Fortschritte in der kollinearen Resonanzionisationsspektroskopie

Laser-Spektroskopie ist ein Verfahren, um die Eigenschaften von radioaktiven Atomen und Ionen zu untersuchen. Seit vielen Jahren spielt es eine zentrale Rolle beim Verständnis von Kernzuständen. Durch das Beobachten der Details, wie Atome während bestimmter Übergänge agieren, können Wissenschaftler Informationen über die zugrunde liegenden Kernkräfte sammeln und wie sie sich ändern, wenn die Anzahl der Teilchen im Kern variiert.

Bei radioaktiven Spezies gibt es zwei Haupttechniken, die oft verwendet werden: In-Source Resonanz-Ionisierungs-Spektroskopie (RIS) und Fluoreszenz-Detektions-Kollinäre-Laser-Spektroskopie (CLS).

#Was ist CRIS?

CRIS, das für kollinäre Resonanz-Ionisierungs-Spektroskopie steht, kombiniert die Vorteile von RIS und CLS. Diese Methode bietet hohe Empfindlichkeit und hohe Auflösung, was sie effektiv für das Studium seltener Elemente macht, die in kleinen Mengen produziert werden. CRIS hat erfolgreich Materialien gemessen, die mit Raten von nur 20 Kernen pro Sekunde produziert werden, und hat eine hohe Auflösung von 20 MHz erreicht.

Kürzlich haben Wissenschaftler CRIS auch verwendet, um radioaktive Moleküle zu untersuchen. Das ist wichtig für die Forschung zu grundlegenden physikalischen Prinzipien. Neue Setups werden derzeit an anderen Orten gebaut, wie dem IGISOL-Labor in Finnland und der Facility for Rare Isotope Beams in den USA.

#Jüngste Upgrades bei CRIS

Um das CRIS-Experiment zu verbessern, arbeiten Wissenschaftler ständig an der Aufrüstung der Technologie. Das sorgt dafür, dass sie bessere Ergebnisse bei der Messung radioaktiver Elemente erzielen können. Kürzlich wurde ein neues Spannungsscanning-Setup eingeführt, das schnellere Messungen ermöglicht. Dieses neue System kann die hyperfeine Struktur von Atomen viel schneller messen als zuvor, insbesondere bei Proben, die viele Ionen erzeugen.

Neben dem Spannungsscanning wurden mehrere Teile der Strahlführung, also dem Weg, den die Ionen zurücklegen, neu gestaltet, um die Leistung zu verbessern. Zu den Upgrades gehören eine neue Feld-Ionisations-Einheit, eine schärfere Biegung in der Strahlführung und bessere Ionenoptik. Diese Änderungen sollen das Hintergrundrauschen signifikant reduzieren und es einfacher machen, Signale von den interessierenden Ionen zu erkennen.

#Wie funktioniert CRIS?

Im CRIS-Verfahren werden kurzlebige, schnell bewegte Ionen in einen Bereich gebracht, wo sie mit einem Gas neutralisiert werden. Sobald sie neutralisiert sind, werden diese Atome dann mit Laserlicht bestrahlt. Die Laser regen die Atome an, sodass Elektronen entfernt werden können. Nach der Anregung werden diese Ionen mit einem speziellen Gerät, dem MagneToF-Detektor, erfasst. Alle gesammelten Daten werden dann verarbeitet, um Einblicke in die atomare Struktur und die Kernkräfte zu geben.

In einem typischen CRIS-Prozess beginnt das Atom in einem Niedrigenergie-Zustand. Wenn die Laser gezündet werden, regen sie die Atome an, was zu Übergängen in höhere Energiezustände führt. Da die Wissenschaftler an klaren Ergebnissen interessiert sind, stimmen sie die Laser auf die Energieniveaus der untersuchten Atome ab.

Damit CRIS effektiv ist, wird eine Umgebung mit sehr niedrigem Druck aufrechterhalten, um unerwünschte Reaktionen zu vermeiden, die die Messungen stören könnten. Das Ziel ist es, sicherzustellen, dass nur die interessierenden Atome erfasst werden, um präzise und genaue Messwerte zu erhalten.

#Vorteile des Spannungsscanings

Anstatt die Wellenlänge des Lasers anzupassen, nutzt der neue Ansatz die Geschwindigkeit des Ionenstrahls und einige clevere physikalische Tricks, die als Doppler-Effekt bekannt sind. Durch die Anpassung der Energie des Strahls durch Spannungsänderungen können Wissenschaftler den Laser auf einer konstanten Wellenlänge halten. Das führt zu stabileren Messungen und macht den gesamten Prozess viel schneller.

Das Spannungsscanning hat auch den Vorteil, dass die Ausrüstung schnell reagieren kann, wodurch eine schnellere Messzeit erreicht wird. Das ist besonders nützlich für Elemente, die in grösseren Mengen produziert werden, da es den Wissenschaftlern ermöglicht, Experimente effizienter durchzuführen.

Allerdings bringt diese Methode auch einige Herausforderungen mit sich. Das Beschleunigen des Ionenstrahls verändert seinen Fokus, was den Erkennungsprozess behindern könnte. Um dem entgegenzuwirken, hat das CRIS-Team ein ausgeklügeltes Elektroden-Design entwickelt, das den Energieänderungen des Ionenstrahls kontrolliert, um negative Auswirkungen auf die Messungen zu minimieren.

Ergebnisse von Tests mit verschiedenen Ionen zeigten, dass die mit Spannungsscanning gesammelten Daten im Einklang mit traditionellen Methoden standen. Das neue Setup hat sich als effektiv erwiesen und eine signifikante Reduzierung der Messzeit erreicht.

#Neue Entwicklungen in der Strahlführung

Um die Ergebnisse und Möglichkeiten weiter zu verbessern, arbeitet das CRIS-Experiment an einem neuen Abschnitt am Ende der Strahlführung. Dieses Upgrade wird bestehende Komponenten ersetzen und die Funktionalität und Effizienz des Systems verbessern.

Das neue Design umfasst eine energie-selective Feld-Ionisierungs-Einheit, die verbessert, wie die Ionen ionisiert und detektiert werden. Dieser neue Abschnitt ist entscheidend, um Ionen von Interesse von unerwünschten Hintergrundsignalen zu trennen, die die Ergebnisse verdecken können. Die Feld-Ionisierung erlaubt eine effizientere Methode als die Verwendung von Lasern, die übermässigen Lärm erzeugen können.

Die aktualisierte Strahlführung verfügt auch über eine 34-Grad-Biegungskammer. Diese Verbesserung hilft, spezifische Ladungszustände der Ionen auszuwählen und sie besser zu trennen, was besonders nützlich für die Analyse bestimmter Elementgruppen ist.

Ausserdem umfasst das neue Setup einen Einzel-Ionendekektor und zusätzliche Ausrüstung, um komplexe Experimente durchzuführen, wodurch eine Vielzahl von Techniken genutzt werden kann. Durch die Verbesserung des Ionentransports und die Erhöhung der Erkennung wird erwartet, dass die Upgrades die Signalqualität erheblich verbessern.

#Zukunftsaussichten

Mit diesen Fortschritten ist CRIS bereit, neue Möglichkeiten für die Forschung in der Kernphysik zu eröffnen. Das neue Spannungsscanning-System und die neu gestaltete Strahlführung zielen darauf ab, schnellere, genauere Messungen zu erreichen, insbesondere für Spezies, die in begrenzten Mengen produziert werden.

Während die Wissenschaftler weiterhin die Fähigkeiten des CRIS-Experiments verfeinern und erweitern, wird erwartet, dass neue Entdeckungen über die Eigenschaften exotischer Kerne gemacht werden. Das Verständnis von Isotopen mit niedrigen Produktionsausbeuten ist entscheidend, um Licht auf die Kernstruktur und -stabilität zu werfen.

Die Finanzierung aus verschiedenen Projekten unterstützt diese Entwicklungen und stellt sicher, dass die Forscher ihre wichtige Arbeit fortsetzen können. Mit stetigen Verbesserungen in Technologie und Methoden sind die Chancen für Durchbrüche in der Kernphysik vielversprechend. Die Forscher sind optimistisch über die Zukunft von CRIS und seine Rolle bei der Erweiterung unseres Wissens über die atomare Welt.