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Ultrahochvakuumtechnologie für höchste Ladungszustände Auf der Suche nach wahrer Größe – Atomkerne messen

Ein Gastbeitrag von Pfeiffer Vacuum

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Wie groß ist ein Kohlenstoff-Atom? Die Antwort (76 pm Kovalenzradius) steht heute in jedem Chemiebuch. Doch die Messtechniken haben sich stetig verbessert, sodass es an der Zeit ist, diese Frage mit größerer Genauigkeit zu beantworten. Forscher der TU Darmstadt setzen dazu auf Elektronenstrahlen und hochreines Vakuum.

Abb.1: Mithilfe von hochenergetischen ­Elektronenstrahlen lassen sich leichte Atome so weit ionisieren, bis nur noch ihr Kern übrig bleibt (Symbolbild).
Abb.1: Mithilfe von hochenergetischen ­Elektronenstrahlen lassen sich leichte Atome so weit ionisieren, bis nur noch ihr Kern übrig bleibt (Symbolbild).
(Bild: Adobe Stock 315931392, catalin)

Ionen sind überall – sie lassen Wasser salzig schmecken, Reize durch unseren Körper fließen und Brennstoffzellen Strom erzeugen. In unserer Umgebung begegnen uns vorwiegend niedrig geladene Ionen, z. B. in der Flamme einer Kerze oder bei Gewitterblitzen. Aber es gibt auch natürlich vorkommende hochgeladene Ionen, also Ionen mit einer hohen Zahl fehlender Elektronen in der Atomhülle. Diese finden sich beispielsweise in exotischen Zuständen wie der Sonnenkorona oder bei Supernova-Ereignissen. Die Erforschung von hochgeladenen Ionen spielt deshalb besonders für die Astrophysik eine große Rolle. Außerdem helfen sie bei der Beantwortung einer scheinbar einfachen Frage: Wie groß sind die Kerne der verschiedenen Atomsorten?

„Bis heute wurde die spektroskopische Vermessung der Atomradien nur an wasserstoffartigen Systemen mit einem einzelnen Elektron durchgeführt, denn nur dafür ist die Theorie ausreichend genau“, erläutert Prof. Dr. Wilfried Nörtershäuser, Leiter der Arbeitsgruppe Laser Sphere (Laser Spektroskopie an Hochgeladenen Ionen und Exotischen Radioaktiven Nukliden) am Institut für Kernphysik der TU Darmstadt. Diese einfachen Atomsysteme besäßen experimentell aber den Nachteil, dass die zu verwendenden Wellenlängen weit im ultravioletten Bereich des optischen Spektrums liegen und dadurch nur schwer mit heutigen Lasersystemen zugänglich sind. „Gegenwärtig gibt es aber erfolgversprechende Bestrebungen, die erforderliche Genauigkeit auch für komplexere, heliumartige Systeme mit zwei Elektronen zu erreichen“ ergänzt der Gruppenleiter. Deren Wellenlängen seien mit Lasersystemen wesentlich besser zugänglich, und so ließen sich die Radien der Atomkerne von Helium bis Stickstoff künftig deutlich präziser bestimmen als derzeit möglich.

„Durch die Installation der Ionenstrahlanlage mit der Ionenquelle EBIS-A bietet die KOALA-Apparatur dafür die idealen Voraussetzungen“, sagt Nörtershäuser. KOALA steht hier für „Kollineare Apparatur für Laserspektroskopie und Angewandte Wissenschaften“. Damit führen Nörtershäuser und sein Team Präzisionsexperimente im Grenzbereich der Atom-, Kern- und Teilchenphysik durch. Ihr Forschungsschwerpunkt ist die Laserspektroskopie an hochgeladenen Ionen und an exotischen kurzlebigen Isotopen, mit dem Ziel, die Ladungsradien von Atomkernen präzise zu bestimmen.

Hochgeladene Ionen erzeugen

Die in Darmstadt eingesetzte Elektronenstrahl-Ionenquelle (engl. Electron Beam Ion Source, EBIS) ist nur eine von mehreren Technologien zur Erzeugung von hochgeladenen Ionen. Andere vergleichbare Ionenquellen sind Laser und Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen (engl. Electron Cyclotron Resonance Ion Source, ECRIS). Außerdem können niedrig geladene Ionen mittels Hochenergiebeschleuniger und Gas- oder Folienstrippertargets in hochgeladene Ionen umgewandelt werden.

