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Experimenteller Aufbau



Abbildung: experimenteller Aufbau (Stand: Okt. 09)

 

Der experimentelle Aufbau von MATS (siehe auch presentation (pdf, 9.81 MB) von Daniel Rodríguez) ist eine einzigartige Kombination aus einer Elektronenstrahlionenfalle zum Ladungsbrüten, Ionenfallen zur Strahlpräparation und einem Präzisions-Penningfallensystem für Massenmessungen und Zerfallsstudien. Jedes Subsystem ist für sich genommen ein vielseitiges Werkzeug und ermöglicht verschiedene Präzisionsexperimente, die ein breites physikalisches Spektrum abdecken.

Kurze Anmerkungen zu den Subsystemen

Für detaillierte Informationen siehe Technical Design Report (pdf, 7.27 MB)

RFQ-Ionenstrahlkühler und -buncher

Die erste Stufe von MATS wird ein Kühler/Buncher der 2. Generation sein, bestehend aus einer offenen zylindrischen Elektrodengeometrie für das transversale Hochfrequenzfeld und verjüngten Einfügungselektroden für das longitudinale Feld. Das System wird bei kryogener Temperatur betrieben werden, wodurch zwei Größenordnungen gegenüber einem System unter Raumbedingungen gewonnen werden können. Der RFQ stellt die Verbindung zwischen MATS und dem Gas-Catcher vom Niedrigenergiezweig des Super-FRS dar. Die Strahlemittanz der radioaktiven Ionen muss der ziemlich kleinen Akzeptanz des EBIT-Elektronenstrahls angepasst werden, um eine hohe Injektionseffizienz zu gewährleisten.
Molekulare Isobare lassen sich in Standard-RFQs nicht ausreichend unterdrücken. Deshalb kann man stattdessen einen sog. Multi-Turn-Flugzeit-Massenseparator (MR-TOF) einsetzen.
Als Alternative zur Isobarenseparation mittels Flugzeitmethode, könnte ein "Ionenkreis" benutzt werden, der aus einem klassischen linearen RFQ-Massenfilter geformt wird, indem dieser zu einem durchgehenden Kreis gebogen wird.

Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) zum Ladungsbrüten

Neben der sehr schnellen Erzeugung hoher Ladungszustände (Ladungsbrüten), soll die EBIT spektroskopische Messungen mit Empfindlichkleit gegenüber Kerngrößen-Effekten erlauben. Dazu soll sie mit einem hochauflösenden Röntgen-Spektrometer ausgestattet werden.
Die hier vorgeschlagene EBIT zum Ladungsbrüten orientiert sich stark am Design der Heidelberger EBIT, die auch am TITAN-Spektrometer zum Einsatz kommen wird. Die Heidelberger EBIT liefert einen maximalen Elektronenstrahlstrom von 535 mA und einen Strahldurchmesser in der Confinement-Region von etwa 70 μm, was ungefähr einer Stromdichte von 14000 A/cm^2 entspricht. Die EBIT kann am Maximum der Elektronenstrahlenergie von 50 kV im Prinzip nackte Ionen bis zu Xe54+ und He-ähnliche Ionen über das gesamte Periodensystem produzieren. Es wird außerdem eine Laser-Ablations-Ionenquelle zum Laden der Falle mit Ionen stabiler Elemente eingesetzt. Hierdurch können während der Offline-Zeiten mit unabhängigen Messungen, Kalibrierungen und Tests der Präparationsfalle sowie der Präzisionsfalle die Möglichkeiten der EBIT voll ausgenutzt werden.

Magnetisches Multi-Passage-Spektrometer (MPS)

Ein MPS könnte als q/A-Separator eingesetzt werden, um das gewünschte Ladungs-Masse-Verhältnis für die Injektion in das Penningfallensystem zu selektieren. Es besteht aus einem Elektromagnet mit kreisförmigen Polschuhen und vier Kanälen, in denen elektrostatische Linsen installiert sind, die als Spiegel betrieben werden können.

Präparations-Penningfalle

Die Präparations-Penningfalle dient dazu, der Präzisions-Penningfalle (und anderen) einen gekühlten Strahl hochgeladener Ionen zur Verfügung zu stellen. Da hochgeladene Ionen nicht durch Puffergaskühlen gekühlt werden können, müssen andere Kühltechniken implementiert werden. Die vielversprechendsten Techniken sind das Elektronenkühlen und das Sympathetische Kühlen. Die Präparationsfalle wird in einem supraleitenden Magnet von etwa 7 T installiert werden. Um das zur längeren Speicherung hochgeladener Ionen erforderliche Vakuum zu erreichen, muss die Falle auf der Temperatur flüssigen Heliums von 4K gehalten werden. Ein statisches kryogenes Vakuum (XHV, < 1E-15 mbar) wird hier durch Kryopumpen erreicht werden. Dies gestattet außerdem verbesserte in situ Detektion über Spiegelströme für die Diagnose des Kühlprozesses.

Präzisions-Penningfalle (Messfalle)

Die Kombination von hochpräzisen Massenmessungen mit in situ Zerfall-Spektroskopie wird ein neues Fallendesign erforderlich machen. Die Falle muss ein exzellentes harmonisches Fallenpotential liefern und gleichzeitig eine sehr offene Struktur für das Entweichen der Zerfallsprodukte sein. Die hochpräzisen Massenmessungen erfordern minimale Unsicherheit bei der Frequenzbestimmung, das Magnetfeld des supraleitenden Magneten muss so hoch (B >= 7 T), homogen (<= +/- 0.1 ppm gemessen über ein sphärisches Volumen von 10 mm Durchmesser) und stabil (δBt x 1/B <= 1E-9 / h) wie möglich sein. Gleichzeitig erfordern die geplanten in situ Zerfallsexperimente ausreichend Platz innerhalb des Bohrlochs, so dass der Bohrungsdurchmesser ungefähr 160 mm oder größer sein muss. Für die Massenspektrometrie kann entweder eine destruktive Flugzeitmethode (TOF-ICR) oder eine nicht-destruktive Fourier Transform-Ionen Zyklotron Resonanz (FT-ICR) Methode eingesetzt werden. Für die in situ Spektroskopie wird ein Konversionselektronen-Detektor installiert werden.

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