Ionenquellen: Startpunkt der GSI-Beschleunigeranlage
Zwei orange gestrichene Metallkästen, jeder so groß wie ein Einfamilienhaus, und eine kleinere Anlage bilden die Startpunkte der GSI-Beschleunigeranlage: Hier befinden sich die Ionenquellen. Das ist der Ort, an dem die Teilchen entstehen, die im UNILAC und SIS beschleunigt werden.
Bei GSI arbeiten die Wissenschaftler*innen mit elektrisch geladenen Atomen, den Ionen. Positiv geladene Ionen unterscheiden sich von neutralen Atomen in der Anzahl der Elektronen in der Atomhülle – ihnen „fehlen“ negativ geladene Elektronen. Das Ion hat dadurch eine positive Ladung.
Einzigartige Bedingungen für Forschende
Dank der unterschiedlichen Ionenquellen von GSI besteht die weltweit einzigartige Möglichkeit, Ionen von sehr vielen unterschiedlichen chemischen Elementen zu erzeugen. Das Spektrum reicht vom leichtesten, dem Wasserstoff-Ion, bis zu Ionen von Uran, dem schwersten Element, das auf der Erde natürlicherweise vorkommt. Spezialität bei GSI sind die schweren Ionen. Welche Ionen in welchem Ladungszustand erzeugt werden, hängt von dem jeweiligen Experimenent ab, welches gerade bei GSI durchgeführt wird. Davon hängt ab, wie viele, wie schnelle und wie stark geladene Ionen für das jeweilige Experiment benötigt wird.
Ionen entstehen im Plasma
Die Elemente, mit denen die Forschenden arbeiten wollen, liegen zunächst im natürlichen Zustand vor, zum Beispiel als Metallstück oder in einer Gasflasche. Wie entstehen daraus Ionen und wie wird daraus ein Ionenstrahl?
In den haushohen orangenen Metallkästen befinden sich Hochspannungskäfige. Darin stehen die eigentlichen Quellen. Es gibt für unterschiedliche Elemente unterschiedliche Quellentypen. Das Herzstück jeder Quelle ist eine Metallkammer, die Kubikzentimeter bis Kubikdezimeter groß sein kann. Darin befinden sich die Atome des Elements, aus denen ein Teilchenstrahl entstehen soll, als Gas oder Festkörper. Mit elektrischer Energie werden dann mit einem Glühdraht oder über Gasentladung (ähnlich wie ein Blitz bei einem Gewitter) Elektronen freigesetzt. Ein Ion entsteht, wenn diese freien Elektronen auf ein Elektron in der Hülle eines Atoms treffen und es aus der Hülle „hinaus stoßen“. Dadurch entstehen immer mehr freie Elektronen, die wiederum andere Atome ionisieren können. Diesen Prozess nennt man Elektronenstoßionisation. So entsteht in der Metallkammer ein Gemisch aus freien Elektronen und positiven Ionen – ein Plasma.
Von 0 auf 2.000.000 km/h
Der Ionisationsprozess findet im sogenannten Plasmagenerator statt. Damit die Teilchen beschleunigt werden können und ein Strahl entsteht, müssen sie die Quelle verlassen. Dazu werden hintereinander hohe elektrische Spannungen angelegt, je nach Ionensorte zwischen 20.000 und 130.000 Volt. Die Ionen werden somit bereits auf 0,2 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, also mehr als zwei Millionen km/h. Bei dieser Geschwindigkeit haben die Ionen genau die Energie, die sie benötigen, damit sie in die GSI-Beschleunigeranlage eingespeist werden können.
Verschiedene Quelltypen für unterschiedliche Strahleigenschaften
Der Beschleuniger bei GSI besitzt drei Startpunkte, sogenannte Injektoren, an denen sechs verschiedene Typen von Ionenquellen eingesetzt werden, zwei Startpunkte vor und einen in der Mitte des Linearbeschleunigers UNILAC. So kann man nicht nur mehrere Experimente parallel mit unterschiedlichen Ionen beliefern, sondern auch unterschiedliche Strahleigenschaften erzeugen.
Unterschieden wird zwischen Ionenquellen, die hoch geladene Ionen erzeugen und Quellen, die hohe Intensitäten, also viele Ionen bereitstellen. Bei hoch geladenen Ionen werden bei der Ionisation besonders viele Elektronen aus der Atomhülle herausgeschossen. Dem 27fach geladenen Blei-Ion (Pb27+) zum Beispiel fehlen gegenüber einem neutralen Bleiatom 27 Elektronen in der Atomhülle. In der Regel lassen sich umso höhere Geschwindigkeiten erreichen, je höher ein Ion geladen ist. Ein Ionenstrahl mit vielen Ionen im Strahl ist wichtig, wenn Wissenschaftler*innen am anderen Ende des Beschleunigers seltene Phänomene untersuchen und möglichst viele Teilchenzusammenstöße in kurzer Zeit erzeugen wollen.
Ausbau für FAIR
Mit der neuen Beschleunigeranlage FAIR können die Forschenden zukünftig mit noch höheren Energien und Intensitäten arbeiten. Die Mitarbeitenden der Ionenquellenabteilung werden dafür einen weiteren Injektor installieren und die bereits bestehenden verbessern.
