Ein Speicherring für Ionen

Um die Eigenschaften von geladenen Atomen – auch Ionen genannt – zu untersuchen, entsteht am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionen­forschung in Darmstadt zurzeit der Beschleunigerkomplex FAIR. Als erste Anlage ging der Speicherring CRYRING in Betrieb. Er soll nicht nur neue Erkenntnisse für die Atom- und Kernphysik liefern, sondern auch die Inbetriebnahme weiterer Beschleuniger erleichtern.

Die Frage nach dem Aufbau der Materie trieb bereits Philosophen und Physiker in der Antike um. Heute weiß man zwar schon viel über das, was die Welt im Innersten zusammenhält, doch noch sind längst nicht alle Antworten gefunden. Eines der Hauptwerkzeuge bei dieser Detektivarbeit waren und sind große ringförmige Anlagen, in denen Elementarteilchen und Ionen beschleunigt, aber auch gespeichert werden können. Um die Eigenschaften dieser Teilchen zu untersuchen, lassen Physiker sie zusammenprallen und untersuchen die „Trümmer“ dieser Kollisionen. An der Facility for Antiproton and Ion Research oder kurz FAIR in Darmstadt entsteht momentan ein ganzer Komplex solcher Beschleuniger und Speicherringe.

Im vergangenen Jahr startete als erste Anlage von FAIR der Speicherring CRYRING, in dem sich schwere Ionen speichern und anschließend mit verschiedenen Methoden untersuchen lassen. Zuvor war der Ring fast zwei Jahrzehnte lang am Manne-Siegbahn-Labor in Stockholm für die Atom- und Molekülphysik in Betrieb. Als schwedischer Beitrag für den internationalen Zusammenschluss der am FAIR-Zentrum forschenden Universitäten und Forschungseinrichtungen aus der ganzen Welt transportierte man ihn 2013 nach Darmstadt. Dort wurde er gemeinsam von Wissenschaftlern und Technikern des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, des Helmholtz-Instituts Jena sowie der Universitäten Groningen, Jena, Krakau und Stockholm aufgebaut. „Im Oktober 2016 haben die Kollegen von der GSI erstmals einen Ionenstrahl in den CRYRING eingeschossen. Wenig später gelang es ihnen auch, den Strahl einmal im Ring umherlaufen zu lassen“, berichtet Stefan Schippers von der Universität Gießen. Er ist der Sprecher des deutschen APPA-Verbundes, der sich zusammen mit internationalen Partnern um den Aufbau und die Inbetriebnahme von Experimenten am CRYRING kümmert. APPA steht für „Atomic, Plasma Physics and Applications“ – also Atom-, Plasmaphysik und Anwendungen – und ist eine der vier Säulen des Experimentierprogramms am Beschleunigerzentrum FAIR.

Auf dem Weg zum Routinebetrieb

Wenn die Forscher den Ionenstrahl in den CRYRING einspeisen, haben die Partikel bereits einige Stationen durchlaufen. Zunächst werden sie auf einer geraden Strecke – in einem sogenannten Linearbeschleuniger – mithilfe eines elektromagnetischen Feldes beschleunigt. Von dort gelangen sie in einen Kreisbeschleuniger, in dem sie bei jedem Umlauf zusätzliche Energie gewinnen, ebenfalls durch elektromagnetische Felder. Auf diese Weise lassen sich schnelle Ionen erzeugen, die dann zu verschiedenen Experimenten und Speicherringen, wie etwa dem CRYRING, weitergeleitet werden.

Während in vielen Experimenten solche schnellen Ionen gefragt sind, werden die Ionen im CRYRING auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Energie abgebremst. Die verlangsamten Ionen kreisen dann mit konstanter Energie auf einer Kreisbahn, wo die Wissenschaftler sie für Experimente nutzen können. „Eine der hervorstechenden Eigenschaften von CRYRING ist es, dass man Teilchen bei relativ geringen Energien speichern kann, was zu einer hohen Präzision führt“, erklärt Schippers. Zudem können die Wissenschaftler die Ionen im Ring mit speziellen Methoden noch stärker bündeln, sodass sie eine einheitlichere Energie aufweisen. Dadurch lassen sich die Ionenpakete besser kontrollieren und die Partikel so letztlich genauer untersuchen.

