Blitzer-Alarm auf Ionenrennstrecken?

Natürlich herrscht auf den Ionen­rennstrecken moderner Beschleuniger­anlagen kein Blitzer-Alarm. Dennoch ist es erfor­derlich, die Geschwin­digkeit, mit denen die Ionen durchs Vakuum flitzen, präzise zu bestimmen. Dies gelang Kristian König im Rahmen seiner Doktor­arbeit zum Thema „Laser-Based High-Voltage Metrology with ppm Accuracy“. Dafür wurde er mit dem von Pfeiffer Vacuum gestifteten und mit 1000 Euro dotierten FAIR-GSI-Dokto­randen­preis 2019 ausgezeichnet. Am GSI Helmholtzzentrum für Schwer­ionen­forschung in Darmstadt wird aktuell die inter­nationale Be­schleu­niger­anlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) errichtet, an der diese neue Mess­technik zum Einsatz kommen soll. Professor Dr. Karlheinz Langanke, Forschungs­direktor von FAIR und GSI, und Daniel Sälzer, Mitglied der Geschäfts­leitung der Pfeiffer Vacuum GmbH, über­gaben den Preis im Rahmen des GSI-Kolloquiums.
 

Die Doktor­arbeit von Kristian König wurde an der Technischen Universität Darmstadt in der Arbeits­gruppe von Professor Wilfried Nörters­häuser angefertigt. Die präzise Messung hoher Spannungen von einigen 10.000 Volt ist für viele Bereiche der Technik wichtig. Präzisions­experimente in der Physik erfordern teilweise Genauig­keiten bis auf ein Millionstel der gemessenen Spannung. Bei einer Spannung von 10.000 Volt entspricht das einer Unsicherheit von 10 Millivolt.

König gelang es, solche Spannungen mit Hilfe eines Lasers exakt zu messen. Dazu werden Ionen mit der zu messen­den Spannung beschleunigt, und dann wird der Einfluss der Geschwindig­keit auf die „Farbe“ (die Frequenz) des von den Ionen ausge­sandten Lichtes gemessen. Dabei macht man sich den optischen Doppler­effekt zunutze. Dieser kann mit Lasern extrem präzise bestimmt werden, dabei muss man jedoch die Eigen­schaften des Ionen­strahls und des Laser­strahls sehr gut unter Kontrolle haben. König hat eine Appa­ratur entwickelt, mit der er in der Lage ist, Span­nungen auf 5 ppm genau zu messen. Dies ist 20-mal genauer, als es je zuvor mit dieser Technik gelungen ist. Solche genauen Messungen werden beispiels­weise benötigt, um die Geschwin­digkeit der Ionen in den Speicherringen bei GSI und zukünftig bei FAIR zu bestimmen, was für Präzisions­experimente von entscheidender Bedeutung ist.

„Die Ergebnisse sind besonders faszinierend, da die Physik rund um neutronen­reiche Kerne und Neutronen­sterne einer der Forschungs­schwerpunkte der neuen Beschleuniger­anlage FAIR ist“, sagte Professor Karlheinz Langanke. „Die hervor­ragenden Forschungs­möglichkeiten an der GSI-Beschleuniger­anlage und die Entwicklung von FAIR locken viele junge Wissen­schaftler aus aller Welt in unsere Forschungs­einrichtung. Sie leisten mit ihren innovativen Ideen wichtige Beiträge zur Entwicklung der neuen Beschleuniger und Detektoren.“

Daniel Sälzer gratulierte dem Preisträger: „Wir freuen uns, dass die Realisierung des FAIR-Projektes nun immer schneller Fahrt aufnimmt. Jedoch lassen sich solche einzig­artigen Leucht­turm­projekte nur durch Engagement und herausragende Arbeiten realisieren. Einem derartigen Einsatz für Forschung und Wissen­schaft können wir alle nur höchste Anerkennung zollen.“

Pfeiffer Vacuum und das GSI Helmholtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung verbindet eine lang­jährige Partner­schaft. Vakuumlösungen von Pfeiffer Vacuum werden dort seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt.

Der FAIR-GSI-Dokto­randen­preis wird jährlich für die beste Doktor­arbeit des voran­gegan­genen Jahres vergeben, die durch GSI im Rahmen der strate­gischen Partner­schaften mit den Univer­sitäten in Darmstadt, Frankfurt, Gießen, Heidelberg, Jena, Mainz oder durch das Forschungs- und Entwicklungs­programm gefördert wurde. Aktuell arbeiten im Rahmen der Graduierten­schule HGS-HIRe (Helmholtz Graduate School for Hadron and Ion Research) über 300 Doktoran­dinnen und Dokto­randen an Disser­tationen mit Verbindung zu GSI und FAIR.

Pfeiffer / LK

Weitere Infos

• TU Darmstadt, Institut für Kernphysik, AG Nörtershäuser, Hochspannungsmessung
• Pfeiffer Vacuum GmbH
• Facility for Antiproton and Ion Research in Europe GmbH (FAIR GmbH)