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23.09.2014 | Erfolgreich entschleunigt – HITRAP-Ionenabbremser nimmt die Arbeit auf

Foto: Gaby Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

HITRAP ist die weltweit einzigartige Kombination aus "Entschleuniger" und Ionenfalle.

 

Meistens nutzen die GSI-Forscher Beschleuniger, um Ionen besonders schnell zu machen. Nur durch hohe Geschwindigkeiten gelingt es, den Atomkernen alle Elektronen aus der Atomhülle zu entreißen. Danach kann es aber sinnvoll sein, die Ionen wieder abzubremsen. Dazu wird bei GSI aktuell HITRAP in Betrieb genommen, die weltweit einzigartige Kombination aus "Entschleuniger" und Ionenfalle. Im Juli 2014 gelang erstmals die Verlangsamung von Stickstoff-Ionen.

Einem Atom seine ganze Hülle aus Elektronen abzustreifen und es zu einem "nackten" Ion zu machen, ist ganz schön schwierig. Gerade die Elektronen, die sich nahe am Kern befinden, sind sehr stark an ihn gebunden. In der GSI-Beschleunigeranlage gelingt es den Forschern nur, indem sie die Ionen auf hohe Geschwindigkeit bringen und mehrfach durch dünne Folien oder Gase hindurchschießen, in denen die Elektronen abgerissen werden. Diesen Vorgang nennt man "Strippen" (engl. Abstreifen).

Bei diesen hohen Energien können die Forscher allerdings nicht alle Eigenschaften der Ionen untersuchen. Besonders Einflüsse des starken elektrischen Felds, das der positiv geladene Atomkern um sich hat, lassen sich genauer studieren, wenn der Kern langsam ist oder fast stillsteht. Um von der hohen Geschwindigkeit kontrolliert abzubremsen, haben die Forscher in den vergangenen Jahren die HITRAP-Anlage gebaut. Sie besteht aus zwei Linearbeschleunigerstrukturen und einer angeschlossenen Ionenfalle. Nun gelang ein vollständiger Abbremsvorgang mit den Beschleunigerkomponenten.

"In den aktuellen Experimenten gelang es, Stickstoff-Atomkerne mit den GSI-Beschleunigern auf 30 Megaelektronenvolt pro Nukleon zu beschleunigen, sie komplett zu strippen, im Speicherring ESR auf vier Megaelektronenvolt pro Nukleon abzubremsen und zu kühlen und sie dann, erstmals, mit HITRAP noch weiter auf sechs Kiloelektronenvolt pro Nukleon abzubremsen. Das ist nur noch ein Zehntausendstel der ursprünglichen Energie", erklärt Dr. Frank Herfurth, der Leiter des HITRAP-Projekts. "Mehrere Schritte sind nötig, um das zu erreichen: Aus dem ESR kommt der Ionenstrahl als langes Paket. Ein Buncher, der erste Baustein von HITRAP, schiebt die Ionen zu mehreren kurzen Paketen zusammen, damit sie in den beiden folgenden Linearbeschleunigern richtig abgebremst werden können. Die Funktion ist ähnlich wie beim Beschleunigen, nur dass man die Geräte invers benutzt – statt schneller zu machen, entschleunigt dieser Beschleuniger."

Die HITRAP-Anlage ist weltweit einzigartig als Apparatur zur Abbremsung von hochgeladenen Ionen. Eine Errichtungszeit von rund zehn Jahren war nötig, um die Apparatur zu konstruieren, zu bauen und anzupassen. Herausforderungen beim Aufbau der Anlage waren die geringen Intensitäten und Wiederholraten der Ionenpakete aufgrund der Grenzen der ESR-Aufnahmekapazität und des Zeitaufwands für die Kühlung. (nur ca. fünf Millionen Ionen alle 30 Sekunden, gegenüber ca. zehn Billionen Ionen 50-mal pro Sekunde am GSI-Linearbeschleuniger). Dies machte eine Verbesserung und teilweise Neukonstruktion der Diagnose nötig. Auch funktioniert der Abbremsvorgang nicht bei allen Ionen gleich gut, so dass einige mit hoher Geschwindigkeit geradeaus durch die Apparatur geleitet werden. Die Diagnose muss zwischen diesen unerwünschten und den korrekt gebremsten Ionen unterscheiden können. Des Weiteren weitet sich der Strahl beim Abbremsen stark auf – ein Effekt, auf den die Stahlführungskomponenten abgestimmt sein müssen.

Konzipiert wurde die Anlage, um schwere Uran-Ionen von Anfangsenergien bis zu 400 Megaelektronenvolt pro Nukleon abbremsen. Eine angeschlossene Ionenfalle, die sich momentan im Aufbau befindet, wird die Ionen einfangen, weiter abkühlen und damit für Präzisionsexperimente verfügbar machen. In diesen wird das starke elektrische Feld des hochgeladenen Kerns in Wechselwirkung mit einzelnen Elektronen oder mit einer Oberfläche, beispielsweise einem Silizium-Gitter, erforscht. Solche starken Felder wie in der Umgebung eines Urankerns sind anders nicht im Labor herstellbar. Sie erlauben es die Grenzen physikalischer Theorien, insbesondere der Quantenelektrodynamik, auszutesten. Dazu möchten die Forscher zum Beispiel die Eigenschaften eines einzelnen Elektrons im Feld eines Urankerns präzise vermessen.

HITRAP ist ein Teil der FAIR-Beschleunigeranlage, die zurzeit in internationaler Zusammenarbeit aufgebaut und an die bestehende GSI-Anlage angeschlossen wird. Es soll auch dort hochgeladene Ionen und zusätzlich die dann verfügbaren Antiprotonen abbremsen und neuartige Präzisionsexperimente ermöglichen. Initiiert in der GSI-Forschungsabteilung Atomphysik, wurde HITRAP gemeinsam mit der GSI-Projektabteilung Decelerators in Kooperation mit der Goethe-Universität Frankfurt gebaut. Wesentlich für den Erfolg war die dauerhafte Unterstützung der Linearbeschleunigerexperten im Beschleunigerbereich und der GSI-Fachabteilungen. Ein europäisches Netzwerk markierte den Startpunkt des Experimentierprogramms, an dem die GSI-Atomphysik, die Technische Universität Darmstadt, die Universität Mainz, das Max-Planck-Institut für Kernphysik sowie die Universität Heidelberg, die Universität Münster, das Kernfysisch Versneller Instituut in Groningen und das Imperial College London beteiligt sind.


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HITRAP ist die weltweit einzigartige Kombination aus "Entschleuniger" und Ionenfalle.
Foto: Gaby Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH