Podcasts about resonanzfrequenz

Ein bedeutender Teilbereich der Nanomechanik beschäftigt sich mit der Erforschung kleiner, schwingender Systeme, welche aufgrund ihrer geringen Massen auf minimale Umgebungseinflüsse reagieren. Dies macht derartige nanoskalige Resonatoren zu äußerst empfindlichen Sensoren. Die fortschreitende Miniaturisierung nanomechanischer Systeme erfordert nun einerseits die Weiterentwicklung von Antriebs- und Detektionsmechanismen, andererseits spielt die Verbesserung der mechanischen Güte eine zentrale Rolle für die Erhöhung der Empfindlichkeit möglicher sensorischer Anwendungen. Hierfür ist die Untersuchung der Mechanismen, welche die mechanische Dämpfung der Resonatoren verursachen, erforderlich. Um das Dämpfungsverhalten eines beidseitig eingespannten nanomechanischen Siliziumnitridresonators zu untersuchen und zu kontrollieren wird in dieser Arbeit ein Rasterkraftmikroskop (AFM) eingesetzt. Dessen Spitze wird mit dem Resonator in Kontakt gebracht und beeinflusst als lokale Störung kontrolliert das nanomechanische System. Das AFM bildet hierbei einen mechanischen Punktkontakt mit der Aufhängung des Resonators aus, wodurch Schwingungsenergie vom Resonator in die AFM-Spitze abgeleitet wird. Aufgrund der hervorragenden räumlichen Auflösung des Rasterkraftmikroskops ist es somit möglich den ortsaufgelösten Energiefluss zwischen den beiden Systemen zu untersuchen. Hierfür wird die mechanische Resonanz der Siliziumnitridsaite im Radiofrequenzbereich mittels eines heterodynen Überlagerungsverfahrens elektrisch ausgelesen. Die Bewegung des zwischen zwei Goldelektroden platzierten Resonators ruft eine Kapazitätsänderung des durch die Elektroden gebildeten Kondensators hervor. Durch Kopplung an einen Mikrowellenschwingkreis kann diese Kapazitätsänderung ausgelesen werden. Zudem können Gleich- und Wechselspannungen an die Elektroden angelegt werden, wodurch einerseits die Resonanzfrequenz des Resonators verstimmt und andererseits die mechanische Bewegung angetrieben werden kann. Das derart angetriebene nanomechanische System kann nun unter Einfluss der lokalen Störung durch das AFM in positions- und kraftabhängigen Messungen untersucht werden. Es zeigt sich, dass der Energietransfer durch den mechanischen Punktkontakt einen äußerst starken Einfluss auf die mechanische Güte des Siliziumnitridbalkens hat, seine Resonanzfrequenz jedoch nur geringfügig beeinflusst wird. Dies kann durch eine Änderung der mechanischen Impedanzanpassung des Resonators an seine Umgebung erklärt werden. Die Impedanzänderung durch den mechanischen Punktkontakt ermöglicht den Übergang eines stark fehlangepassten nanomechanischen Systems hoher Güte zu einem angepassten System niedriger Güte auf einem einzigen Resonator. Hierbei bleibt die intrinsische Dämpfung des Resonators unverändert und die zusätzlich induzierte Dämpfung kann der Abstrahlung von Vibrationsenergie in die Umgebung zugeschrieben werden. Resonatoren hoher Güte ergeben sich somit als Systeme mit möglichst großer Fehlanpassung der mechanischen Impedanz. Desweiteren kann mit dieser Methode das in den Aufhängepunkt des Resonators hineinreichende Verzerrungsfeld abgebildet werden. Dies ermöglicht die Untersuchung gekoppelter Moden des Resonators sowie deren Modenform.

