Arbeitsgruppe Wilfried Nörtershäuser

MagneTOF Detektoren bieten eine hohe Zeitauflösung im Nanosekundenbereich und erlauben gleichzeitig, auch höhere Ionenströme zu messen. Diese einmalige Kombination macht MagneTOFs interessant für Anwendungen an der KOALA Strahllinie und wird es erlauben, gepulste Ionenstrahlen aus der EBIS (Elektron Beam Ion Source) oder von der Laserablationsionenquelle genauer zu untersuchen.
Ziel: Im Rahmen der Bachelorarbeit soll der Detektor in der KOALA Strahllinie installiert werden. Mit einem schon installierten Plattenablenker soll der Ionenstrahl auf das MagnetTOF geleitet werden. Erste Messungen können mit C⁴⁺ Ionen aus der EBIS durchgeführt werden, um den Detektor zu charakterisieren.

Techniken: Vakuumtechnik, CAD, Ionenstrahldetektion

Ansprechpartner: Kristian König (S2|14 411, kkoenig@ikp.tu-…), Patrick Müller (S2|14 409, pamueller@ikp.tu-…)

Photonenrückstöße werden häufig zum Kühlen von Atomensembles ausgenutzt, führen in der kollinearen Laserspektroskopie allerdings zu den größten systematischen Fehlern. Mit dieser Fluoreszenzdetektionsregion (FDR) kann Laserspektroskopie in Strahlrichtung ortsauflösend durchgeführt werden und so eine Korrektur dieser Fehler in Abhängigkeit der Laserleistung experimentell bestimmt werden. Damit könnte die Genauigkeit der Methode, insbesondere wenn hohe Laserleistungen erforderlich sind, bedeutend gesteigert werden.

Ziel: In dieser Arbeit soll zunächst die ortsauflösende FDR an einer Teststation charakterisiert werden. Geometrische Eigenschaften können mit Simulationen durch ein kommerzielles Ray-tracing-Programm verglichen werden. An der KOALA-Anlage sollen dann Messungen mit Ca⁺, Sr⁺, Ba⁺ oder C⁴⁺ durchgeführt werden, die anschließend mithilfe von Python ausgewertet werden können.

Techniken: Laserspektroskopie, Ray-tracing-Simulation, Python

Ansprechpartner: Patrick Müller (S2|14 409, pamueller@ikp.tu-…)

In dieser Penning-Ionenquelle wird ein Plasma, das mit einem Puffergas gespeist wird, zwischen zwei Kathoden gezündet. Ionisiertes Puffergas wird auf diese Kathoden beschleunigt und ablatiert beim Auftreffen Kathodenmaterial, unter anderem in Form von einfach geladenen Ionen. Diese Ionen können über eine Bohrung in einer der Kathoden die Quelle verlassen und stehen dann für Experimente an KOALA bereit. Durch die freie Wahl des Kathodenmaterials kann das Spektrum der an KOALA verfügbaren Elementen drastisch gesteigert werden.

Ziel: Ziel der Arbeit ist es, diese Ionenquelle in einem separaten Aufbau zu installieren und die Ionenproduktion zu testen. Die Ionenextraktion kann mit dem Programm SimIon simuliert werden und mit den gemessenen Strahleigenschaften verglichen werden. Erste laserspektroskopische Messungen können an Barium oder Titan durchgeführt werden.

Techniken: Ionenquellen, Vakuumtechnik, Ionenstrahlsimulation

Ansprechpartner: Kristian König (S2|14 411, kkoenig@ikp.tu-…)

An CRYRING wird ein Laserstrahl mit dem im Speicherring zirkulierendem Ionenstrahl überlagert. Beipassender Laserfrequenz werden die Ionen in einen angeregten Zustand angeregt, aus dem heraus sie dann rasch wieder zerfallen und dabei Photonen emittieren, die dann auf senkrecht zum Strahl angeordneten Photodetektoren nachgewiesen werden. Um eine möglichst hohe Sensitivität zu erreichen, muss verhindert werden, dass viele Photonen aus dem Laserstrahl durch Streuung und Beugung an den Aperturen entlang des Strahlweges auf den Detektor treffen. Die Station, an der der Laserstrahl in den Speicherring eingekoppelt wird, enthält daher ein Blendensystem aus Kupfer, mit dem der Halo des Laserstrahls entfernt wird.

