Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Anti-Materie im Kreisverkehr

07.06.2017

Physiker der Uni Jena und des Helmholtz-Instituts Jena haben einen hochempfindlichen Stromsensor für die Teilchenbeschleunigeranlage FAIR (Darmstadt) entwickelt. Der sogenannte Kryo-Stromkomparator ist jetzt an die Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) übergeben worden und soll noch in diesem Jahr in Darmstadt in Betrieb gehen. Das Messsystem, dessen Vorgänger bereits am Europäischen Teilchenphysikzentrum CERN läuft, ist das derzeit einzige weltweit, das Strahlströme zerstörungsfrei im Nano-Ampere-Bereich messen kann.

Sie sind die größten Forschungsanlagen überhaupt: Teilchenbeschleuniger, wie der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Teilchenphysikzentrum CERN. Sie katapultieren geladene Teilchen auf extreme Geschwindigkeiten und lassen sie in gezielten Kollisionen aufeinander los.


Ingenieur Ralf Neubert von der Uni Jena arbeitet an dem hochempfindlichen Kryo-Stromkomparator, der noch in diesem Jahr in der Teilchenbeschleunigeranlage FAIR in Darmstadt zum Einsatz kommen soll.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU


Techniker Matthias Thürk von der Uni Jena an der Anlage zur Heliumverflüssigung. Mehrere Hundert Liter flüssiges Helium sind für den Betrieb des Messsystems nötig, das bei minus 269 °C arbeitet.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Treffen die winzigen Geschosse mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander, entstehen andere Elementarteilchen, anhand derer sich grundlegende Fragen zum Aufbau von Materie und nicht zuletzt des Universums erforschen lassen.

„Solche winzigen und nur in geringer Zahl vorkommenden Teilchen zu detektieren, erfordert allerdings hochpräzise Messtechnik“, sagt apl. Prof. Dr. Frank Schmidl von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Der Physiker und sein Team vom Institut für Festkörperphysik haben gemeinsam mit Kollegen des Helmholtz-Instituts Jena (HIJ), des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (IPHT), der GSI und Wirtschaftspartnern einen solch hochempfindlichen Sensor zur Strahlstromdiagnostik entwickelt, mit dem sich extrem kleine elektrische Ströme und damit Elementarteilchen, wie Ionen, Protonen oder Anti-Protonen, zerstörungsfrei und berührungslos messen lassen.

Ein Vorläufer des Jenaer Messsystems ist bereits seit 2015 am CERN in Betrieb. Ein größerer Nachfolger ist jetzt an die im Aufbau befindliche internationale Teilchenbeschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) der GSI in Darmstadt übergeben worden und soll noch in diesem Jahr vor Ort in Betrieb gehen.

Die Grundlagen der Jenaer Entwicklung beschreibt Prof. Schmidl: „Jedes geladene Teilchen, das sich bewegt, erzeugt ein Magnetfeld und dieses Feld lässt sich messen.“ Soweit so unspektakulär. „Im Falle einzelner oder nur in geringer Zahl vorhandener Elementarteilchen sind jedoch die induzierten Magnetfelder äußerst gering“, macht der Jenaer Physiker deutlich.

Um diese extrem winzigen Änderungen des Magnetfelds im Beschleuniger aufzuspüren, die durch einzelne Teilchen verursacht werden, muss der entsprechende Sensor Ströme im Nano-Ampere-Bereich messen können.

Dass ihr Kryo-Stromkomparator dies zuverlässig gewährleistet, haben die Jenaer Physiker kürzlich bei der Übergabe ihres Messsystems an die GSI demonstriert. Herzstück des in der institutseigenen Werkstatt entwickelten und gebauten Messgerätes ist ein Quanteninterferometer – ein Ring von etwa 35 Zentimetern Durchmesser aus supraleitendem Niob, kombiniert mit einer ebenfalls supraleitenden Abschirmung. „Damit halten wir störende magnetische Hintergrundfelder ab, die die winzigen Änderungen im Magnetfeld, die wir messen wollen, ansonsten überlagern“, erläutert Dr. Volker Tympel vom HIJ.

Während seines Einsatzes steckt der Stromkomparator in einem mannshohen Metallbehälter. Denn: Um das Schwermetall Niob in den Zustand der Supraleitung zu versetzen – die Voraussetzung für die präzise Messung der extrem geringen Magnetfeldänderungen – muss es auf minus 269 °C (bzw. 4,2 Kelvin) abgekühlt werden. „Eine solche Temperatur kommt sonst nur in den Tiefen des Universums vor“, so Ingenieur Tympel. Mehrere Hundert Liter flüssiges Helium sind für jede einzelne Messung notwendig, um den Sensor auf Betriebstemperatur zu frosten.

Neben der hohen Empfindlichkeit hat die Jenaer Innovation einen weiteren Vorteil, der sie weltweit einzigartig macht. „Unser Kryo-Stromkomparator arbeitet zerstörungsfrei, das heißt für die Messung greift er nicht in den Teilchenstrom ein“, verdeutlicht Tympel. Dies mache das Messsystem insbesondere für den Einsatz zur Messung von Anti-Teilchen, wie Anti-Protonen interessant, wie sie in Darmstadt geplant sind. „Deren Erzeugung ist überaus aufwendig und die Ausbeuten gering, was eine empfindliche und die Strahlstärke nicht beeinflussende Messtechnik erforderlich macht.“

Kontakt:
apl. Prof. Dr. Frank Schmidl, Dr. Volker Tympel
Arbeitsgruppe Tieftemperaturphysik
Institut für Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtzweg 5, 07743 Jena,
Tel.: 03641 / 947429, 03641 / 947427
E-Mail: frank.schmidl[at]uni-jena.de, volker.tympel[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Superauflösende Mikroskopie - Neue Markierungssonden im Nanomaßstab
21.08.2018 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Quantenverschränkung erstmals mit Licht von Quasaren bestätigt
20.08.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

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: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Dialog an Deck, Science Slam und Pong-Battle

21.08.2018 | Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Auf dem Weg zur personalisierten Medizin

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

In Form gebracht

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Superauflösende Mikroskopie - Neue Markierungssonden im Nanomaßstab

21.08.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics