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 einemkombinierten 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.