Entwicklung einer Alkaliatom-Quelle für Experimente mit ultrakalten Atomen unter Schwerelosigkeit

Kurzfassung

Die Konzeption einer adaptiven, fernsteuerbaren Quelle für Alkaliatome wird in dieser Arbeit thematisiert. Dabei werden verschiedene Technologien gegenübergestellt und untersucht, woraus die Notwendigkeit einer Abfüllanlage für die Alkalimetalle abgeleitet wird. Eine Abfüllung der in Glasampullen gelagerten, reaktiven Alkalimetalle in Ofenreservoirs wird designt, aufgebaut und validiert. Dadurch können Öfen diverser Geometrie mit reinem Alkalimetall gefüllt und auf einen Totaldruck von bis zu 1 x 10-8 hPa abgepumpt werden. Hierfür wird die Ampulle unter Ultrahochvakuum gebrochen, das Alkalimetall über eine integrierte Heizspule aufgeschmolzen und anschließend über einen Trichter in den Ofen umgefüllt. Die Abfüllanlage ist flexibel gestaltet worden, sodass auch Adaptionen und andere Anwendungsmöglichkeiten mit geringem Arbeitsaufwand möglich werden. Durch das vakuumgerechte Design und den sorgsamen Umgang mit den Komponenten kann eine hohe Repetitionsrate von ca. einer Abfüllung in zwei Tagen erreicht werden. Auf Basis von standardisierten Komponenten werden vier Ofenkonzepte vorgestellt und bewertet. Die Verwendung von Ganzmetalleckventilen und deren Adaptierung wird für die Anwendung als Alkaliatom-Quelle analysiert. Durch die Auslegung der Entwürfe wird es möglich, eine leichte, abtrennbare Alkaliatom-Quelle zu konstruieren und für Experimente mit ultrakalten Atomen zu nutzen. Dabei wird Rücksicht auf die Anforderungen von Mikrogravitationsplattformen, deren möglichen Launchern und den Experimentbedingungen genommen. Eines der vier Konzepte wird mit einem kommerziell erhältlichen Schieberventil entworfen. An dieses Absperrorgan kann der eigentliche Ofen über eine für das Ultrahochvakuum taugliche Con-Flat-Verbindung angebracht werden. Dieser Prototyp wird zur Verifikation der Abfüllanlage aufgebaut. Dadurch wird gezeigt, dass diese in der Lage ist, einen Ofen mit bis zu 90 % des Alkalimetalls aus der Ampulle zu füllen. Der Ofenprototyp wird nach der Abfüllung an einem Teststand zur Partialdruckmessung untersucht, welcher zusätzlich im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut wurde. Die Dichtheit des Schieberventils wird geprüft und das Aufheizverhalten des Ofens analysiert. Zum Nachweis der Funktion einer Alkaliatom-Quelle können über einen resonanten Laser die Alkalimetalle detektiert und aus den Messdaten der Photodiode der Partialdruck errechnet werden. Mit dem Aufbau wird zusätzlich eine anwendungsnahe Charakterisierung der Öfen möglich.