31.10.2008
Durch weitere Verbesserungen am Experiment Ionenakkumulation, insbesondere durch Verwendung eines neuen Ablenkmagneten mit verdoppelter Apertur, wurde der Wismut-Ionenstrom auf 5 mA und die akkumulierte Masse auf 325 mg erhöht. So konnte die atomare Massenkonstante mit einer relativen Unsicherheit von 9,4·10-5 gemessen werden.
Seit 1991 wurde in der PTB am Experiment Ionenakkumulation mit dem Ziel geforscht, durch eine genaue Bestimmung der atomaren Massenkonstante das Kilogramm neu zu definieren. Das Experiment besteht in der Erzeugung eines Ionenstrahls, einer Massentrennung mit einem 90°-Magneten und einem Kollektor, mit dem Masse und Ladung der akkumulierten Ionen gemessen werden. Die Ladung wird durch Integration des Ionenstroms über die Zeit ermittelt. Nach ersten Ergebnissen mit Goldionen, deren Masse mit Hilfe eines Schwingquarzes und einer relativen Unsicherheit von 1,5% ermittelt wurde, konnten später mit Wismutionen wägbare Mengen in einem Kollektor akkumuliert werden. Das Element Wismut, das ebenso wie Gold mit nur einem Isotop in der Natur vorkommt, hat eine um mehrere Größenordnungen höhere Dampfdruckkurve als Gold. Daher konnten mit Hilfe eines neu entwickelten Verdampferofens und einer Plasma-Ionenquelle hohe Ionenströme von mehreren Milliampere erzielt werden. Der Fortschritt des Experimentes war unter anderem davon abhängig, mit welcher Intensität und Kontinuität der Wismut-Ionenstrom aus der Ionenquelle zu extrahieren war und mit welcher Genauigkeit die durch Zerstäubung „verlorenen” Partikel ermittelt werden konnten. Ein deutlicher Massenzuwachs (März 07- Jan. 08) wurde durch den Einbau eines neuen Ablenkmagneten mit doppelter Apertur erreicht. Das ermöglichte eine Steigerung der Transmission von der Ionenquelle zum Kollektor um einen Faktor 2. So wurden im Januar 2008 ca. 325 mg Wismut mit einem Ionenstrom von etwa 5 mA an 3 Tagen in jeweils ca. 8 h akkumuliert. Die atomare Massenkonstante wurde mit einer relativen Unsicherheit von 9,4·10-5 ermittelt. Die relative Abweichung vom CODATA-Wert liegt bei 9,2·10-5. Die Grafik zeigt die Historie der akkumulierten Massen in den letzten Jahren.
Im Vergleich mit den Ergebnissen der anderen Experimente zu einer Neudefinition des Kilogramm ist jedoch nicht zu erwarten, dass mit dem Ionenexperiment bis zu der vorgesehenen Entscheidung die erforderliche Genauigkeit erreicht werden kann. Neben erforderlichen Personaleinsparungen wurden auch aus diesem Grunde die Arbeiten an am Ionenexperiment vorerst eingestellt (siehe auch Jahresbericht 2007).
Bild 1: Masse des akkumulierten Wismuts bei den Versuchen der letzten Jahre
Ansprechpartner:
Ch. Schlegel, FB 1.2, AG 1.21, christian.schlegel@ptb.de