Experimentprinzip: Die gespeicherten Ionen in der Fallenmitte werden von einem fokussierten intensiven Laser weiter ionisiert. Die braunen Elektroden dienen der Entschleunigung der eingeschossenen Ionen.
High‐Intensity Laser‐Ion Trap Experiment (HILITE)
Penning-Falle für Experimente an gespeicherten Ionen mit intensiven Laserpulsen
Kollaboratoren:
Stefan Ringleb1, Nils Stallkamp1,2, Sugam Kumar3, Manuel Vogel2, Markus Kiffer1, Wolfgang Quint2,4, Gerhard G. Paulus1,5 und Thomas Stöhlker1,2,5
1Institut für Optik und Quantenelektronik, Friedrich-Schiller-Universität Jena
2GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbHExterner Link
3Inter-University Accelerator CentreExterner Link
4Physikalisches Institut, Ruprecht-Karls-Universität HeidelbergExterner Link
5Helmholtz-Institut JenaExterner Link
Experimente mit hochintensiven Laserpulsen werden üblicherweise an Festkörpern oder gasförmigen Targets durchgeführt. Sie bieten eine hohe Teilchendichte und erzielen dadurch eine große Zahl an Reaktionsprodukten. Zur detaillierten Untersuchung des Ionisationsprozesses im Mehrphotonenregime ist es allerdings von Vorteil, einfache Systeme mit einem aktiven Elektron zu untersuchen. Hierzu eignen sich vor allem wasserstoffähnliche Ionen, wie z. B. fünffach geladener Kohlenstoff.
Deshalb haben wir in Kollaboration mit dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt eine Penningfalle entwickelt, die daraufhin optimiert ist hochgeladene Ionen zu speichern, zu komprimieren und zerstörungsfrei nachzuweisen. Innerhalb einer Penningfalle werden die Ionen durch die Superposition eines starken Magnetfeldes (6 T) und eines quadrupolaren statischen elektrischen Feldes verdichtet. Auf diese Weise können wir die Eigenschaften einer Teilchenwolke bezüglich Ionendichte, Form und Art der Teilchen kontrollieren. Insbesondere ist es in der Ionenfalle möglich eine Ionenwolke zu präparieren, die nur aus Ionen eines Ladungszustandes besteht. Die induzierten Spiegelladungen der Ionen in die Fallenelektroden ermöglichen das zerstörungsfreie Bestimmen der gespeicherten Ladungszustände und eine Abschätzung ihrer Anzahl – sowohl vor dem Laserschuss als auch danach. Das wohldefinierte Ionentarget wird mit hochintensiver Laserstrahlung weiter ionisiert und aus der Anzahl der höher geladenen Ionen werden wir den Wirkungsquerschnitt der Laserionisation präzise bestimmen. Es ist möglich, alle Ladungszustände aller Nuklide bis Xenon zerstörungsfrei zu detektieren.
Als Ionenquelle nutzen wir eine sogenannte Electron-Beam Ion Trap (EBIT), in der wir Ionen hoher Ladungszustände (z. B. Ar16+) erzeugen können. Diese Ionenquelle ist kompakt und transportabel, weshalb wir unabhängig von Beschleunigeranlagen arbeiten können.
Penningfalle mit radialem und axialem Resonator für den zerstörungsfreien Teilchennachweis
Kompletter Aufbau mit EBIT, Wien-Filter, Laser-Beam-Dump, kryogenem Magneten mit Ionenfalle und Laserfenster (von links nach rechts)
Prinzipskizze der Penningfalle
Experimentaufbau von HILITE am FLASH-Laser
Der Aufbau wurde zudem transportabel konstruiert. Die Maße sind (300 x 120 x 200) cm bei einer Masse von weniger als 2000 kg, wobei der gesamte Aufbau sich in mehrere kleine Module zerlegen lässt.
Mit diesem Aufbau wurden bereits erste Messungen am Freie-Elektronen Laser FLASHExterner Link in Hamburg durchgeführt. Hier zeigte sich, dass der Aufbau sich sehr zuverlässig transportieren und wieder in Betrieb nehmen lässt. Wir planen die Falle auch mit anderen unterschiedlichen Großlasern zu vereinigen, wie z. B. POLARIS und JETI in Jena. Dadurch können wir ein breites Spektrum an Ionisationsparametern abdecken.
Die HILITE Ionenfalle wird stetig verbessert und erweitert und wir vergeben zu diesem Thema Bachelor- und Masterarbeiten.
Zu den Angeboten für Abschlussarbeiten
Verwandte Literatur:
[1] HILITE—A tool to investigate interactions of matter and lightExterner Link
[2] A Penning trap for advanced studies with particles in extreme laser fieldsExterner Link
Hintergrundinformationen:
[3] Extreme Ultraviolet Laser Excites Atomic Giant ResonanceExterner Link
[4] Dynamics of laser-cooled Ca+ ions in a Penning trap with a rotating wallExterner Link