Desirée kommer till AlbaNova

En dubbel elektrostatisk jonlagringsring anländer till Fysikum och AlbaNova

Den 16:e april 2009 anlände DESIREE-anläggningens huvudvakuumkammare till AlbaNova. DESIREE, namnet står för "Double ElectroStatic Ion Ring ExpEriment", kommer att bli den enda anläggningen i världen där man kan utföra studier av reaktioner mellan positiva och negativa joner med kontroll av såväl jonernas interna excitationsenergier som den energi med vilken de kolliderar med varandra. Instrumentet, en dubbel elektrostatisk jonlagringsring, består av två lagringsringar, vardera med en omkrets på 8.8 meter. Varje ring består av ett antal elektrostatiska element (linser, avlänkningsplattor och två cylindriska deflektorer) med vars hjälp vi kan styra jonerna så att de lagras i slutna banor - positiva joner i den ena ringen och negativa joner i den andra. Man kan ställa in spänningarna på elementen så att strålarna lagras vid nära nog samma hastighet i de två ringarna och det finns dessutom en möjlighet att finjustera hastighetsskillnaden och uppnå så låga kollisionsenergier som 10 meV (den lägre gränsen ges av jonernas transversella hastighetsdistributioner snarare än av spänningsaggregatens stabilitet).

DESIREE består av en inre och en yttre vakuumkammare. Den inre kammaren, med dimensionerna (4,4 x 2,4 x 0,3 m), är tillverkad av en aluminiumlegering med speciellt goda värmelednings- och hållfasthetsegenskaper och innesluts i den yttre kammaren (som hålls vid rumstemperatur), en värmesköld och 25 lager av så kallad superisolering. Båda ringarna och den inre kammaren i vilken de är monterade kommer att kylas ned till temperaturer av 10-20 K med hjälp av s.k. kryo-generatorer (som använder flytande Helium). Detta gör att de joner som lagras med tiden kommer att uppnå termisk jämvikt med sin omgivning och givet att lagringstiden är tillräckligt lång så kommer vi därför att kunna se till att jonerna uppnår sina lägsta elektroniska och vibrationella tillstånd innan experimenten påbörjas. I sammanhanget kan nämnas att trycket i kammaren kommer att vara runt 10^-14 mbar vilket gör att många joner kan lagras under betydande tidsrymder, i en del fall till och med minuter och timmar. Även om de kollisionsenergier som vi är mest intresserade av är låga (meV-eV) så är jonernas lagringsenergier typiskt av storleksordningen tiotals kiloelektronvolt vilket innebär att reaktionsprodukterna lämnar ringarna i bestämda riktningar och därför kan detekteras på specifika platser. Vi kommer att använda olika typer av lägeskänsliga detektorer för att bestämma olika egenskaper hos reaktionsprodukterna. Jonerna kan, som alternativ, även kylas redan innan de injiceras i ringarna genom att de växelverkar med mycket kalla så kallade buffergaser (vanligen Helium) i små förfällor. För mer detaljer om DESIREE klicka här!

 

Det faktum att DESIREE bara har elekrostatiska element (inga magneter) innebär att man kan lagra både lätta och tunga joner (i fallet med magnetisk lagring är det ofta problem att lagra de tyngre jonerna) vilket ger möjlighet till ett brett spektrum av experimentella undersökningar.

Vi planerar experiment som sträcker sig från studier av elektron- och energiöverföringsprocesser i fundamentala atomära och små molekylära system till astrokemi (DESIREE har en miljö som liknar den i t.ex. mörka interstellära moln) och till studier av hur t.ex. några få vattenmolekyler kan skydda en biomolekyl från att skadas av strålning. Monteringsarbetet i DESIREE laboratoriet kommer att gå in i en intensiv fas under hösten och vi räknar med att de första experimenten kommer att komma igång under 2010.

DESIREE har utvecklats i nära samarbete mellan Fysikum och Manne Siegbahnlaboratoriet vid Stockholms Universitet och är finansierat av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet och till en mindre del av EU-nätverket ITS LEIF (Ion Technologies and Spectroscopies at Low Energy Ion Facilities). Den sistnämnda finansieringen avser utvecklingen av delsystem t.ex. för att ackumulera och aktivt kyla jonerna redan innan de injiceras i ringarna (i de fall då man har låga intensiteter och/eller när det tar lång tid för jonerna att uppnå termisk jämvikt med de kalla innerväggarna av DESIREE). Den totala kostnaden för DESIREE fram till och med år 2009 är i runda tal 100 MSEK.

