Kollineare Laserspektroskopieapparatur
Final Report Abstract
Die kollineare Laserspektroskopie-Apparatur wurde zunächst für die Entwicklung einer hochpräzisen Hochspannungsmesstechnik eingesetzt. Hierbei wird die zu messende Hochspannung im Bereich von 1 kV bis 19 kV zwischen den beiden Laser-Wechselwirkungszonen der Apparatur angelegt, wodurch eine zusätzliche Beschleunigung eines zuvor geformten Ionenstrahls erfolgt. Diese Geschwindigkeitsänderung äußert sich aufgrund des Doppler-Effekts als Verschiebung der für eine Wechselwirkung mit einem Laser notwendigen Frequenz, welche präzise mit einem optischen Frequenzkamm gemessen werden kann. Gegenüber zuvor durchgeführten vergleichbaren Experimenten ist der entscheidende Vorteil, dass mit einem Laser zunächst ein Teil der Ionen markiert werden kann und nur diese Ionen nach erfolgter Beschleunigung dann durch die Wechselwirkung mit einem zweiten Laser zu einem Fluoreszenzsignal in einem optischen Detektor führen. Diese Methode erlaubt die Eliminierung zahlreicher systematischer Fehlerquellen und ermöglicht es Genauigkeiten zu erreichen, die mit den besten derzeit verfügbaren Hochspannungsteilern konkurrieren können. In einer Messkampagne, in der Spektroskopie an Calcium-Ionen durchgeführt wurde, konnte eine relative Unsicherheit von 5 ppm demonstriert werden, was eine Steigerung um einen Faktor zwanzig gegenüber den besten Vorgänger-Experimenten darstellt. Dieses Ergebnis konnte im März 2018 in der renommierten Zeitschrift „Metrologia“ veröffentlicht werden und legt den Grundstein für die Etablierung eines Quantennormals für hohe Spannungen. Die Methode ist daher von großem Interesse für nationale Metrologieinstitute, wie z.B die PTB in Braunschweig. Im Rahmen der Masterarbeit von Phillip Imgram wurden Ende 2017 neben den Hochspannungsmessungen die Isotopieverschiebungen der stabilen Bariumisotope mit bisher unerreichter Genauigkeit neu vermessen. Die Untersuchungen wurden durch eine signifikante Diskrepanz zwischen der theoretischen Vorhersage und den experimentellen Resultaten der Isotopieverschiebung in Übergängen des Calcium-Ions motiviert. Hierbei konnte die Absolutfrequenz des Übergangs in 138Ba sogar genauer bestimmt werden als in einer vorangegangenen Messung in einer Ionenfalle. Die installierte kollineare Apparatur erlaubt somit die präzisesten kollinearen Laserspektroskopiemessungen weltweit. Für die Messung der Übergangsfrequenzen wurde die Apparatur so angepasst, dass eine quasi-simultane Laseranregung in kollinearer und antikollinearer Richtung mit zwei Lasern möglich ist. Dadurch kann man den systematischen Einfluss der zur Beschleunigung der Ionen verwendeten Hochspannung eliminieren und eine höhere Genauigkeit erreichen. Im Rahmen einer Bachelorarbeit von Phillip Bollinger wurde die Verwendung eines Raman-Übergangs für die Hochspannungsmessung getestet, hat sich allerdings als nicht zweckmäßig erwiesen. Des Weiteren findet momentan die Entwicklung einer gepulsten Ionenquelle für puffergasgekühlte, einfach geladene Ionen schwer zugänglicher refraktärer Metalle statt, die den Einsatzbereich des Gerätes deutlich erweitern wird. Außerdem dient die Apparatur als Entwicklungsplattform für bereits existierende, beziehungsweise sich im Aufbau befindende kollineare Strahllinien. So konnte ein optisches Nachweissystem in Darmstadt entwickelt und getestet werden, bevor eine Kopie davon dann am Argonne National Laboratory im Rahmen des SFB 1245 (TP A1) an der dort aufgebauten Apparatur zum Einsatz kommt. Ebenso konnte eine neuartige zeitaufgelöste Datenaufnahme zunächst intensiv getestet werden, bevor eine durch BMBF Drittmittel finanzierte Implementierung an der kollinearen Laserspektroskopie-Apparatur an ISOLDE/CERN erfolgt ist.
Publications
- First high voltage measurements using Ca+ ions at the ALIVE experiment, Hyperfine Interact. 238, 24 (2017)
Kristian König et al.
(See online at https://doi.org/10.1007/s10751-016-1392-4) - High voltage measurements on the 5ppm relative uncertainty level using collinear laser spectroscopy, Metrologia 55, 268 (2018)
Jörg Krämer et al.
(See online at https://doi.org/10.1088/1681-7575/aaabe0)
