Positroneninjektion in ein magnetisches Dipolfeld zum Studium eines Elektron-Positron Plasmas

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Uwe Hergenhahn, seit 2/2019; Professor Dr. Christoph Hugenschmidt
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285825712

In diesem Projekt planen wir die Herstellung eines niederenergetischen, hoch brillanten Positronenstrahls, um diesen zur Erzeugung eines Elektron-Positron Plasmas im Labor zu nutzen. Es wird vorhergesagt, dass sich ein solches Plasma in wesentlichen Punkten von konventionellen Plasmen unterscheiden wird, zum Beispiel werden Plasmaturbulenzen praktisch keine Rolle spielen. Diese einmaligen Eigenschaften resultieren aus der Massensymmetrie zwischen positiven und negativen Ladungsträgern im Unterschied zu konventionellen Plasmen. Für den Einschluss des Plasmas werden wir das magnetische Dipolfeld verwenden. Eine Abschätzung der Annihilationsraten durch Elektron-Positron-Stöße, sowie durch resonante Bildung von Positronium mit anschließender Annihilation, zeigt keine erhebliche Einschränkung der zu erwartenden Lebensdauer des Paar-Plasmas. Vielmehr kann die Annihilationsstrahlung zur Diagnostik der Plasmaeigenschaften genutzt werden. Bis jetzt ist es jedoch nicht gelungen, ein solches Paar-Plasma herzustellen.Wir werden daher zwei innovative Elemente einsetzen, um den beiden größten Herausforderungen bei der Herstellung eines Elektron-Positron Plasmas (zu geringe Anzahl an Positronen und unzureichende Qualität des Plasmaeinschlusses) zu begegnen. Positronen werden von NEPOMUC am Garchinger Forschungsreaktor FRM II geliefert, der vom ersten Antragsteller entwickelten, intensivsten Positronenquelle der Welt. Für den Einschluss des Plasmas werden wir das magnetische Dipolfeld einer schwebenden, supraleitenden Spule verwenden, dessen überlegene Eigenschaften vom zweiten Antragsteller in den letzten Jahren gezeigt wurden.In diesem Projekt möchten wir die letzte Hürde bei der Herstellung des Paar-Plasmas überwinden, nämlich die Injektion der Positronen in das einschließende Magnetfeld. Als Voraussetzung dafür müssen die optimalen Parameter zur Herstellung des NEPOMUC Positronenstrahls bei deutlich kleinerer Energie als bisher gefunden werden. Zur Injektion planen wir mit geeigneten Ablenkplatten eine ExB-Drift zu induzieren, die die Teilchen auf geschlossene Orbits führt, und die entstehende Bewegung mit einem elektrischen Wechselfeld, ähnlich den 'rotating wall' Feldern in zylindrischen Fallen, zu stabilisieren.Ein alternativer Ansatz zur Positroneninjektion soll unter Verwendung eines Wolfram-Einkristalls zur Positronenremoderation unmittelbar nach dem ExB Filter vefolgt werden. Diese Methode würde uns erlauben, den primären Positronenstrahl und den brillianteren remoderierten Positronenstrahl zu trennen und das Potenzial für eine effizientere Injektion in das Dipolfeld zu erkunden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Haruhiko Saitoh, bis 2/2019