Die Elektronenstrahl-Ionenquelle

Bei einer Elektronenstrahl-Ionenquelle vom Typ Dresden-EBIS-A wird eine hochemittierende Kathode im Vakuum auf etwa 2.200 K geheizt. Dies erzeugt einen Strahl aus Elektronen. Ein starkes magnetisches Feld komprimiert den Strahl und ermöglicht so Elektronenstromdichten von einigen 10 Ampere je cm2. Dieser hochdichte Elektronenstrahl trifft im Bereich der Driftröhren auf Gasatome und stößt mit deren Hüllenelektronen zusammen. Die dabei entstehenden Ionen werden durch ein elektrostatisches Feld in der für die Ionenquelle namensgebenden Ionenfalle EBIT eingefangen (Electron Beam Ion Trap). Solange die Energie des Strahls die Bindungsenergie übersteigt, werden durch fortlaufende Elektronenstoßionisation weitere Hüllenelektronen entfernt und die Ionen in immer höhere Ladungszustände gebracht. Dies kann fortgeführt werden, bis alle Hüllenelektronen entfernt sind und nur noch der nackte Atomkern vorhanden ist.

Der für die Ionisation nötige Energieübertrag wird bei Laserionenquellen durch Strahlung realisiert. Allen weiteren Technologien ist gemein, dass der treibende Prozess für die Ionisation auf Elektronenstößen basiert. In Hochenergiebeschleunigern werden die einfach geladenen Ionen bei hohen Energien auf quasi ruhende Elek­tronenstoßpartner geschossen. In Elektron-Zyklotron-Resonanz- und Elektronstrahl-Ionenquellen ist der Prozess umgekehrt. Die zunächst gasförmigen neutralen Moleküle oder Atome befinden sich in Ruhe. Für die Elektronenstrahl-Ionisation werden die Elektronen beschleunigt und treffen auf die Hüllenelektronen der Atome. Durch den Übertrag der kinetischen Energie der schnellen Elektronen auf die Hüllenelektronen erhalten diese ausreichend Energie, um die Bindung der Atomhülle zu verlassen: Es entstehen positiv geladene Ionen.

Von allen direkten Quellen hochgeladener Ionen wurden die höchsten Ladungszustände mit Elektronen­strahl-Ionenquellen erzeugt, weshalb sie die optimale Wahl für den Einsatz an der Laserapparatur KOALA in Darmstadt waren. Die Technologie bietet ideale Voraussetzungen für das Erreichen hoher Ladungszustände, solange die verwendete Vakuumtechnik für ausreichende Rahmenbedingungen sorgt.

Unmöglich ohne Ultrahochvakuum

Abb.2: Elektronenstrahl-Ionenquelle
Abb.2: Elektronenstrahl-Ionenquelle
(Bild: Pfeiffer Vacuum)

Dem Ionisationsprozess entgegen steht die Rekombination. Dabei werden freie Elektronen von Ionen eingefangen und der Ladungszustand verringert. Dieser Prozess kann bis zur vollständigen Neutralisation des Ions, also zurück vom Ion zum Atom fortlaufen. Die Rekombination hängt vom Angebot an neutralen Atomen ab und skaliert somit direkt mit dem Vakuumdruck. Wenn das Ziel ist, höchste Ladungszustände bis hin zu nackten Atomkernen zu erzeugen, ist die Rekombination mit Neutralteilchen so gut es geht zu vermeiden. Der Arbeitsdruck muss also so niedrig sein, dass die mittlere freie Weglänge zwischen zwei Gasatomen größer ist als der Wechselwirkungsquerschnitt der Elektronenstoßionisation. Der Einfang von Elektronen aus dem Elektronenstrom der Ionenfalle EBIS selbst ist dem gegenüber eher unwahrscheinlich, da die Elektronen aus dem Elektronenstrahl für den Einfang in die Atomhülle eine zu hohe kinetische Energie haben.

