11: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/11.jpg)
Bewegung des TeilchensAus 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
)cos()cos(2
1)(
tt
qtu u
![Page 12: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/12.jpg)
Bewegung des Teilchens
Mikro und Makrobewegung Trajektorie
![Page 13: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/13.jpg)
Die Penningfalle
Idee vom holländischen Physiker Frans Michel Penning in den 1930er Jahren
![Page 14: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/14.jpg)
Penningfalle
Speicherung mit konstantem Magnetfeld und elektrostatischem Quadrupolfeld
![Page 15: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/15.jpg)
Bewegungsgleichungen
mz = qEz mr = q(Er + r × B)
Lösung ist Überlagerung von 3 unabhängigen Schwingungen
20
md
qVz
242
22zcc
Bm
qc
.. .. .
![Page 16: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/16.jpg)
Bewegung
Teilchen in der Penningfalle
![Page 17: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/18.jpg)
Inhalt
Speicherung
Paulfalle
Penningfalle
Kühlung
Kühlmethoden
Experimente
Zusammenfassung
![Page 19: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/19.jpg)
Warum Kühlen?
• Verringerung der Emittanz leichterer Strahltransport
• kleinere Einflüsse durch Feldinhomogenitäten
• Bessere Intensität
• kleinere Schwingungsamplituden
• Dopplereffekt verringert
![Page 20: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/20.jpg)
Kühlmethoden
• Puffergaskühlen
• Widerstandkühlen
• Elektronenkühlen
• Verdampfungskühlen
• Laserkühlung
• Sympathische Kühlung
![Page 21: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/21.jpg)
Puffergaskühlung
Abkühlung durch Stöße mit einem Kalten Gas
Endtemperatur = Temperatur des Kühlgases
Auf alle Teilchen anwendbar
![Page 22: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/22.jpg)
Elektronenkühlen
Prinzip:
- dem Ionenstrahl wird ein paralleler Elektronenstrahl überlagert
- Ionengeschwindigkeit passt sich immer mehr an die Elektronengeschwindigkeit an
energiescharfer Ionenstrahl mit sehr geringer Divergenz
![Page 23: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/23.jpg)
Verdampfungskühlen
Aus der nach der Maxwell-Boltzmann-Verteilung beschriebenen Temperaturverteilung werden die „heißen“ Teilchen entfernt
![Page 24: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/24.jpg)
Laserkühlung
Hänsch und Schawlow 1975: Abbremsen der Teilchen durch Impulsübertrag
![Page 25: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/25.jpg)
Laserkühlung
![Page 26: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/26.jpg)
Probleme bei Laserkühlung
1. Anpassung der Frequenz an das sich abkühlende Gas
2. Vielfalt der möglichen Übergänge; LK nicht auf Moleküle anwendbar
Lösungen:
1. Periodisch frequenzveränderbare Laser oder Anpassung der Anregungsfrequenz mittels räumlichem Magnetfeldgradient (Zeeman-Effekt)
2. Sympathische Kühlung
![Page 27: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/27.jpg)
Sympathische Kühlung
• Kombination von Laser und Puffergaskühlung
• Leicht laserkühlbares Gas wirkt als Puffergas
• bis zu einige hundertstel Kelvin möglich
![Page 28: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/28.jpg)
Inhalt
Speicherung
Paulfalle
Penningfalle
Kühlung
Kühlmethoden
Experimente
Zusammenfassung
![Page 29: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/30.jpg)
ISOLTRAP
[K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)
![Page 31: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/32.jpg)
ISOLTRAPErzeugung der Nuklide durch Beschuss von schweren Atomen (Uran, Blei) mit hochenergetischen Teilchen
![Page 33: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/33.jpg)
Flugzeitmethode
1. Anregung mit Hochfrequenz in der Nähe der Zyklotronfrequenz
2. Bei Resonanz Umwandlung von Zyklotronradius in Magnetronradius
33 Anwachsen der Umlauffrequenz und damit der Energie des Ions
![Page 34: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/34.jpg)
Flugzeitmethode
Beschleunigung durch Magnetfeldgradienten proportional zur (angeregten) modifizierten Zyklotronfrequenz
angeregte Ionen sind deutlich schneller
![Page 35: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/35.jpg)
Nuklidkarte
[K. Blaum, Phys. Rep. 425, 1-78 (2006)
![Page 36: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/36.jpg)
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)
![Page 37: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/37.jpg)
Nuklidkarte
![Page 38: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/38.jpg)
ISOLTRAP
![Page 39: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/39.jpg)
Anwendung in der Astrophysik
Erklärung der Entstehung der Elemente im Universum
Dazu müssen die Nuklidmassen sehr genau bekannt sein
![Page 40: Speicherung und Kühlung geladener Teilchen](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062408/56813a06550346895da1d1bc/html5/thumbnails/40.jpg)
Zusammenfassung
Vorteile von Ionenfallen:• Genauigkeit• Empfindlichkeit • Effizienz
Präzisionsexperimente• ATRAP+ ATHENA• ISOLTRAP• HITRAP• SMILETRAP• LEBIT