Die Spektroskopie eines verbotenen optischen Übergangs eines einzelnen Ions verspricht ein optisches Frequenznormal mit einer Genauigkeit im Bereich von 10^(-18) zu ermöglichen. Die Vorraussetzungen dafür sind neben außergewöhnlich geringen systematischen Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs ein hohes Maß an Kontrolle der Bewegung des Ions, realisiert durch die Speicherung und Laserkühlung in einer Quadrupolfalle und die daraus resultierende, praktisch unbegrenzte Beobachtungszeit. Diese Arbeit beschreibt Experimente im Hinblick auf die Realisierung eines der aussichtsreichsten Kandidaten für ein optisches Frequenznormal, einem gespeicherten Indium-Ion. Zunächst wird in Kapitel 2 das Konzept der Indium-Uhr, der bisher experimentell erreichte Stand der Spektroskopie, mit einer relativen Auflösung von 10^(-13), und eine Abschätzung der limitierenden Verschiebungen des 1S0-3P0 Referenzübergangs dargestellt. Kapitel 3 führt danach in das Prinzip der Speicherung und die konkrete Umsetzung im In+-Experiment ein, behandelt dabei auftretende Probleme und liefert mögliche Lösungen. In Kapitel 4 wird eine neu implementierte Methode der Photoionisation von Indium-Atome vorgestellt, die mit nur einem Laser bei 410 nm über eine Zweiphotonen-Anregung zur Ionisierung führt. Gegenüber der bislang verwendeten Elektronenstoßmethode konnte damit die Ionisierungseffizienz um zwei Größenordnungen gesteigert, und so Probleme, die einen kontinuierlichen Betrieb des Frequenznormals behindern, vermieden werden. Im Hinblick auf eine Erhöhung der Mittelungszeit wurde ein kontinuierlich betreibbares Kühllasersystem aufgebaut, das in Kapitel 5 beschrieben wird. Ein gitterstabilisierter Diodenlaser bei 922 nm wird zunächst in seiner Frequenz auf unter 100 Hz relativ zu einem Referenzresonator stabilisiert. Nach dem Durchgang durch einen frequenztreuen Trapezverstärker werden danach in einer ersten Frequenzverdopplung mit Hilfe eines periodisch gepolten KTP-Kristalls mehr als 200 mW blaues Licht bei 461 nm erzeugt. Eine zweite Frequenzverdopplung mit BBO führt nachfolgend zu etwa 1 mW bei 231 nm, der Wellenlänge des 1S0-3P1 Kühlübergangs von In+. Neben der demonstrierten Nutzung im Indium-Experiment bietet sich dieses System durch seine große Leistung im blauen Spektralbereich, die weite Durchstimmbarkeit und die hohe Frequenzstabilität für viele Anwendungen in der Atomphysik und Quantenoptik an. Kapitel 6 beschreibt Ergebnisse der Seitenbandkühlung, für deren Umsetzung Indium ein einzigartiges Modellsystem darstellt. Anhand einer spektroskopischen Temperaturbestimmung in optisch-optischer Doppelresonanz wird die praktisch erreichte Grundzustandskühlung bestätigt. Es ergibt sich eine Temperatur unterhalb von 300 muK, entsprechend einer Amplitude der Säkularbewegung von unter lambda/10. Durch die zusätzliche Kontrolle der Mikrobewegung unter lambda/20 sind insgesamt relative Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs aufgrund einer Bewegung des Ions im Bereich von 10^(-18) zu erwarten. Die Mikrobewegung besitzt einen starken Einfluss auf die Kühldynamik, der in einem erweiterten Modell der Seitenbandkühlung semiklassisch beschrieben wird. Es ergibt sich die verblüffende Situation, dass eine Kühlung auch für Laserfrequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz des ruhenden Ions möglich ist. Kühlrate und Einfangbereich dieser Kühlung werden simuliert. Die präzise Kontrolle der zusätzlichen Mikrobewegung erlaubt eine Prüfung der Vorhersagen im Experiment. Durch Spektroskopie am Kühlübergang konnte eine effektive Kühlung bei positiver Laserverstimmung experimentell demonstriert werden.

