Laserionenquelle-Falle (LIST)

Die Laserionenquelle LIST

Standard-Laserionenquellen bieten eine hohe Effizienz sowie Elementselektivität auf Grund der einzigartigen Levelstruktur durch Laser anregbarer Atomzustände. Mit nachfolgender Massenseparation ist somit die Produktion isotopenreiner Ionenstrahlen möglich. Limitiert wird die Anwendbarkeit durch zur resonanten Laserionisation konkurrierenden Ionisationsmechanismen in der Quelle. Vorrangig ist dies Oberflächenionisation an den Wänden im heißen Atomisationsofen. Insbesondere Elemente mit niedrigem Ionisationspotential, wie Alkali- und Erdalkalimetalle, sind davon stark betroffen. Treten sie als Isobaren zu den zu untersuchenden Isotopen auf, können sie diese zum Teil nur in geringen Mengen produzierten Nuklide im Ionenstrahl um Größenordnungen übertreffen. Laserspektroskopische Untersuchungen sind bei einem solch immensen Untergrund nicht möglich, ebenso wenig können auf Isotopenreinheit aufbauende Nachfolgeexperimente beliefert werden.

In der Arbeitsgruppe LARISSA wurde die auf diese Herausforderung maßgeschneiderte Laserionenquelle LIST (Laser Ion Source and Trap) entwickelt. Zentrales Prinzip ist hier die räumliche Trennung von heißer Atomisationsregion und Laserionisationsvolumen. Die resonante Laserionisation findet dabei innerhalb einer Radiofrequenz-Quadrupolstruktur statt, die für radialen Einschluss der Ionen und Abschirmung vor dem starken Extraktionsfeld sorgt. Diese Struktur befindet sich direkt am Ausgang der Atomisationskavität und ist von dieser durch eine oder mehrere elektrostatische Elektroden getrennt. Mit entsprechend eingestellten Potentialen können sämtliche in der heißen Quelle erzeugten Ionen am Eintritt gehindert werden, so dass nur neutrale Teilchen in das Volumen eindringen und durch die Laser elementselektiv ionisiert werden können. Es folgt konventionell die Extraktion in den Massenseparator und damit darin die Auswahl des zu untersuchenden Isotops.

Prinzip der hochselektiven Laserionenquelle LIST

 

Die LIST wurde speziell für den Einsatz bei ISOLDE am CERN, einer Einrichtung zur Produktion exotischer radioaktiver Isotope, entwickelt und dort erfolgreich für laserspektroskopische Untersuchungen an der Hyperfeinstruktur von neutronenreichen Poloniumisotopen verwendet, die vormals auf Grund der um Größenordnungen stärkeren Kontamination durch oberflächenionisiertes Francium nicht experimentell zugänglich waren.

Adaption für hochauslösende Spektroskopie

Die Geometrie der LIST bietet eine weitere Möglichkeit, um hochauflösende Laserspektroskopie in Verbindung mit einer heißen Atomisationsquelle durchzuführen. Während im Standard-Einsatz bei direktem Einschuss der Laser in die Quelle die spektrale Auflösung durch die Dopplerverbreiterung der Resonanzen im heißen Atomdampf beschränkt ist, können hier alternativ die Laser auch senkrecht zum austretenden Atomstrahl in die Quadrupolstruktur eingestrahlt werden. Die Breite der Geschwindigkeitsverteilung der Atome in Richtung der Laserstrahlen ist dadurch stark reduziert, und eine Erhöhung der spektralen Auflösung von typischerweise mehreren GHz auf deutlich unter 100 MHz wird erreicht.

Adaption der LIST für hochauflösende Laserspektroskopie mittels transversaler Lasereinstrahlung