Ionenkühler zur selektiven optischen Filterung von Anionen

Für den Nachweis langlebiger Radioisotope mit typischen Häufigkeiten im Bereich 10-12 bis 10-16 hat sich die Beschleunigermassenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry, AMS) als mächtiges Werkzeug nicht nur für die Radiokohlenstoffdatierung in der Archäologie, sondern auch in vielen anderen Bereichen wie Erdwissenschaften, Umweltwissenschaften und Biomedizin etabliert. Wie jede andere massenspektrometrische Methode ist auch AMS durch die Schwierigkeiten bei der Trennung von benachbarten Isobaren limitiert. Verschiedene Methoden sind im Gebrauch um diesem Umstand Rechnung zu tragen - unter anderem die Verwendung negativ geladener Ionen, die Extraktion spezieller Moleküle oder die Trennung von Isobaren durch ihren unterschiedlichen Energieverlust in Materie. Wobei letzteres stark von der zur Verfügung stehenden Teilchenenergie abhängt und damit ein unteres Limit für die Größe des verwendeten Beschleunigers stellt. Im Rahmen dieses Projekts schlagen wir ein neues Verfahren zur Isobarentrennung unter Verwendung eines sogenannten "selektiven optischen Filters" vor. Negativ geladene Ionen werden dabei durch Wechselwirkung mit Laserstrahlen in einem "Photodetachment" genannten Prozess neutralisiert. Nur wenn die Energie der Photonen über der Elektronenaffinität des Anions liegt, kann Photodetachment auftreten. Da die Elektronenaffinität nur durch die elektronische Struktur des Atoms bestimmt ist, ist dieser Prozess Elementspezifisch. Mit einer geeigneten Laserwellenlänge ist es daher möglich, selektiv die störenden Isobare zu unterdrücken während die erwünschten Isotope unangetastet bleiben. Jedoch sind ausreichende Kenntnisse über erlaubte Übergänge in den betreffenden negativen Ionen unerlässlich. Aufgrund der niedrigen Wirkungsquerschnitte des Photodetachment Prozesses ist eine lange Wechselwirkungszeit zusammen mit einer hohen Photonen-dichte notwendig um eine ausreichende Unterdrückung der störenden Isobare zu erreichen. Dies erfordert einen guten Überlapp des Laserstrahls mit dem Strahl negativer Ionen. Um dies zu erreichen, werden die Ionen in einem gasgefüllten Radiofrequenzquadrupolkühler abgebremst. Ein weiterer Vorteil eines Ionenstrahlkühlers ist dessen Fähigkeit, angeregte Zustände zu reduzieren um damit Strahlen negativer Ionen im Grundzustand zu erhalten. Zum Studium fundamentaler Eigenschaften negativer molekularer Ionen beabsichtigen wir die Entwicklung eines gasgefüllten Radiofrequenzquadrupolkühlers, welcher speziell für Einfang und Kühlung negativ geladener molekularer Ionen geeignet ist. Zum Testen des Geräts wird ein kleines Spektrometer zur Produktion massenseparierter Strahlen negativer Ionen aufgebaut, bestehend aus einer Cäsium Sputterionenquelle und einem kombinierten elektrostatischen und magnetischen Massenfilter. Der Aufbau wird für negative Ionen mit Massen bis zu ~300 amu ausgelegt. Zum Test der Effizienz des Kühlers sowie zum Studium fundamentaler Eigenschaften ausgewählter atomarer und molekularer negativer Ionen ist Standard-Laserausstattung Teil des Projekts. Zur Durchführung spezieller Studien wird der Kühler zeitweilig an dem Ionenstrahlaufbau GUNILLA (Göteborg University Negative Ion (co)Linear Laser Apparatus) an der Universität Göteborg installiert. Die Vorkehrungen zur Verknüpfung des Kühlers mit GUNILLA werden schon beim Design des Gerätes berücksichtigt.

Bei der Untersuchung von Proben mit Hilfe von Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) ist es wichtig dafür zu sorgen, dass die Ergebnisse nicht durch andere Teilchen mit vergleichbarer Masse gestört werden. Im Rahmen dieses Forschungsprojekt soll ein neuartiger Ansatz verfolgt werden um dies zu verhindern. Dabei soll den zuerst negativ geladenen unerwünschten Teilchen mit Hilfe von Laserlicht ihr überschüssiges Elektron geraubt und damit die Messung der gesuchten Teilchen ermöglicht werden. Dieses sogenannte Laser-photodetachment ist dabei von der elektronischen Konfiguration des Ions und damit von seiner Kernladungszahl und nicht unmittelbar von der Masse abhängig. Durch Auswahl von Laserlicht geeigneter Wellenlänge soll sichergestellt werden, dass nur die unerwünschten Teilchen durch die Wechselwirkung mit den Photonen neutralisiert werden. Ein wesentlicher Nachteil dieser Methode ist die geringe Wechselwirkungsrate bei den Lichtleistungen der derzeitig verfügbaren Laser. Um die Effizienz dahingehend zu erhöhen werden die Teilchen in einem gasgefüllten Radiofrequenz Quadrupolkühler gestoppt und so die Zeitdauer für die Wechselwirkung zwischen Laserphotonen und den Ionen drastisch erhöht. Ein entsprechendes Gerät wurde in einem eigens dafür bereitgestellten Labor an einer Testanlage aufgebaut und getestet. Die Resultate davon sind vielversprechend und zeigen, dass Transporteffizienzen durch den Kühler von bis zu 80 % möglich sind. Bei Ionenströmen von 80 nA und einem eingesetzten Laser mit 10 W Dauerstrichleistung konnte eine Unterdrückung der unerwünschten Teilchen um einen Faktor 105 nachgewiesen werden. Dies zeigt uns, dass der aufgebaute Ionenkühler den gewünschten Anforderungen entspricht und als nächster Schritt ist nun die Verbindung mit einem Beschleuniger-Massenspektrometer notwendig um die Anwendbarkeit unserer Methode unter realen Bedingungen demonstrieren zu können. Dadurch sollte es möglich werden, seltene Teilchen zu untersuchen, die bisher nur entweder in sehr großen Anlagen oder gar nicht untersucht werden können. Als Beispiele wäre hier das Isotop 60Fe zu nennen, welches in Supernova Explosionen entsteht und dessen Nachweis auf der Erde die Existenz einer früheren, erdnahen Sternexplosion belegt. Eisen-60 konnte bisher nur an großen Anlagen nachgewiesen werden. Ein weiteres Beispiel ist das Isotop 182Hf, welches ebenfalls in Sternexplosionen produziert wird und dessen Nachweis in Sedimentschichten auf der Erde auch mit den größten verfügbaren Anlagen bisher nicht zweifelsfrei gelungen ist.