Wissenschaftsbild des Monats

Unter Strom für die Ionenproduktion

Die Struktur der Materie untersuchen Wissenschaftler am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung mit Teilchenbeschleunigern. Ionenquellen liefern die dafür notwendigen elektrisch geladenen Atome.

Futuristisch wirkt der blau illuminierte und mit Metall verkleidete Raum, in dem auf Stelzen eine Kammer steht, die Kästen mit blinkenden Leuchten und viele gewundene Kabel beherbergt. Die abgebildete Anlage ist eine sogenannte Ionenquelle. Sie steht am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt und erzeugt elektrisch geladene Atome, die Ionen. Da hier mit Hochspannung gearbeitet wird, ist die Kammer in einen großen Raum eingeschachtelt, um sie nach außen zu isolieren. Auch die zylindrischen "Stelzen", auf denen die Kammer steht, dienen der Isolation. Die dicke Spirale unter der Kammer enthält Versorgungsleitungen für die Quelle. Im linken Innenraum der Kammer befindet sich die Elektronik, die zum Betrieb der Quelle benötigt wird. Im rechten Bereich steckt die eigentliche Quelle, in der die Ionen erzeugt werden. Hier werden mithilfe eines Glühdrahts oder über Gasentladung – ähnlich wie ein Blitz bei einem Gewitter – Elektronen aus Atomen eines Gases oder Metallstücks freigesetzt. Ein Ion entsteht, wenn diese freien Elektronen auf ein Elektron in der Hülle eines Atoms treffen und es aus der Hülle "hinausstoßen". Dadurch entstehen immer mehr freie Elektronen, die wiederum andere Atome ionisieren können. Diesen Prozess nennt man Elektronenstoßionisation. So entsteht in der Kammer ein Gemisch aus freien Elektronen und positiven Ionen – ein Plasma. Jetzt können die Ionen für die Experimente in den angeschlossenen Beschleunigern zur Verfügung gestellt werden. Dazu werden hintereinander hohe elektrische Spannungen angelegt, je nach Ionensorte zwischen 20.000 und 130.000 Volt. Die Ionen werden so auf mehr als zwei Millionen Kilometer pro Stunde beschleunigt – das sind etwa 0,2 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Da die Elektronen negativ geladen sind und die Ionen positiv, werden sie von der angelegten Spannung jeweils in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt. Über das Rohr, das rechts aus der Kammer herausführt, werden die ionisierten Atomkerne als Strahl in den im Bild nicht mehr sichtbaren Beschleuniger eingespeist und anschließend auf Materialproben, zum Beispiel eine dünne Metallfolie oder eine biologische Zellprobe, geschossen. Eine Analyse der dabei entstehenden "Trümmer", den neu entstandenen Teilchen, liefert neue Einsichten und Erkenntnisse über den inneren Aufbau und Ursprung der Materie und das, was sie im Inneren zusammenhält.

Bild: J. Hosan/GSI

Franziska Roeder

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