Ziel: Obwohl Kupfer nur eine sehr geringe Reflektivität im Bereich der verwendeten Laserstrahlung (ultraviolett) hat, kommt es dennoch zur Streuung von Photonen an den Oberflächen. Um eine weitere Reduktion des Untergrundes zu erreichen, sollen die Elektroden geschwärzt und möglichst optimal arrangiert werden. Da sie sich im Ultrahochvakuum befinden, müssen zunächst Tests der Vakuumtauglichkeit der Schwärzungsmethode und Messungen der Restreflektivität der Oberfläche durchgeführt werden. Dies kann in unseren Laboren am Institut für Kernphysik durchgeführt werden. Der Einbau an CRYRING, die Einkopplung des Laserstrahls und die finalen Untergrundmessungen werden dann am GSI Helmholtzzentrum durchzuführen sein.

Techniken: Vakuumtechnik, Photodetektoren, Simulationen mit Ray Tracing, Laserjustage

Ansprechpartner: Konstantin Mohr (GSI, email), Zoran Andelkovic (GSI, email)

In der kollinearen Laserspektroskopie werden optische Übergänge in der Atomhülle untersucht woraus Rückschlüsse auf Kerneigenschaften wie Spin, Radius und Deformation geschlossen werden können. Die Spektroskopie findet im Flug bei kinetischen Energien von 10 – 100 keV statt, um die Dopplerverbreiterung auf das Niveau der natürlichen Linienbreite zu reduzieren. Der Teilchenstrahl besteht üblicherweise aus einfach geladenen Ionen, die mit elektrostatischen Ionenoptiken mit dem Laserstrahl überlagert werden können. Allerdings bieten nicht alle Elemente optische Übergänge im Ion, sodass die Ionen im Flug neutralisiert werden müssen. Dies geschieht typischerweise in eine Ladungsaustauschzelle (LAZ), die mit Natriumdampf gefüllt ist.

Ziel: Ziel der Arbeit ist es eine LAZ für die KOALA Anlage zu entwerfen und aufzubauen. Grundlage hierfür bietet die in unserer Arbeitsgruppe gebaute LAZ, die momentan am Argonne National Lab in Chicago verwendet wird. Dies erweitert den spektroskopischen Zugang zu weiteren Elementen an KOALA und ermöglicht zudem Messungen aus metastabilen Zuständen. Erste Messungen sollen an Palladium durchgeführt werden, die als Referenz zu den am Argonnen National Lab geplanten Messungen dienen können.

Techniken: Ladungsaustausch, Vakuumtechnik, CAD, Ionenstrahlsimulation, Laserspektroskopie

Ansprechpartner: Kristian König (S2|14 411, kkoenig@ikp.tu-…), Bernhard Maaß (ANL, email)

Messungen in der Calcium-Nickel-Region stellen einen Forschungsschwerpunkt der kollinearen Laserspektroskopie in den letzten Jahren dar. Die drei doppelt-magischen Kerne (^40,48Ca, ⁵⁶Ni) und die sich stark unterscheidenden Einflüsse des Neutronenschalenabschlusses bei N=20 und N=28 auf den Kernladungsradius bieten optimale Testbedingungen für Theorie und Experiment. Neutronenarmes Eisen ist ein Kandidat für künftige Messungen an der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), da dort zusätzliche Kerndeformationen erwartet werden.

Ziel: Ziel dieser Arbeit ist es einen effizienten Spektroskopieübergang am einfach geladenen Eisenion zu untersuchen. Dies würde die Effizienz im Vergleich zu bisherigen Messungen am Eisenatom deutlich steigern. Mögliche Übergänge liegen im tief-UV bei 234,3 nm, 238,2 nm sowie bei 259,9 nm. Die stabilen Isotope ^54,56,57,58Fe können an der KOALA Anlage an der TU Darmstadt mit einer neuen Penning Ionenquelle erzeugt und spektroskopiert werden. Diese Messungen stellen die Grundlage und Referenz für spätere Messungen am FRIB dar.

Techniken: Penning Ionenquelle, Laserspektroskopie, Frequenzverdopplung, King-Fit Analyse

Ansprechpartner: Kristian König (S2|14 411, kkoenig@ikp.tu-…), Laura Renth (S2|14 506, lrenth@ikp.tu-…)

Mit der neuen Elektronenstrahl-Ionenquelle (EBIS) können an KOALA hochgeladene Ionen erzeugt werden. Hierbei liegt der Fokus auf heliumartigen, leichten Kernen (Li, Be, B, C, N) im metastabilen S=1 Zustand, da diese geeignete optische Übergänge besitzen und eine ausreichend lange Lebensdauer aufweisen. Genaues Vermessen der Ruheübergangsfrequenzen mittels kollinearer und antikollinearer Spektroskopie erlaubt aus dem Vergleich mit moderner Atomtheorie die absoluten Kernladungsradien zu bestimmen.