Am neuen Forschungsreaktor München II (FRM II) wird der Münchener Spaltfragmentbeschleuniger MAFF (Munich Accelerator for Fission Fragments) entwickelt. Ziele dieses Projektes sind die Produktion von stabilen neuen schweren Elementen (mit Z > 100) und Experimente zur Untersuchung der Kernstruktur von neutronenreichen Spaltprodukten und des r-Prozesses in der Astrophysik. Der LINAC von MAFF besteht aus einem RFQ, einer Boostersektion mit drei Beschleunigertanks und einer energievariablen Sektion mit zwei baugleichen 7-Spalt-Resonatoren. Durch Ein- bzw. Abschalten des dritten Beschleunigertanks können die Spaltfragmente mit zwei verschiedenen Energien (4.15 MeV/u bzw. 5.40 MeV/u) in die 7-Spalt-Sektion eingeschossen werden. Durch Nachbeschleunigen bzw. Abbremsen soll stufenlos ein Endenergiebereich von 3.7 MeV/u bis 5.9 MeV/u abgedeckt werden können. Alle Komponenten des LINAC sind als IH-Resonatoren ausgeführt. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Entwicklung und der Bau der 7-Spalt-Resonatoren. Diese wurden für eine mittlere Teilchengeschwindigkeit von β = 0.10 und einem Masse/Ladungs Verhältnis von A/q ≤ 6.3 ausgelegt. Die Resonatoren sollen bei einer Frequenz von 202.56 MHz (CERN-Frequenz) und einer gepulsten Leistung bis max. 100 kW betrieben werden (Tastverhältnis = 1:10). Nach Festlegung dieser Parameter wurden durch Simulationen mit dem Code MAFIA die Dimensionen eines 1:1 Modells bestimmt, an dem dann durch Variation der Geometrien die Resonatoreigenschaften experimentell untersucht wurden. Mit den Programmen LINAC und LORASR wurde die Strahldynamik untersucht. Die Rechnungen zeigten transversal und longitudinal ein geringes Emittanzwachstum von unter 5 % für die extremsten Beschleunigungs- und Abbremsszenarien. An einem Leistungsresonator wurden anschließend sowohl Niederleistungsmessungen zur Verifizierung der Rechnungen durchgeführt, als auch Hochleistungtests, um zu demonstrieren, daß die geforderten Designspannungen und damit auch die entsprechenden Beschleunigungen erreicht werden können. Dazu wurde am Maier-Leibnitz-Labor eine Test-Stahllinie aufgebaut, in der ein 16O5+ Ionenstrahl mit 4.15 MeV/u (DC und gepulst) in den Resonator eingeschossen und erfolgreich beschleunigt bzw. abgebremst wurde. Die dabei ermittelte Shuntimpedanz von 120 MΩ/m für hohe Senderleistung läßt bei maximaler Senderleistung theoretisch eine Gesamtresonatorspannung von bis zu 2.4 MV erwarten, wodurch ein Endenergiebereich von 3.6 MeV/u bis 6.0 MeV/u abgedeckt werden kann. Der IH-Resonator läßt eine einfache Modifikation der Driftr¨ohrenstruktur zu. Es ist vorgesehen, bis zur Fertigstellung von MAFF, den schon gebauten Prototyp als 9-Spalt-Resonator in zwei einfach umzubauende Versionen beim REX-ISOLDEProjekt am CERN einzusetzen. Die für eine Leistungssteigerung von 2.2 MeV/u auf 3.1 MeV/u nötigen Komponenten der Driftröhrenstruktur wurden bereits gefertigt und probeweise in den Resonatortank eingebaut. Bei Niederleistungstest von Resonanzfrequenz und Spaltspannungsverteilung wurde eine sehr gute Übereinstimmung mit den Simulationen festgestellt. Die gemessene Resonanzfrequenz lag dabei nur ca. 0.05% über der berechneten Frequenz. Die Güte Q wurde bei den Niederleistungsmessungen mit 9833 bestimmt.