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Ein Lambshift-Polarimeter für Novosibirsk

Die Stern-Gerlach Methode, wie sie auch am polarisierten Target von ANKE verwendet wurde um eine atomaren Strahl aus Wasserstoff oder Deuterium zu erzeugen, kann auch zur Erzeugung eines polarisierten molekularen Strahls verwendet werden. Während normalerweise die Atome mit magnetischen Feldgradienten durch die Wechselwirkung mit dem Elektronenspin fokussiert werden, ist dies auch bei Molekülen möglich, obwohl hier nur die viel kleineren Kernspins zur Verfügung stehen. In diesem Fall muss das kleiner magnetische Moment der Kerne mit Hilfe von stärkeren und längeren magnetischen Feldern, sowie kleinere Geschwindigkeiten der Moleküle im Strahl ausgeglichen werden. Solche eine Molekular Beam Source (MBS) mit supraleitenden Magneten wird zur Zeit in Novosibirsk vorbereitet. Eine mögliche Anwendung ist die Verbesserung von polarisierten internen Targets für Teilchenbeschleuniger, aber auch die Produktion von polarisiertem Treibstoff für die Energiegewinnung durch Kernfusion ist in Reichweite.

Ein Lambshift Polarimeter (LSP) hat sich als einzigartiges Werkzeug erwiesen, um die Kernspinpolarisation von Wasserstoff- und Deuterium-Molekülen zu messen. Dabei werden die Atome oder Moleküle zuerst durch Elektronenbeschuß in einem starken Magnetfeld ionisiert, um so die Kernspin-Polarisation zu erhalten. Anschließend werden die polarisierten Protonen/Deuteronen und H2+, D2+oder HD+ Molekül-Ionen in eine Cäsium-Zelle beschleunigt. Durch Ladungsaustausch mit dem Cäsium werden so metastabile Wasserstoff-/Deuterium-Atome im 2S-Zustand erzeugt. Die wichtigste Komponente dieses Polarimeters ist der ”Spinfilter”, der in der Lage ist einzelne Hyperfeinstruktur-Unterzustände der metastabilen Wasserstoffatome zu separieren. Diese metastabilen Atome werden anschließend durch Stark-Quenching mithilfe starker elektrischer Felder in den Grundzustand gezwungen. Die Menge der emittierten Lyman-α Photonen kann mit Hilfe einen Photomultiplieres gemessen werden. Auf diese Weise kann die relative Besetzung der verschiedenen Spinzustände der primären Protonen/Deuteronen, sowie der H2+, D2+oder HD+ Molekülionen ermittelt werden, was wiederum die Bestimmung der Kernspin-Polarisation der Wasserstoff-/Deuterium-Atome oder der entsprechenden Moleküle am Eingang des Polarimeters erlaubt.

Lyman-Spektrum der MolekülionenLyman-Spektrum der Molekülionen: Aus der Anzahl der Photonen, die beim Übergang der metastabilen Atome in den Grundzustand erzeugt werden, kann die Kernspin-Polarisation direkt berechnet werden. In diesem Beispiel wurden Polarisationen um die -0.8 für die Protonen und Deuteronen in den Moleküle gemessen.
Copyright: R. Engels / Forschungszentrum Jülich

Diese Technik wurde bereits zuvor genutzt um die Polarisation des ANKE-Targets oder von Molekülen nach der Rekombination polarisierter Atome zu messen. In einem Deutsch-Russischen Gemeinschaftsprojekt (DFG grant: BU 2227/1-1)) in Zusammenarbeit zwischen dem IKP, dem PGI 6, der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf und dem Budger Institut in Novosibirsk wird zur Zeit ein neues LSP entwickelt, das dann mit einem zusätzlichen Ionisierer des Budger Instituts kombiniert werden soll. Erste Messungen in Russland sind für den Herbst 2018 geplant.

In einem nächsten Schritt könnte es möglich sein die polarisierten Moleküle zu sammeln, z.B. als Eis auf kalten Oberflächen, um diese als polarisierte Targets für die Laserbeschleunigung von polarisierten Protonen und Deuteronen im MeV Energiebereich zu verwenden. Eine weitere Option wäre die Messung des Einflusses polarisierten Treibstoffs auf laserinduzierte Fusionsexperimente.

Ein Lambshift –Polarimeter im Institut für KernphysikEin Lambshift –Polarimeter im Institut für Kernphysik
Copyright: R. Engels / Forschungszentrum Jülich

Zusatzinformationen

Kontaktpersonen im IKP-2:

Dr. Ralf Engels


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