Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

„Phasenuhr“ als hochpräzise Atomwaage

19.02.2013
Die Frequenz, mit der ein einzelnes Ion im Magnetfeld einer Penningfalle kreist, bietet bislang den genauesten Zugang zu Kernmassen kurzlebiger Isotope.

Physiker des MPI für Kernphysik Heidelberg und der Universität Greifswald haben nun am GSI Helmholtzzentrum Darmstadt die Kreisbewegung des Ions selbst abgebildet, die gleich dem Sekundenzeiger einer Uhr die Genauigkeit der Messungen steigert. Damit lässt sich die erforderliche Messzeit für instabile Nuklide deutlich verkürzen [Physical Review Letters, 19.02.2013 online].


Abb.1: Schematischer Aufbau der SHIPTRAP-Falle mit ortsauflösendem Detektor zu Abbildung der Kreisbewegung des Ions.
Detailfoto oben: G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Grafik: MPI für Kernphysik


Abb.2: Abbildung der Kreisbewegung des Ions auf dem Detektor („Phasenuhr“) für verschiedene Stoppzeiten. Das Bild setzt sich aus einer großen Zahl von Einzelmessungen zusammen, die innerhalb weniger Minuten aufgenommen werden können. Die Umlaufzeit des Ions beträgt etwa 1 Mikrosekunde.
Grafik: MPI für Kernphysik

Präzisionsmessungen der Masse von Atomkernen haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung für viele grundlegende Fragen der Physik gewonnen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Bindungsenergie und damit verbunden die Stabilität der Kerne. Die Verbindung von Masse und Energie liefert Einsteins bekannte Formel E = m*c^2. Für einen Atomkern bedeutet dies, dass das Ganze weniger ist als die Summe seiner Teile: Der Kern hat eine etwas geringere Masse als die Summe der Massen seiner einzelnen Bestandteile, Protonen und Neutronen. Über die Bestimmung dieser Massendifferenz bekommt man also direkt die Bindungsenergie des Atomkerns, die von großer Bedeutung ist für beispielsweise Untersuchungen zur Entstehung der Elemente im Universum oder die Stabilität superschwere Elemente.

Eine besondere Herausforderung stellt die Massenmessung radioaktiver, also instabiler Nuklide dar, denn sie zerfallen oft kaum einen Wimpernschlag nach ihrer Erzeugung schon wieder. Untersuchen kann man sie daher nur an speziellen Beschleunigereinrichtungen, wo sie produziert werden. Und auch danach muss es entsprechend schnell gehen:

Eine etablierte Technik ist der Einfang und die Speicherung instabiler Nuklide in Form einzelner Ionen in so genannten Penningfallen, wie sie in der Gruppe um Klaus Blaum am Heidelberger MPI für Kernphysik betrieben werden. Hier kreist das Ion in einem starken Magnetfeld und wird zusätzlich durch eine positive Spannung an zwei gegenüberliegenden Elektroden am Entweichen in Richtung der Achse der Kreisbewegung gehindert (Abb. 1). Letztere ist durch die Zyklotronfrequenz eines geladenen Teilchens im Magnetfeld charakterisiert. Diese ist umgekehrt proportional zur Masse des Teilchens.

Zur Bestimmung der Frequenz bleibt bei kurzlebigen Nukliden wenig Zeit. Die Forscher verstärken daher zunächst mit einem elektrischen Hochfrequenzfeld die Kreisbewegung des Ions und lassen es dann durch Herunterschalten der Fallenspannung frei durch das Vakuum auf einen Detektor fliegen. Aus der Flugzeit lässt sich dann die Bewegungsenergie bestimmen. Der Verstärkungseffekt ist am größten, wenn die Hochfrequenz mit der Zyklotronfrequenz übereinstimmt, also Resonanz vorliegt. Die mit dieser bisher verwendeten Methode erzielte Genauigkeit liegt für Isotope mit wenigen 10-100 ms Halbwertszeit nun in der Größenordnung eines halben Umlaufs – vergleichbar mit dem Minutenzeiger einer Uhr, wenn ein Umlauf einer Minute entspricht. Genauere Uhren sind mit einem Sekundenzeiger ausgestattet. Diese Rolle übernimmt nun im Experiment das kreisende Ion selbst, man muss nur seine ‚Zeigerstellung‘ – die Physiker sprechen hier von der Phase der Kreisbewegung – abbilden.

Diese Idee haben nun die Heidelberger Physiker in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Greifswald am GSI Helmholtzzentrum Darmstadt umgesetzt. Sie lassen das Ion nach Anregung durch einen Hochfrequenzpuls (Start) zunächst einige Zehntelsekunden kreisen und bilden es dann auf einen ortsempfindlichen Detektor ab (Stopp). Abb. 2 zeigt das ‚Zifferblatt‘ auf dem Detektor für verschiedene Stoppzeitpunkte. Auf diese Weise können auch kleine relative Massendifferenzen sichtbar gemacht werden. Wie bei zwei Uhren, die ein klein wenig unterschiedlich schnell gehen, vergrößert sich im Laufe der Zeit der Zeigerabstand (Phasenwinkel). Dies führt zu einer 40-fach besseren Auflösung und einer bis zu fünfmal höheren Genauigkeit – ein Durchbruch in der Präzisions-Massenspektrometrie. Mit der neuen Methode kann man daher Massen bei gleicher Genauigkeit 25 mal schneller messen. Zur Demonstration untersuchten die Forscher zwei Xenon-Isotope mit den Massenzahlen 129 und 130 mit der SHIPTRAP-Apparatur an GSI Helmholtzzentrum Darmstadt und erreichten innerhalb weniger Minuten relative Massengenauigkeiten auf die neunte Nachkommastelle.