Det vetenskapliga programmet

Det vetenskapliga programmet kan delas in i sju huvudområden:
Elektronöverföringsprocesser i kollisioner mellan positiva och negativa atomära joner.
I ett av de första experimenten kommer vi att detaljstudera hastighetsberoendet för överföring av en och två elektroner i H^- +H⁺ och D^- + H⁺ systemen. Det finns tidigare studier i det första fallet men inte ned till tillnärmelsevis så låga energier som är aktuella här (och som är de som är mest relevanta ur fundamental synpunkt och för tillämpningar i t.ex. astrofysikaliska sammanhang). Vårt experiment bör kunna tillföra väsentligt nytt genom ett starkt förbättrat vakuum och genom att vi registrerar kvanttillstånden efter kollisionen.

Elektronöverföringsprocesser och fragmentering i kollisioner som innehåller små molekylära system.
Det första experimentet kommer att ske med H^- + H₂⁺ ned till mycket låga energier. Vi vill undersöka på vilket sätt reaktionerna påverkas av att den elektron som överförs inte är fri utan (från början) löst bunden i H^- jonen. Vi kommer då att undersöka skillnader i fragmentationsmönster och excitationer (vilka kvanttillstånd populeras) för de två systemen H^- + H₂⁺ och e^- + H₂⁺.

Kollisioner mellan positiva och negativa joner som man sedan helt nyligen vet finns på samma platser i rymden (i mörka interstellära moln).
De första, och så här långt enda, identifierade negativa molekylära jonerna i de kalla regionerna mellan stjärnor är C₄H^-, C₆H^-, C₈H^- och C₃N^-. Vi kommer att undersöka med vilka hastigheter dessa reagerar (reaktionshastigheten är kollisionshastigheten gånger tvärsnittet) när de träffar på positiva interstellära joner som t.ex. H₃⁺ eller C₂H₂⁺ för relevanta tryck, temperaturer och energier.

Ömsesidig neutralisation av fullerener
Fusion (två C₆₀ molekyler smälter samman till C₁₂₀), bildandet av van der Waals och kovalenta dimerer (två C₆₀ molekyler hänger ihop genom van der Waals (svaga) eller kovalenta (starka) bindningar) och bildandet av en supertung analog till väteatomen i C₆₀⁺ + C₆₀^- kollisioner.

Kollisioner med biomolekyler och med biomolekyler i nanolösningar
(biomolekylen bildar ett kluster tillsammans med ett fåtal lösningsmolekyler, oftast H₂O). Vi studerar hur nukleotider, byggstenar i DNA, påverkas av elektron- och energiöverföringsprocesser i vakuum och hur de skyddas av nanolösningar med precis kontroll av antalet lösningsmolekyler.

Vi undersöker hur joner i atmosfären bildar kluster med t.ex. vattenmolekyler.
Detta är av stor vikt för t.ex. klimatforskningen eftersom det anknyter till frågan om hur moln bildas.

Vi utför mätningar av livstider för metastabila kvanttillstånd i positiva och negativa joner av atomer, molekyler och kluster där vi även kan använda möjligheten att excitera jonerna med laserljus vid bestämda tidpunkter efter injektionen i DESIREE.

Listan kan med lätthet göras mycket lång och ytterligare intressanta experiment med t.ex. metallkluster, polycykliska aromatiska kolväten och grafen planeras och diskuteras för närvarande. Vi ser verkligen fram mot att snart äntligen, efter många års intensiva förberedelser, kunna påbörja det experimentella arbetet vid den nya och världsunika anläggningen DESIREE. De anläggningar i världen som är närmast besläktade med DESIREE är ELISA (en varm, enkel, lagringsring i Aarhus, Danmark) och CSR (en kryogeniskt kyld enkel lagringsring - främst för studier av kylda joners växelverkan med fria elektroner). Ett 15-20 tal forskare och doktorander vid Fysikum planerar experiment i anslutning till DESIREE och vi räknar dessutom med externa användare från Sverige, Norden, Europa och övriga världen. Vi verkar för att göra DESIREE till en officiell experiment-facilitet, av typen "Low Energy Ion beam Facility", inom Europa (www.its-leif.org).

Henrik Cederquist Henning Schmidt