Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Akkumulation einer wägbaren Masse von Wismut-Ionen

Kategorien:
  • Grundlagen der Metrologie
15.11.2005

Am Ionenexperiment konnte erstmalig eine wägbare Masse von Wismut-Ionen akkumuliert werden. Mit einem neu entwickelten Verdampferofen für die kommerzielle Ionenquelle und einer ersten Kollektorversion wurden 40 mg aufgesammelt. So konnte erstmalig die atomare Masseneinheit mit einer relativen Abweichung vom CODATA-Wert von etwa 9·10-4 experimentell ermittelt werden.

Dies wurde ermöglicht durch die völlige Rekonstruktion des Ionenquellenofens, mit dem nun ein genügend hoher Dampfdruck für Wismut bis zu Temperaturen von 1000°C über mehrere Stunden aufrecht erhalten werden kann. Zentraler Bestandteil des neuen Ofens ist eine ca. 4 cm lange Quarzglasampulle, in der sich das Wismut-Pulver befindet und die in einen eigens dafür angefertigten Edelstahlzylinder eingebracht wird. Der Stahlzylinder kann direkt an die Kathodenheizung der Plasmakammer angebunden werden, so dass der Leitungskanal des Wismutdampfes stets auf hoher Temperatur gehalten wird. Auf der Rückseite des Edelstahlzylinders ist in eine kleine Vertiefung elektrisch isoliert ein Mantelthermoelement zur Temperaturmessung integriert. Die thermisch kaum belastbaren Heizdrähte des kommerziell erworbenen Ofens der Firma DANFYSIK schränkten bisher die Lebensdauer des Ionenquellenofens zu stark ein und wurden daher durch einen massiven und robusten Widerstandsheizer ersetzt (siehe Bild 1). Für alle Komponenten wurde außerdem ein völlig neues Ofengehäuse entwickelt, dass als Kompletteinheit an die Plasmakammer der Ionenquelle angeflanscht werden kann.

Massiver Heizer aus Edelstahl für die Erzeugung von Wismutdampf in der Ionenquelle

Bild 1: Massiver Heizer aus Edelstahl für die Erzeugung von Wismutdampf in der Ionenquelle

Darüber hinaus wurde die Strahlführung für eine maximale Wismut-Transmission optimiert. Hierzu wurde der Einfluss des Gasdruckes in der Quelle auf den für die Strahlextraktion entscheidenden Meniskus des Plasmas am Extraktionssystem untersucht. Außerdem wurde das Quadrupoltriplet aus der Strahlführung entfernt, um den Abstand der Ionenquelle zum Dipolmagneten zu verkürzen. Dadurch ist nun eine optimale Akzeptanz des Magneten für den Ionenstrahl gegeben und es konnte eine Transmission von etwa 50 % für Wismut erzielt werden. Damit sind zur Zeit Ionenströme im Kollektor von bis zu 2,5 mA möglich.

Für die Akkumulation des Ionenstrahles wurde ein erster zylinderförmiger Kollektor (20 cm lang, 8 cm Durchmesser) aus einer AlMg-Legierung verwendet (siehe Bild 2). Die Eintrittsblende des Kollektors hat einen Durchmesser von 32 mm und kann auf der Rückseite mit Glasmonitoren zur Messung von Sputterverlusten versehen werden. Als Halterung des Kollektors wurde ein verstellbarer Tisch mit einer Auflage aus Kugelzapfen entwickelt, so dass der Kollektor sowohl vertikal als auch horizontal an die Strahllage angepasst werden kann. Darüber hinaus ist auf diese Weise ein minimaler Masseabrieb beim Ein- und Ausbau des Kollektors in die Vakuumanlage gewährleistet. Zur Unterdrückung der vom Ionenstrahl im Kollektor erzeugten Sekundärelektronen und zur Strahlpositionskontrolle wurde vor dem Kollektor ein entsprechendes Blendensystem integriert.

Zylinderförmiger Kollektor mit Kugelzapfenauflage

Bild 2: Zylinderförmiger Kollektor mit Kugelzapfenauflage

Der Ionenstrom im Kollektor wurde als Spannungsabfall über einen Widerstand mit einem Präzisionsmultimeter (8½-Stellen) in Zeitabständen zwischen 60 ms und 100 ms gemessen. Auf diese Weise war es möglich, den Stromverlauf auch während eines Hochspannungsüberschlags in der Ionenquelle ausreichend genau abzutasten. Für die Bestimmung der im Kollektor akkumulierten Gesamtladung wurde der aufgezeichnete Strom anschließend offline softwaremäßig integriert.

So konnte erstmalig eine wägbare Masse von Wismut-Ionen akkumuliert werden. Es wurden mehrere Versuche durchgeführt, in denen jeweils etwa 7 mg, 28 mg und 40 mg aufgesammelt wurden. Mit dem letzten Wert konnte die atomare Masseneinheit erstmalig mit einer relativen Abweichung vom CODATA-Wert von etwa 9·10-4 experimentell ermittelt werden. Die relative Unsicherheit der Wägung betrug 5,2·10-4, die der Ladungsmessung 7,3·10-6.

Ansprechpartner:

Christian Schlegel, FB 1.2, AG 1.24, E-Mail: christian.schlegel@ptb.de

Kontakt

Leiter der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Dr. Dr. Jens Simon

Telefon: (0531) 592-3005
E-Mail:
jens.simon(at)ptb.de

Anschrift

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig