Mutual neutralization of ion-pairs in the double electrostatic ion storage ring DESIREE


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/01/2015
End date: 31/12/2018
Funding: 2900000 SEK


Description

Vid Stockholms universitet har vi byggt en ny unik anläggning, DESIREE, för studier av atomära och molekylära joner och deras växelverkan. DESIREE står för ´Double ElectroStatic Ion-Ring ExpEriment´ och består av två elektrostatiska jon-lagringsringar inneslutna i en och samma vakuumkammare och med en gemensam raksträcka där strålarna från de två ringarna sammanfallar så att jonerna kan reagera med varandra. Detta är en optimal konfiguration för att studera processen ömsesidig neutralisation där en negativt laddad jon ger ifrån sig sin extra elektron till en positiv jon så att båda blir neutrala. Ämnet för detta projekt är att, med hjälp av DESIREE, studera ömsesidig neutralisation för atomära och små molekylära joner. Studier av ömsesidig neutralisation är nödvändiga för att förstå de detaljerade mekanismerna som styr reaktioner involverande fundamentala atomära system. Dessutom finns det en mängd olika tillämpningsområden där ömsesidig neutralisation tros spela en nyckelroll. Ett exempel är Solens atmosfär, där det finns en hög förekomst av negativa vätejoner. Deras reaktionshastigheter med positiva metalljoner är inte kända med tillräcklig noggrannhet för pålitliga uppskattningar av förekomsten av t. ex. litium och magnesium i Solens och andra stjärnors atmosfärer. Ett annat exempel är att det under de senare åren har konstaterats att negativa molekylära joner finns i stora mängder i rymden i de så kallade interstellära molnen. Hittills har det antagits att man kan lära sig om de viktiga kemiska egenskaparna hos dessa moln (som är födelseplatsen för blivande stjärnor och planetsystem) genom att studera reaktioner mellan positiva joner och fria elektroner, men med upptäckten av de höga förekomsterna av negativa joner finns det även ett stort behov av att mäta reaktionshastigheter för ömsesidig neutralisation. De neutrala partiklarna som bildas i en ömsesidig neutralisationsprocess i DESIREE får var för sig sina tider och lägen registrerade med hjälp av en detektor efter den gemensamma sträckan. Energin i den relativa rörelsen innan kollisionen kontrolleras genom att justera spänningen på ett enkelt driftrör som innesluter de två sammanfallande strålarna och energin för sluttillståndet kan man härleda från mätta tider och lägen av de två neutrala produkterna. Sådan detaljerat information om kollisionerna är nödvändig för att kunna jämföra med teoretiska beräkningar på detaljnivå och denna information får man effektivt fram med denna teknik. Det finns (och har funnits) enstaka anläggningar i världen där jon-jon växelverkningar har studerats i sammanfallande strålar, men en begränsning i alla tidigare anläggningar av detta slag är att jonerna träffar varandra bara mikrosekunder efter det att de bildades i sina respektive jonkällor. Då kan man inte veta i fall jonerna befinner sig i sina lägsta kvanttillstånd och man kan då bara uppnå säkra resultat för de få system där det inte finns några exciterade tillstånd. Med DESIREE har vi gått två steg vidare än något annat laboratorium i världen. Vi ser till att jonerna lagras i sekunder eller till och med minuter innan vi studerar deras kollisioner så att de har tillräckligt med tid för att komma i termisk jämvikt med omgivningen. Dessutom är hela vakuumkammaren med de två ringarna nedkyld till ungefär tio grader över den absoluta nollpunkten. Då blir även de lagrade jonerna ´kalla´ vilket i praktiken innebär att bara ett fåtal kvanttillstånd är populerade. Just innan denna ansökan skrevs lyckades vi för första gången detektera en signal från ömsesidig neutralisation i DESIREE. Att detta skulle vara möjligt var vi förstås övertygade om från början, men detta markerar ändå en viktig milstolpe i projektet, och utgör evidens för att de föreslagna experimenten verkligen går att genomföra.

Last updated on 2017-22-03 at 07:13