Ziel: In dieser Arbeit soll ein B³⁺ Strahl mit der EBIT erzeugt und spektroskopiert werden. Erfolgreiche Voruntersuchungen hierzu wurden schon an der GSI mit der HITRAP EBIT durchgeführt. An KOALA soll die Genauigkeit in den 1-MHz-Bereich erhöht werden.

Techniken: EBIS, Laserspektroskopie, Frequenzverdopplung und Frequenzmischung, Hyperfein-Mischung

Ansprechpartner: Phillip Imgram (S2|14 506, pimgram@ikp.tu-…), Patrick Müller (S2|14 409, pamueller@ikp.tu-…), Konstantin Mohr (GSI, email)

The candidate will work on laser spectroscopy of highly charged ions with the goal to test quantum electrodynamics in light and heavy isotopes. We are performing laser spectroscopy at the ESR and CRYRING storage rings at GSI/FAIR with the goal to develop optical pumping [Phys. Rev. Accel. Beams 24, 024701 (2021)], and to improve the sensitivity in laser spectroscopy of lithium-like heavy ions [Nat. Commun. 8, 15484 (2017)] by combining laser spectroscopy with dielectronic recombination (DR).
Polarization of an ion bean by optical pumping
At CRYRING, we have performed first tests of optical pumping using continuous wave (cw) lasers to polarized Mg⁺ ions and observed surprising results. We are presently getting the continuation of this experiment ready, which will take place in autumn 2023.
Getting granular on QED
In a beamtime at ESR, which took place in spring 2022, we were able to observe for the very first time the hyperfine transition of an artificially produced ²⁰⁸Bi⁸²⁺ ion beam. A rigorous test of strong-field QED is now in reach by measuring the hyperfine transition in ²⁰⁸Bi⁸⁰⁺. The preparation is just starting and a first attempt of this experiment is planned to take place early 2024.

Further widening of the research profile is possible by participating at collinear laser spectroscopy experiments in our other research areas at ANL, FRIB and at ISOLDE.

Bewerbung: If you formally want to apply, please send a single pdf document including a letter of motivation, your CV, a transcript of your university grade records, and two contact addresses for letters of reference.

Ansprechpartner: Prof. Dr. Wilfried Nörtershäuser (S2|14 410, wnoertershaeuser@ikp.tu-…), Dr. Rodolfo Sanchez (email), Dr. Zoran Andelkovic (email), Dr. Konstantin Mohr (email)

Projekt: BOR8 (ANL, Chicago)

Ziel: Mittels Laserspektroskopie lassen sich atomare Spektren verschiedenster Elemente hochpräzise vermessen. Aus den genauen Übergangsfrequenzen verschiedener Isotope lassen sich deren Kernladungsradien bestimmen. Dies ist besonders interessant für leichte Kerne, welche unübliche Deformationen aufweisen, die sich auf den Ladungsradius auswirken.
In diesem Projekt soll Bor-8 laserspektroskopisch vermessen werden. Bor-8 ist der beste bekannte Protonen-Halo-Kandidat, also ein Kern, bei dem ein schwach gebundenes Proton den Restkern umgibt. Eine direkte Messung des Ladungsradius erlaubt tiefe Einblicke in die Natur der starken Wechselwirkung und ist ein Meilenstein für die Entwicklung von Kerntheorien leichter Systeme.
Bor-8 wird am ATLAS-Beschleuniger am Argonne National Laboratory in Chicago erzeugt. Die Produktion, Abbremsung und der Aufbruch von Molekülen muss vorgenommen werden, bevor laserspektroskopische Messungen durchgeführt werden können. Im Rahmen dieser Doktorarbeit müssen die nächsten Schritte der Inbetriebnahme der Laser-Strahllinie, der Laser und der Produktionsschnittstelle durchgeführt werden. Dies erfordert auch längere Forschungsaufenthalte am Institut in den USA.

Techniken: RFQs, Ionentransport, Laserspektroskopie, Laser, Datenaufnahme

Bewerbung: If you formally want to apply, please send a single pdf document including a letter of motivation, your CV, a transcript of your university grade records, and two contact addresses for letters of reference.

Ansprechpartner: Prof. Dr. Wilfried Nörtershäuser (S2|14 410, wnoertershaeuser@ikp.tu-…), Dr. Bernhard Maaß (ANL, email)