Originalveröffentlichung:
Phase-Imaging Ion-Cyclotron-Resonance Measurements for Short-Lived Nuclides
S. Eliseev et al., Phys. Rev. Lett. 110, 082501 (2013)
Kontakt:
Prof. Dr. Klaus Blaum
Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
Tel.: 06221 516-850
E-Mail: klaus.blaum@mpi-hd.mpg.de
Dr. Sergey Eliseev
Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
Tel.: 06221 516-670
E-Mail: sergey.eliseev@mpi-hd.mpg.de
Prof. Dr. Lutz Schweikhard
Ernst-Moritz-Arndt Universität Greifswald
Tel.: 03834 86-4700/4750
E-Mail: lschweik@uni-greifswald.de
SHIPTRAP-Kollaborationssprecher Dr. Michael Block
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt
Tel.: 06159 71-2845
E-Mail: m.block@gsi.de
Weitere Informationen:
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.110.082501
Originalveröffentlichung
http://www.mpi-hd.mpg.de/blaum/index.de.html
Abteilung Blaum am MPIK
http://www6.physik.uni-greifswald.de/
Arbeitsgruppe Atom- und Molekülphysik an der Universität Greifswald
https://www.gsi.de/start/forschung/forschungsfelder/appa_pni_gesundheit/
atomphysik/forschung/experimentieranlagen/shiptrap.htm
SHIPTRAP an der GSI

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Einsame Atome glücklich vereint
26.07.2016 | Technische Universität Wien

nachricht Zart und dennoch robust: Neue Erkenntnisse über Spinnenseide gewonnen
26.07.2016 | Universität Leipzig

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Self-assembling nano inks form conductive and transparent grids during imprint

Transparent electronics devices are present in today’s thin film displays, solar cells, and touchscreens. The future will bring flexible versions of such devices. Their production requires printable materials that are transparent and remain highly conductive even when deformed. Researchers at INM – Leibniz Institute for New Materials have combined a new self-assembling nano ink with an imprint process to create flexible conductive grids with a resolution below one micrometer.

To print the grids, an ink of gold nanowires is applied to a substrate. A structured stamp is pressed on the substrate and forces the ink into a pattern. “The...

Im Focus: Neues Forschungsnetzwerk für Mikrobiomforschung

Mikroben und Viren haben weitreichenden Einfluss auf die Gesundheit von Mensch und Tier. Die neu gegründete "Austrian Microbiome Initiative" (AMICI) fördert die nationale Mikrobiomforschung und vernetzt MedizinerInnen und ForscherInnen verschiedenster Fachrichtungen zur Nutzung von Synergien.

Bakterien, Archaeen, Pilze, Viren – Milliarden von Mikroorganismen leben in Symbiose in und auf Menschen und Tieren. Diese mikroskopisch kleinen Lebewesen...

Im Focus: The Glowing Brain

A new Fraunhofer MEVIS method conveys medical interrelationships quickly and intuitively with innovative visualization technology

On the monitor, a brain spins slowly and can be examined from every angle. Suddenly, some sections start glowing, first on the side and then the entire back of...

Im Focus: Superschneller Internetfunk dank Terahertz-Strahlung

Wissenschaftler aus Dresden und Dublin haben einen vielversprechenden technologischen Ansatz gefunden, der Notebooks und anderen mobilen Computern in Zukunft deutlich schnellere Internet-Funkzugänge ermöglichen könnte als bisher. Die Teams am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und am irischen Trinity College Dublin brachten hauchdünne Schichten aus einer speziellen Verbindung von Mangan und Gallium dazu, sehr effizient Strahlung im sogenannten Terahertz-Frequenzbereich auszusenden. Als Sender in WLAN-Funknetzen eingesetzt, könnten die höheren Frequenzen die Datenraten zukünftiger Kommunikations-Netzwerke spürbar erhöhen.

„Wir halten diesen Ansatz für technologisch sehr interessant“, betont Dr. Michael Gensch, Leiter einer Arbeitsgruppe am HZDR, die sich mit den...

Im Focus: Newly discovered material property may lead to high temp superconductivity

Researchers at the U.S. Department of Energy's (DOE) Ames Laboratory have discovered an unusual property of purple bronze that may point to new ways to achieve high temperature superconductivity.

While studying purple bronze, a molybdenum oxide, researchers discovered an unconventional charge density wave on its surface.

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

8. Forum Energie

26.07.2016 | Veranstaltungen

Kongress für Molekulare Medizin: Krankheiten interdisziplinär verstehen und behandeln

20.07.2016 | Veranstaltungen

Ultraschnelle Kalorimetrie: Gesellschaft für thermische Analyse GEFTA lädt zur Jahrestagung

19.07.2016 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Vernetzt und intuitiv: HEIDENHAIN-Steuerungen in der digitalen Fertigung

26.07.2016 | Messenachrichten

mayr® Antriebstechnik auf der Wind Energy 2016

26.07.2016 | Messenachrichten

Miniaturisiertes Infrarot-Thermometer für Kunststoff-Folien

26.07.2016 | Messenachrichten