Ionenquelle

Das Kieler Sonnenwindlabor

Kalibrationslabor für zukünftige Missionen in der Heliosphäre

Momentan entsteht innerhalb des Instituts für experimentelle und angewandte Physik (IEAP) der Universität Kiel, im Bereich Extraterrestrik, ein neues Labor mit dem ambitionierten Ziel, eine Kalibrationsanlage für satellitengestütze Teilchendetektoren zu schaffen. Dabei soll es später möglich sein, unter kontrollierten Bedingungen im Labor die Teilchenstrahlung unsere Sonne zu simulieren.

Hauptarbeitsziel der Arbeitsgruppe Extraterrestrik ist die Entwicklung und Fertigstellung oben genannter Teilchendetektoren, oft in enger Zusammenarbeit mit der ESA und der NASA. Dies soll in Zukunft noch effizienter geschehen, indem auf eine interne Kalibrationsanlage zurückgegriffen werden kann. Eine solche Anlage muss in der Lage sein, die Teilchenspezies zu erzeugen, welche im Sonnenwind gefunden werden und diese nach der Erzeugung auf Sonnenwindenergien zu beschleunigen. Außerdem stellt die Arbeit mit empfindlichen Detektoren besondere Anforderungen an die Reinheit des Arbeitsplatzes, wesewgen das neue Labor ebenfalls ein Reinraum sein wird.

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Abbildung 1: CAD-Skizze der fertigen Sonnenwindlabors

Herzstück der Anlage ist eine "Electron Cyclotron Resonance" Ionenquelle. Diese Ionenquelle erzeugt aus zugeführten Gasen oder Metalldämpfen ein Plasma, aus dem dann die Ionen extrahiert und beschleunigt werden.

Die Abbildung 2 zeigt ein typisches Ionenspektrum, wie die Kieler Ionenquelle sie standardmäßig erzeugen kann. Die sogenannten ECR-Ionequellen werden weltweit aufgrund ihrer hohen Leistunsfähigkeit eingesetzt. Da wir für unser neues Labor aber besondere Ansprüche an unsere Ionenquelle haben, wurde unsere Quelle hier im Institut im Rahmen einer Doktorarbeit komplett selbst entworfen und konstruiert. Somit verfügen wir über weltweit einzigartgie Möglichkeiten, z.B können wir den Extraktionspunkt der Ionen im Plasma in drei Raumdimensionen variieren. Um später unsere Instrumente über einen großen Bereich kalibrieren zu können, haben wir die Möglichkeit, die Beschleunigungsspannung der Ionen von einigen hundert Volt bis hin zu 450 kiloVolt zu regeln. Außerdem werden wir neben Ionen auch Elektronen und beschleunigte Neutralatome erzeugen können. Innerhalb einer großen Vakuumkammer werden die Instrumente dann auf einem dreh- und schwenkbaren Tisch untergracht, damit verschiedene Einfallswinkel der Sonnenwindteilchen simuliert werden können.

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Abbildung 2: Spektrum von Ionenspezies, erzeugt von der Kieler Ionenquelle. Die gemessenen Ströme sind gegen das Masse pro Ladung Verhältniss aufgetragen.

Währen das eigentlich Sonnenwindlabor noch im Aufbau ist, läuft die Ionenquelle selbst seit einigen Jahren bereits im Testbetrieb. Neben ihre endgültigen Funktion als Herzstück unseres neuen Labors bietet die Ionenquelle auch eine ausgezeichnete Möglichkeit zum Forschen für Studenten und Wissenschaflter in der extraterrestrischen Physik. Die Physik der ECR-Ionenquellen ist ein aktives Forschungsgebiet, bei dem insbesondere die Erzeugung und Verteilung der Ionen innerhalb des Plasmas eine zentrale Fragestellung einnimmt. Auf diesem Gebiet konnten schon mehrere Puplikationen veröffentlicht werden, die hier in der Arbeitsgruppe erarbeitet wurden. Hierbei kamen uns unsere in drei Dimensionen verfahrbare Extraktion, sowie speziell von uns entwickelte Ionenstrahl-Detektoren zu Gute.

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Abbildung 3: Selbtsentwickelter Detektor zur Messung des Ionenstrahlprofils

So ist der in Abbildung 3 gezeigte Detektor in der Lage, ein orstaufgelöstets Ionenstrahlsprofil zu vermessen. Hierfür wurden bislang Szintillationsschirme verwendet, die nur ein qualitatives Strahlprofil optisch sichtbar. Der bei uns entwickelte Detektor ist hingegen in der Lage, quantitative Messungen durchzuführen, da hier der tatsächliche Ionenstrom gemessen wird, wie in der Abbildung 4 gezeigt.

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Abbildung 4: Ein weiterer von uns entwickelter Detektor war in der Lage, die Ionen und Elektronenverteilung innerhalb der Plasmakammer selbst darzustellen.

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Abbildung 5:Selbstentwickelter Detektor zur Darstellung der Ionen- und Elektronenverteilung innerhalb der Plasmakammer

Die dazugehörige Puplikation fand internationale Annerkennung, da es eine solche Messung bislang noch nicht gegeben hat. Von diesen von uns gemachten Messungen können insbesondere jene ECR-Ionenquellenpyhsiker profitieren, die sich die Erstellung theoretischer Modelle zur Aufgabe gemacht haben. Diese haben nun die Möglichkeit, ihre theoretischen Anahmen mit tatsächlichen Messergebnissen zu vergleichen.