Lambshift-Polarimeter (LSP)

Zur Messung der Kernspinpolarisation von Wasserstoff- und Deuterium-Strahlen in allen Erscheinungsformen (p, H^-, H, H₂, H₂⁺, H₃⁺) hat sich ein Lambshift-Polarimeter (LSP) als einzigartiges Instrument erwiesen. Zunächst werden die Atome und Moleküle durch Elektronenbeschuss in einem starken Magnetfeld ionisiert, damit der Kernspin erhalten bleibt. Dann werden die polarisierten Protonen/Deuteronen oder die H₂⁺-, D₂⁺- oder HD⁺-Molekül-Ionen durch eine Cäsiumzelle beschleunigt, um durch Ladungsaustausch mit Cäsiumdampf metastabile Wasserstoff-/ Deuteriumatome im Zustand 2S_1/2 zu erzeugen. Die Hauptkomponente dieses Polarimeters ist der "Spinfilter", der in der Lage ist, metastabile Wasserstoffatome in einzelnen Hyperfeinstruktur-Unterzuständen voneinander zu separieren. Anschließend werden die verbleibenden metastabilen Atome mit starken elektrischen Feldern durch den Stark-Effekt in den Grundzustand gequencht. Die Menge der emittierten Lyman-α-Photonen für jeden Unterzustand mit unterschiedlichem Kernspin wird mit einem Photomultiplier gemessen. Dadurch lässt sich die relative Besetzung der verschiedenen Kernspinzustände der primären Protonen/Deuteronen und der H₂⁺-, D₂⁺- oder HD⁺-Molekül-Ionen ableiten, was die Berechnung der Polarisation der Atome und Moleküle am Eingang des Polarimeters ermöglicht.

In den letzten Jahren wurden am IKP-2 mehrere Lambshift-Polarimeter gebaut, die für verschiedene Projekte weltweit eingesetzt werden:

• Am Budker-Institut für Kernphysik in Novosibirsk misst ein LSP die Kernspinpolarisation von polarisierten H₂- und D₂-Molekülen, die durch den Stern-Gerlach-Effekt in einem supraleitenden Sextupol-Magneten erzeugt werden.
• Im Rahmen des Bound-Beta-Zerfallsexperiments (BOB) der Technischen Universität München (TUM) wird ein LSP zur Messung der Besetzungszahlen von Wasserstoffatomen eingesetzt, die im Rahmen des seltenen Neutronenzerfalls n-> H_2S + erzeugt werden. Damit kann die Helizität des Anti-Elektronenneutrinos bestimmt werden, was neue Erkenntnisse über die schwache Kernkraft liefern könnte.
• Inzwischen wurde ein LSP an der gepulsten polarisierten H^--Quelle von COSY montiert, um die Polarisation ohne den Vorbeschleuniger JULIC zu optimieren.
• Bisher ist der Spinfilter nur in der Lage, die Hyperfeinstruktur-Unterzustände α1(m_J=+1/2 / m_I=+1/2) und α2 ((mJ=+1/2/mI=-1/2) zu trennen. Eine modifizierte Version, die derzeit entwickelt wird, wird alle vier Hyperfeinzustände trennen.

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