Gebremste Ionen - Großer Schritt für die Forschung an hoch geladenen Ionen – Veröffentlichung in "Physical Review X"
Forschenden der Technischen Universität Darmstadt und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung ist es erstmals gelungen, hoch geladene Ionen aus dem GSI-Beschleunigerbetrieb auf niedrige Energien abzubremsen und anschließend in einer Penningfalle zu speichern. Erfolgreich waren sie auch mit der erstmaligen Elektronenkühlung hochgeladener Ionen in einer solchen Falle. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Physical Review X (PRX)“ veröffentlicht.
Hoch geladene Ionen werden in großer Zahl am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung bei hohen Energien erzeugt und bewegen sich danach mit hoher Geschwindigkeit. Für viele Experimente der Atom-, Kern- und Fundamentalphysik müssen sie jedoch stark abgebremst, gespeichert und gekühlt werden. Genau hierfür wurde die HITRAP-Anlage am GSI entwickelt, die künftig einzigartige Forschungsmöglichkeiten mit langsamen hochgeladenen Ionen bieten wird.
Im Rahmen der nun veröffentlichten Arbeiten, die in intensiver Kooperation mit der GSI-Entschleuniger-Abteilung durchgeführt wurden, gelang es erstmals, vollständig ionisierte Argon-Ionen aus der Beschleunigeranlage über mehrere Stufen abzubremsen und einzufangen. „In dem von uns durchgeführten Experiment verwendeten wir Ar-Ionen, denen wir sämtliche Elektronen entrissen, so dass wir nur die ,nackten‘ Atomkerne zurückbehielten,“ berichtet Dr. Simon Rausch, Erstautor der Studie, der in der Arbeitsgruppe von Professor Wilfried Nörtershäuser am Fachbereich Physik der TU Darmstadt promovierte. „Dies erfolgte bei etwa 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit und bevor wir die Ionen einfangen konnten, mussten wir ihre Bewegungsenergie zunächst um etwa einen Faktor 10.000 reduzieren.“ Dies gelang in der Entschleunigerstruktur der HITRAP-Anlage. Danach konnten die Ionen für mehrere Sekunden in der HITRAP-Kühlfalle gespeichert werden. „Damit wurde erstmals der vollständige Weg von beschleunigerproduzierten hochgeladenen Ionen bis zur Speicherung in einer Penningfalle demonstriert,“ so Rausch.
Darüber hinaus konnte erstmals die Elektronenkühlung hochgeladener Ionen in einer Penningfalle nachgewiesen werden. Diese Methode reduziert die Bewegungsenergie der Ionen weiter und bildet eine wesentliche Grundlage für zukünftige Präzisionsexperimente.
Die nun veröffentlichten Ergebnisse schaffen die technologischen Voraussetzungen für eine Vielzahl geplanter Experimente an HITRAP. Ihre Bedeutung zeigte sich bereits beim ersten Nutzerexperiment an der Anlage, bei dem langsame hochgeladene Gold-Ionen für materialwissenschaftliche Untersuchungen eingesetzt wurden. Die jetzt in "Physical Review X" beschriebenen Meilensteine bilden die Grundlage für eine weltweit einzigartige Forschungsplattform für Präzisionsexperimente mit schweren hochgeladenen Ionen an GSI und FAIR.
Die Arbeiten wurden vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt und von der Hessischen Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF) gefördert.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Wilfried Nörtershäuser
Experimentelle Atom- und Kernphysik radioaktiver Nuklide
wnoertershaeuser@ikp.tu-darmstadt.de
+49 6151 16-23575
https://www.ikp.tu-darmstadt.de/forschung_kernphysik/gruppen_kernphysik/experiment/ag_w_noertershaeuser/gruppenleitung_ag_w_noertershaeuser/index.de.jsp
Originalpublikation:
S. Rausch, Z. Andelkovic, S. Fedotova, W. Geithner, F. Herfurth, M. Horst, J. Ködel, K. Mohr, D. Neidherr, W. Nörtershäuser et al.: Deceleration of Accelerator-Produced and In-Trap Electron Cooling of Highly Charged Ions, in: "Physical Review X" (PRX) 2026, DOI: https://doi.org/10.1103/961c-j3p5
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