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Neben einem guten Vakuumbasisdruck ist auch die Zusammensetzung des Restgases von Interesse. Bei Stößen zwischen Ionen verschiedener Spezies, etwa Argon und Stickstoff, erfolgt ein Impulsübertrag im Verhältnis der Massen. Das hat zur Folge, dass schwerere Elemente leichtere Elemente aus der Ionisationszone der Driftröhren stoßen, was die Verweildauer der Ionen reduziert. Eine lange Verweildauer ist jedoch Voraussetzung, um möglichst hohe Ladungszustände zu erreichen. Dadurch wird wiederum die Wahrscheinlichkeit von Wechselwirkungen für Elektronenstöße erhöht. Gleichzeitig ermöglicht eine Analyse der erzeugten Ionen und deren Ladungszustände auch eine qualitative Analyse des Restgases. Somit stellt eine Ionenfalle wie EBIS auch immer ein ausgezeichnetes Massenspektrometer dar.

Was die Vakuumtechnik alles leisten muss

Für die Erzeugung von hohen und höchsten Ladungszuständen wird ein Druck von 1·10-10 mbar benötigt. Der Druck des Prozessgases (beispielsweise Argon oder Xenon, auch Wasserstoff oder Sauerstoff) liegt bei 5·10-10 mbar bis 5·10-9 mbar. In diesem Druckbereich liegt die mittlere freie Weglänge zwischen 104 und 105 m, sodass die Wahrscheinlichkeit von Wechselwirkungen mit anderen Gasatomen sinkt und die Rekombination in niedrigere Ladungszustände unterdrückt wird.

In den von der Dreebit GmbH entwickelten Raumtemperatur-EBIS-Systemen wird dieser Arbeitsdruck mit einem zweistufigen Turbopumpensystem aus einer HiPace 400 und einem HiCube 80 von Pfeiffer Vacuum erzeugt. Durch die geringe Gaslast im Betrieb der Ionenquelle ist die Membranpumpe im Kombinationspumpstand HiCube 80 ausreichend. Die geringen Gaszuflüsse für das Prozessgas werden mit dem Gasdosierventil UDV 146 erzeugt. Damit ist die automatisierte Gasflussregelung zur Einstellung des Arbeitsdrucks zwischen 1·10-10 und 5·10-9 mbar möglich.

Die Ionenquelle wird über mehrere Tage bei Temperaturen um 120 °C ausgeheizt, um das Basisvakuum im Bereich von 1·10-10 mbar und eine saubere Restgaszusammensetzung zu erreichen. Daraus ergeben sich spezielle Anforderungen an die verwendeten Permanentmagnete. Typische Neodym-Eisen-Bor- (NdFeB-) Magnete haben eine Curie-Temperatur von 60 bis 70 °C und würden beim Ausheizen der Quelle ihre magnetischen Eigenschaften verlieren. Daher kommen hier spezielle Magnetsysteme zum Einsatz, welche bis 120 °C ausgeheizt werden können, ohne ihre permanentmagnetischen Eigenschaften zu verlieren. So kann auf die komplizierte und zeitaufwändige Demontage der Magnete vor dem Ausheizen verzichtet werden. Die Magnetfeldstärke erreicht an der Oberfläche der Magnete Werte im Bereich von 1,1 T und erzeugt auf der Strahlachse der Ionenquelle ein fokussierendes Magnetfeld mit einer Stärke von etwa 650 mT. Damit zählt sie zu den stärksten Magnetfeldern, die mit Permanentmagneten erzeugt werden können.

Endlich die Kerngröße präzise messen

„Bei unseren Experimenten an KOALA möchten wir durch die Laserspektroskopie auf die Kerngröße schließen. Dafür müssen wir ein Elektron in unserem Atom auf ein nächstes Niveau bringen und diesen Energieunterschied sehr genau messen, denn in ihm steckt auch eine geringe, aber messbare Menge an Information, die Rückschlüsse auf die Kerngröße beinhaltet“, erklärt Imgram. Um die Ergebnisse der Versuche mit der Theorie bestätigen zu können, müssen die Experimente an Atomsystemen mit einem Kern und maximal zwei Elektronen durchgeführt werden. Das Projekt zur Neumessung der Atomkerne ist auf einem guten Weg. Für den Theorieteil sind Ingram und sein Team auf die Zuarbeit der Kollegen aus der theoretischen Physik angewiesen. „Das dauert manchmal ein bisschen“, sagt der Forscher. Doch er ist zuversichtlich, zeitnah das erste echte Ergebnis herauszubekommen, also die Kerngröße von Kohlenstoff.

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