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Polarisierte Moleküle

Einer der großen Vorteile von COSY ist die Möglichkeit, den Kernspin der beschleunigten Protonen oder Deuteronen auszurichten. Da diese Option auch für einige Targets besteht, kann so der Einfluss der Kernspins auf die beobachteten Kernreaktionen unter idealen Bedingungen untersucht werden.

Zur Untersuchung und Verbesserung der dazu verwendeten polarisierten Speicherzellen-Targets wurde in Kollaboration mit dem St. Petersburg Nuclear Physics Institute und der Universität zu Köln eine Apparatur entwickelt, mit der neben der Polarisation von Wasserstoff- und Deuterium-Atomen auch die Polarisation der Moleküle nach der Rekombination bestimmt werden kann. Dabei wurde vor kurzem ein Material gefunden, das bei der Rekombination der Atome auf der Oberfläche die Kernspin-Polarisation vollständig erhalten kann. So können nahezu vollständig polarisierte H2-, D2-, und HD-Moleküle erzeugt werden, d.h. die Spins der beiden Protonen (Deuteronen) können parallel oder anti-parallel zu einem externen Magnetfeld ausgerichtet werden. Beim HD-Molekül lassen sich die Kernspins des Protons und des Deuterons sogar unabhängig voneinander einstellen. Dadurch lässt sich die Targetdichte mindestens um einen Faktor √2 erhöhen, da die polarisierten Moleküle im Vergleich zum Atom bei gleicher Temperatur entsprechend langsamer sind und länger in der Speicherzelle verweilen.

Mit dieser Apparatur kann aber auch gleichzeitig der Rekombinationsprozess und seine Abhängigkeit sowohl vom Elektronen- als auch vom Kernspin auf den jeweiligen Oberflächen untersucht werden. Dabei zeigt sich z.B., dass Goldoberflächen eine sehr hohe Rekombinationsrate besitzen, aber die Kernspinpolarisation wird nur zu 50% im Molekül erhalten. Eine Fomblin-Oberfläche (Perfluropolyether) erlaubt bei Temperaturen zwischen 50 und 100 K eine vollständige Polarisationserhaltung des Kernspins für Wasserstoff und Deuterium bei gleichzeitig sehr hohen Rekombinationsraten. Die Rekombinationsrate selber kann aber mit einem elektrischen Potential auf der Oberfläche beeinflusst werden. Auf Wassereis findet dagegen nahezu keine Rekombination statt, aber auch der Kernspin der Atome wird kaum beeinflusst. Aus diesen Ergebnissen lassen sich wiederum Rückschlüsse auf die Interaktion der Atome mit den jeweiligen Oberflächen und den verschiedenen Rekombinationsprozessen gewinnen.

Des Weiteren zeigen sich auch Polarisationsverluste der Moleküle bei Wandstößen. Diese werden maßgeblich bestimmt durch eine Kopplung des Rotationsdrehmoments der Moleküle mit den ausgerichteten Kernspins. Bei einem Wandstoß kann diese Rotationsachse kippen und dabei den Kernspin mitreißen, wodurch dessen Ausrichtung verloren geht. Diese Kopplung kann aber durch ein externes Magnetfeld kompensiert werden. Durch die Messung der Polarisation der Moleküle in der Speicherzelle als Funktion des angelegten Magnetfelds kann so die Kopplung der Rotationsachse an den Kernspin mit hoher Präzession vermessen werden. Dies ist besonders beim HD-Molekül interessant, da hier die Rotationsachse zum schweren Deuteron hin verschoben ist. Mit dieser Methode können auch die Besetzungszahlen der verschiedenen Rotationszustände als Funktion der Zellentemperatur vermessen werden. Zum Beispiel sollten polarisierte Deuterium-Moleküle bei Temperaturen unter 40 K kein Rotationsdrehmoment mehr haben und müssten deshalb deutlich länger gelagert werden können.

Neben den polarisierten Molekülen werden mit dieser Apparatur auch die entsprechenden polarisierten Molekül-Ionen H2+, D2+, HD+und sogar H3+erzeugt, die wiederum für die Präzessionsspektroskopie oder für die Astrophysik interessant sind.

Vielleicht ist es mit dieser Methode auch möglich polarisierte D2- und HD-Moleküle nicht nur herzustellen, sondern sie anschließend noch durch Ausfrieren auf kalten Oberflächen zu sammeln. So könnte man eventuell genug polarisiertes Deuterium herstellen, um es z.B. in der polarisierten Kernfusion für erste Tests einzusetzen. Dank seiner nahezu identischen Eigenschaften ist dabei das HD-Molekül zugleich ein perfekter Ersatz für das radioaktive DT-Molekül, dem idealen Treibstoff für die Kernfusion, sodass dessen Produktion und Lagerung mit HD erforscht werden kann.

Die so gewonnen Einblicke in die Polarisationserhaltung bei chemischen Reaktionen könnten vielleicht genutzt werden, um polarisierte Protonen/Deuteronen auch an andere Stoffe anzulagern, die so polarisiert werden können. Wenn es dann gelingt die Polarisation lange genug zu erhalten, dann könnten diese Substanzen in der Medizin genutzt werden, um z.B. die Auflösung von Kernspintomographen zu erhöhen.

The ISTC ChamberCopyright: R. Engels

Aufbau der Experimentierkammer: Die Speicherzelle, befüllt von oben mit den polarisierten Atomen der ABS, befindet sich in einem supraleitendem Solenoiden, der Magnetfelder bis zu 1 T erzeugen kann. Eine Elektronenkanone dient zum Beschuss der Moleküle mit Elektronen. Dabei entstehen z.B. H2+- (D2+-, HD+-, H3+-) Ionen und Protonen/Deuteronen, die dann zum Lambshift-Polarimeter beschleunigt werden, wo ihre Polarisation gemessen wird.

Lyman SpectrumCopyright: R. Engels (FZJ)

Lyman-Spektrum des Lambshift-Polarimeters für polarisierte HD+-Ionen: Anhand solcher Messungen können mit dem Lambshift-Polarimeter die relativen Besetzungszahlen für die verschiedenen Spin-Zustände innerhalb von Minuten bestimmt werden.

Zusatzinformationen

Kontaktpersonen im IKP-2:

Dr. Ralf Engels


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