Entwicklung von Laserionenquellen

Geladene Teilchen können durch elektrische und magnetische Felder beeinflusst und transportiert, separiert oder gefangen werden. Somit sind Vorrichtungen zur Ionisation neutraler Atome häufig Grundstein vieler Experimente zu Forschung an atomaren und subatomaren Systemen. Ionenquellen verschiedener Typen sind an den weltweit führenden Einrichtungen zur Bereitstellung von Ionenstrahlen exotischer, kurzlebiger radioaktiver Elemente und Isotope im Einsatz. Auf der einen Seite ist dabei die genaue Kenntnis der physikalischen Vorgänge in der Quelle essentiell, auf der anderen Seite lassen sich durch entsprechende Experimente an den Ionisationsprozessen in der Quelle selbst neue Erkenntnisse zur Struktur der untersuchten Nuklide ziehen.

Die Arbeitsgruppe LARISSA beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von Ionenquellen auf dem Prinzip der Laserresonanz-Ionisationsspektroskopie. Dabei werden zunächst Atome in einem Ofen verdampft und in den monoatomaren Zustand überführt. Mit entsprechend spektral eingestellter Laserstrahlung wird dann ein Elektron des Atoms aus dem Grundzustand resonant über mehrere angeregte Zustände über das Ionisationspotential gehoben und somit vom Atom abgelöst. Da die Anregungszustände für jedes Element einzigartig sind, lässt sich durch Einstellung der Wellenlänge der Laser selektiv ein einzelnes Element zur Ionisation auswählen. Mit nachfolgenden Extraktionselektroden wird dann ein Ionenstrahl dieses Elements erzeugt, aus dem in massenselektiven Elementen wie Quadrupolmassenfiltern oder Dipolmagneten zusätzlich Ionen einer Masse ausgewählt werden können. Durch Kombination von hocheffizienter elementselektiver resonanter Laserionisation und anschließender Massenseparation können dadurch isotopenreine Ionenstrahlen an nachfolgende Experimente weitergeleitet oder direkt detektiert werden.

Prinzip einer Laserionenquelle mit nachgeschalteter Massenseparation

Bild aus: F. Schneider et al., "Resonance ionization of holmium for ion implantation in microcalorimeters" In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 376 (2016), pp. 388-392

Die Weiterentwicklung dieser Ionenquellen in der Arbeitsgruppe zielt auf mehrere Aspekte ab:

  • Durch strukturelle Anpassungen wird die Temperaturverteilung in der Quelle optimiert und die Effizienz der Elementextraktion erhöht.
  • In systematischen Untersuchungen werden neue Anregungsschemata entwickelt und die Ionisationseffizienz gesteigert.
  • Der Ionenstrahl kann Kontaminationen durch konkurrierende Ionisationsmechanismen enthalten, vorrangig auf Grund von Oberflächenionisation an den heißen Wänden der Quelle. Das Konzept der LIST-Ionenquelle beinhaltet die aktive Unterdrückung dieser Kontaminationen in der Quelle selbst.
  • Die spektrale Auflösung in der Quelle ist durch die Dopplerverbreiterung der Resonanzen im heißen Atomdampf beschränkt. Für hochauflösende laserspektroskopische Untersuchungen an den Hyperfeinstrukturaufspaltungen der Übergänge werden dedizierte Wechselwirkungsgeometrien von Laser und Atomen entwickelt.

Die Entwicklung der Quellen sowie spektroskopische Untersuchungen an stabilen und langlebigen radioaktiven Isotopen werden in Mainz am Institut für Physik an einem 30kV-Massenseparator mit eigenem, in der Gruppe entwickeltem Titan:Saphirlasersystem durchgeführt. In enger Kollaboration mit führenden Einrichtungen weltweit, etwa ISOLDE am CERN, kommen die Ergebnisse und Entwicklungen hochaktueller atom- und kernphysikalischer Forschung zugute.

 

Lasersystem am RISIKO off-line Massenseparator

Die Anforderungen an ein gepulstes Lasersystem zum Einsatz in einer Laserionenquelle sind: geringe Linienbreite für eine hohe Selektivität, hohe Pulsleistung, kurze Pulsdauer, gute Strahlqualität, weiter Durchstimmbereich und einfache Handhabung. Durch eine hohe Peakintensität ist es möglich die optischen Übergänge in einem großen Volumen zu sättigen. Dies resultiert in einer hohen Effizienz der Laseranregung und der Reduzierung des Untergrunds durch das Verhältnis zwischen Pulsdauer und Zwischenzeit zweier Pulse.

 
Ti:Sa-Laser in Betrieb
Resonator des Ti:Sa-Lasers

Der oben gezeigte Laser wurde konstruiert, um diese Anforderungen bestmöglich zu erfüllen. Als aktives Medium wird ein Titan-Saphir-Kristall verwendet, wodurch ein Durchstimmbereich von etwa 600-1000 nm möglich wird. Der durch die derzeit verwendeten Spiegelsätze zugängliche Bereich beträgt 725 bis 920 nm. Zur Wellenlängenselektion werden ein Drei-Platten-Birefringent-Filter und ein Etalon eingesetzt. Für unsere Anwendungen wurden drei identische Laser aufgebaut. Da wir für unsere Anwendungen die Pulse zum gleichen Zeitpunkt benötigen und sie durch einen gemeinsamen Pumplaser gepumpt werden, enthält jeder Laser eine Pockels-Zelle als Q-Switch im Resonator zur zeitlichen Synchronisation der Pulse. Das Etalon ist computergesteuert, die Wellenlängenmessung erfolgt über ein kommerzielles Wavemeter. Um den zugänglichen Wellenlängenbereich zur erweitern, ist die effiziente Frequenzverdopplung und -verdreifachung des Laserlichts möglich. Somit sind die Wellenlängenbereiche von 240 bis 306 nm und 362 bis 460 nm ebenfalls zugänglich, wodurch die Ionisation einer Vielzahl von Elementen mit unserem Ti:Sa-Lasersystem möglich ist.

Typische Leistungen sind 1.5 W bei 10 W Pumpleistung @ 532 nm mit 10 kHz Repetitions-Rate. Die Pulse unter diesen Bedingungen sind 35 ns lang aber auch Pulsdauern unter 20 ns sind möglich. Die Linienbreite ist etwa 3-5 GHz , die Strahlform ist TEM00.

Verdreifachungseinheit für das Ti:Sa Lasersystem