Speicherring CRYRING

Nach den ersten erfolgreichen Tests gilt es nun, CRYRING für den Routinebetrieb vorzubereiten. Momentan arbeiten Schippers und seine Kollegen vor allem daran, das Vakuum im Speicherring zu verbessern. „Wenn sich im Ring noch Gas befindet, könnten die gespeicherten Ionen mit den Gasmolekülen zusammenstoßen. Und das führt letztlich dazu, dass der Strahl verloren geht. Man kann den Strahl also umso länger speichern, je besser das Vakuum ist“, erläutert Schippers. Während seiner Laufzeit in Stockholm war CRYRING für sein hervorragendes Vakuum bekannt: Verglichen mit der Umgebungsluft befand sich weniger als ein billiardstel Teil der Gasmoleküle darin. Dieses Ultrahochvakuum hoffen die Forscher um Schippers innerhalb der nächsten Monate zu erreichen, sodass die Anlage ab nächstem Jahr permanent genutzt werden kann.

Sobald CRYRING in den Routinebetrieb geht, wollen die Physiker zwei verschiedene Arten von Experimenten durchführen. „Die meisten Experimente finden im Ring statt. Im Grunde kann man sagen: Der Ring selbst ist das Experiment. Die Ionen kreisen im CRYRING und werden dort mit unterschiedlichen Teilchen in Wechselwirkung gebracht“, so Schippers. Die geladenen Atome interagieren dabei entweder mit Elektronen, Gasmolekülen oder auch Lichtteilchen. In allen drei Fällen setzen die Physiker anschließend spektroskopische Methoden ein, um die Eigenschaften der Ionen zu untersuchen.

Denn durch die Wechselwirkung der Ionen mit anderen Teilchen entsteht elektromagnetische Strahlung. Ein Spektroskop misst die Intensität dieser Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen. Die resultierende Intensitätsverteilung verrät den Wissenschaftlern schließlich viel über die Strahlung beziehungsweise die Strahlungsquelle. So lässt sich beispielsweise die Zusammensetzung von Ionen untersuchen, indem man diese mithilfe von Elektronen „abtastet“. Mithilfe solcher Analysen wollen die Forscher verschiedene Ionen – von Helium bis Uran – mit höchster Präzision vermessen. „Wir wollen beispielsweise herausfinden, wie die Atomkerne geformt sind und wie die elektrische und magnetische Ladung in ihnen genau verteilt ist“, sagt Schippers.

Eine technische Herausforderung

Neben diesen Experimenten mit CRYRING planen Schippers und seine Kollegen auch eine weitere Anwendung. „Es gibt die Möglichkeit, Ionen aus dem Ring zu extrahieren und für materialwissenschaftliche Experimente zu nutzen. Dabei werden Proben mit Ionen beschossen, um diese entweder zu charakterisieren oder um gezielt deren Eigenschaften zu verändern“, so der Wissenschaftler. Nicht nur die Atom- und Molekülphysik zählen also zu den Forschungsgebieten, sondern auch die Kernphysik sowie die Material- und Biowissenschaften. Internationale Kollaborationen aus allen diesen Bereichen werden künftig gemeinsam an der Forschungsanlage experimentieren.

Quelle: ion42/FAIR/GSI

Illustration der geplanten Beschleunigeranlage FAIR

CRYRING spielt aber auch eine andere wichtige Rolle: Da es sich um den ersten einsatzfähigen Speicherring am FAIR-Zentrum handelt, setzt man ihn für Ausbildungszwecke und für Tests der Anlage ein. Der gesamte Komplex wird später aus einer Vielzahl an Beschleunigern und Speicherringen bestehen, durch die sich ebenfalls Ionen bewegen. „Das alles so zu kontrollieren, sodass man am Ende optimale Bedingungen erreicht, ist eine große technische Herausforderung“, erklärt Schippers. Deswegen werden die späteren Operateure des Beschleunigerkomplexes FAIR bereits am CRYRING mit dem System vertraut gemacht.

Außerdem nutzen die Wissenschaftler die Testphase, um Probleme der Anlage frühzeitig zu erkennen. „Das ist eine tolle Möglichkeit, um Kinderkrankheiten in den Griff zu bekommen, während der Rest der Beschleunigeranlage noch aufgebaut wird. Normalerweise hat man erst den Beschleuniger aufgebaut und muss sich anschließend um die Kinderkrankheiten kümmern. Hier kann man nun einen gewissen Teil der Probleme schon im Vorfeld erkennen und dann auch lösen“, so Schippers.