Fritz-Haber-Institut

Elektroniklabor

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Steuerung Stark-Verzögerer (Decelerator)


Moleküle in Zeitlupe

Langsamkeit bedeutet in der Mikrowelt Kälte. Die Forschung an abgebremsten, ultrakalten Atomen hat jüngst spektakuläre Resultate erbracht. Dazu zählt das Bose-Einstein-Kondensat, das für die Quantenphysik schon unverzichtbar geworden ist. Kalte Moleküle sollten also ein ähnliches Potenzial haben, doch leider lassen sie sich nur schwer erzeugen. Die Gruppe um Gerard Meijer, Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin, hat eine effiziente Molekül-Bremsanlage entwickelt.

Quelle: MaxPlanckForschung 4/2006 - gesamter Artikel im pdf-Format (1,9 MB).

Die Physik

Materie besteht aus Atomen und Molekülen, die sich immer in Bewegung befinden, wobei die mittlere Geschwindigkeit abhängig ist von der Art der Materie, vom Aggregatzustand und der Temperatur.
Beispiel: Wasserstoffmoleküle haben bei Raumtemperatur eine mittlere Geschwindigkeit von ca. 1200m/s, Sauerstoffmoleküle dagegen ca. 300m/s. Bei höherer Temperatur steigt die mittlere Geschwindigkeit der Atome und Moleküle, aus der die Materie besteht.
Mikroskopisch betrachtet ist die thermische Energie eine Teilchenbewegung, deren Geschwindigkeit abhängig von der Temperatur ist.
Möchte man Moleküle und deren Wechselwirkungen in Zeitlupe studieren, kann man sie abkühlen und speichern; sie "zappeln" nicht so stark, sie können in Ruhe untersucht werden und zeigen möglicherweise besondere Eigenschaften (s. Bose-Einstein-Kondensat). Das Abkühlen von Molekülen funktioniert bis in den mK-Bereich, in speziellen Fällen sogar bis in den nK-Bereich.

Das Experiment

Die Moleküle verlassen die gepulste Düse mit sehr hoher Geschwindigkeit (im Bereich von 360 m/s). Sie fliegen als Pakete (ca. 3 - 5 mm) durch den Decelerator und werden pro Stufe in der Größenordnung von 2..3m/s langsamer. Wenn das erste Paket das Ende (Falle oder Speicherring) erreicht hat, wird die Düse für das nächste Paket geöffnet.
In der Falle können die Moleküle in "Ruhe" bei einer Temperatur von einigen mK untersucht werden.

Mit elektrischen Feldern, die zeitlich variabel ein- und ausgeschaltet werden, lassen sich neutrale polare Moleküle abbremsen (Stark-Decelerator).

Die Elektronik

Pulsdüsentreiber

Der Pulsdüsentreiber dient dazu, die Düse für eine definierte Zeit zu öffnen. Die Spannung und die Pulsdauer können eingestellt werden.

Der Pulsdüsentreiber wird durch ein TTL-Signal an der BNC-Buchse mit der Bezeichnung „In“ angesteuert. Bei einer positiven Flanke wird die Düsenspannung für einen über das Potentiometer einstellbaren Zeitraum an der Düse wirksam.
Die Düsenspannung wird an Out1(+) und Out2(-) freigegeben sobald der Wippschalter auf enable gestellt wird.
Der Wert der Düsenspannung kann über das Trimmpotentiometer unterhalb der aktuellen Spannungsanzeige verändert werden.
An der Monitor Buchse kann ein TTL-Signal gemessen werden, welches die Pulslänge an der Düse wiedergibt.

Hochspannungsschalter


Detailplan
In diesem Experiment werden insgesamt 6 Gruppen von jeweils 4 Hochspannungs­schaltern eingesetzt. Diese sind wiederum in zwei Gruppen einzuteilen: positive und negative Schalter, die jeweils zwischen den Zuständen "Hochspannung" und "Erdpotential" wechseln. Von einer entsprechenden Software gesteuert, gelangen die entsprechenden Signale über die "burst-unit" zu der "System-Control-Unit", deren Aufgabe zum einen darin besteht, die Triggersignale für die Schalter zu erzeugen und über die "Driver-Control-Unit" den "Control-Inputs" der Schalter zuzuführen, zum anderen überwacht sie die Funktion der Schalter und generiert im Fehlerfall ein "Fault-Signal". Dieses wird der "Interrupt-Unit" zugeführt und diese sorgt dafür, dass das gesamte Experiment unterbrochen und elektrisch abgeschaltet wird.

Der Hochspannungsschalter schaltet die Spannung zwischen den Potentialen +30kV, -30kV und Erde in Abhängigkeit des angelegten TTL-Steuersignals.

Überwachungseinheit

In diesem Gerät laufen die einzelnen Signale zusammen.

Signalgenerator

Der Anwender definiert den zeitlichen Ablauf der Potential-Umschaltpulse, die für jedes Molekül verschieden sind, mit einem speziellen Programm.
Der Signalgenerator erzeugt die zeitlich variablen Taktsignale, mit denen die Hochspannungsschalter die Potentiale umschalten.

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Adresse: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Faradayweg 4-6, 14195 Berlin, Germany
Elektroniklabor - Laborleiter Georg Heyne
Tel: +49 30 8413 3307, Fax: +49 30 8413 3301, E-Mail: ELAB@fhi-berlin.mpg.de