Präzise Messung von hohen Gleichspannungen zur Bestimmung der Ionen-Umlaufgeschwindigkeit in der Schwerionenforschung

Messungen zur Bestimmung der Übergangsfrequenz in der Grundzustands-Hyperfeinstruktur von Lithium-ähnlichen und Wasserstoff-ähnlichen Wismut-Ionen am Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GSI, stellen einen Test der Quantenelektrodynamik in extrem starken Magnetfeldern da. Da die Ionen in diesem Experiment mit rund 70% der Lichtgeschwindigkeit im Experimentierspeicherring (ESR) des Helmholtzzentrums gespeichert werden, ist für die Auswertung der Resonanzwellenlänge des ruhenden Ions eine Transformation ins Ruhesystem erforderlich, wofür die Geschwindigkeit der Ionen mit möglichst geringer Unsicherheit bekannt sein muss. Diese Geschwindigkeit wird durch die Beschleunigungsspannung der Elektronen im sogenannten Ionenkühler des ESR bestimmt. Zur Bestimmung dieser Hochspannung wurde im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung zwischen dem Institut für Kernphysik der TU Darmstadt und der PTB Braunschweig ein portabler PTB-Hochspannungsteiler an der GSI eingesetzt, der während eines zweiwöchigen Dauerexperiments Messwerte mit einer Gesamtunsicherheit von unter 10 µV/V lieferte.  
Darüber hinaus wurde die an der GSI bestehende Hochspannungserzeugungs­einrichtung auch auf ihre Restwelligkeit überprüft. Hierfür wurde ein an der PTB im Rahmen einer Promotion entwickeltes Welligkeitsmesssystem eingesetzt. Die Messungen ergaben eine Restwelligkeit der GSI-Hochspannungsquelle von unter 1∙10^-5 im stationären Zustand.

Mit Hilfe dieser Messungen konnte die Umlaufgeschwindigkeit der Ionen mit hoher Genauigkeit bestimmt und der daraus resultierende Dopplereffekt bei der Laserspektroskopie korrigiert werden.

Bild 1: System zur Präzisionsspannungmessung im Elektronenkühler des Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GSI: Präzisions-Hochspannungsteiler (braun), Hochspannungskondensator des Welligkeitsmesssystems (grün)

Ansprechpartner: J. Meisner
Fachbereich 2.3: Elektrische Energiemesstechnik