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Erzeugung von 5 mA DC-Wismutstrom

03.12.2004

Beim Experiment Ionenakkumulation zur Anbindung der atomaren Masseneinheit an das Kilogramm wurde eine neue Ionenquelle implementiert, um einen Wismut-Ionenstrahl zu erzeugen und die Wismut-Ionen zu akkumulieren. Es hatte sich gezeigt, dass mit der bisherigen Ionenquelle für Goldionen kein ausreichend hoher Ionenstrom erzeugt werden konnte. Mit der neuen CHORDIS Plasma-Ionenquelle als Ofen-Version wurden erstmals Wismut-Ionenstrahlen von ca. 5 mA erzeugt. Als ein Beispiel zeigt Bild 1 Ionenstrom und Ofentemperatur als Funktion der Zeit. Gegenwärtig arbeitet die Quelle mit einem Ein-Loch Extraktionssystem. Mit einem Zwei-Loch- oder Sieben-Loch-System sollten später noch höhere Ionenströme möglich sein. Der Ofen konnte über 5 bis 6 Stunden im Dauerbetrieb eingesetzt werden. Zur Akkumulation von 10 g Wismut benötigt man etwa 10 Tage bei einem Ionenstrom von 5 mA. Für Wartungsarbeiten z.B. an der Ionenquelle kann die Akkumulation auch unterbrochen werden, wobei der Teil der Vakuumapparatur mit dem Kollektor permanent unter Vakuum bleibt. Es ist geplant, die bisher erreichte relative Unsicherheit von 1,5 % für Bestimmung der Masse eines Goldatoms [1] im Jahre 2005 auf 0,05 % für die Masse eines Wismutatoms zu reduzieren.

Ionenstrom und Ofentemperatur

 

Bild 1. Ionenstrom (blau) und Ofentemperatur (rot, gestrichelt) als Funktion der Zeit. In den ersten 150 Minuten wurde die Ionenquelle nur mit Xenongas betrieben. Danach wurde der Ofen aufgeheizt und nach ca. 230 Minuten wieder abgeschaltet. Die Differenz zwischen dem Gesamtionenstrom ( 8 mA bis 10 mA) und dem Xenonstrom (3 mA) zeigt den Wismut-Anteil an. Die Spitze bei 150 Minuten stellt das Abdampfen von adsorbiertem Wasser dar. Die zwei Einbrüche vor und nach der 110-Minuten-Marke wurden durch kurzzeitiges Ausschalten der Extraktionsspannung zu Testzwecken provoziert.

Es wurden außerdem folgende weitere Verbesserungen an der Apparatur vorgenommen. Eine segmentierte Elektrode zur Erfassung der transversalen Ausrichtung des Ionenstrahls und ein Steerer zur Einstellung der Ausrichtung wurden installiert. Eine Kühlfalle wurde eingebaut, um unerwünschte Wismutniederschläge in der Strahlführung zu verhindern. Eine neue Druckmessung mit einem dynamischen Bereich von 10-9-103 mbar wurde in Betrieb genommen. Eine berührungslose Ionen-Strommessung mit einem DC Current Transformer wurde implementiert. Im Rahmen der Optimierung der Divergenz des Ionenstrahls wurde zusätzlich ein neuer wassergekühlter und verfahrbarer Faradaybecher in die Anlage integriert. Bild 2 gibt einen Überblick über die Ionenstrahlapparatur.
[1] D. Ratschko, D. Knolle, E. Finke, M. Gläser: Accumulation of decelerated gold atoms, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 190 (2002), 217-221.

Ionenstromapparatur

Bild 2. Ansicht der Ionenstrahlapparatur. Von links nach rechts: Ionenquelle, magnetische Quadrupollinse, Separatormagnet (Dipol), Kollektorkammer.

Ansprechpartner:

M. Gläser, FB 1.2, AG 1.24, E-mail: michael.glaeser@ptb.de