Thermisches Design

Durch die starke Miniaturisierung der elektronischen Module entstehen an ei-nigen Komponenten sehr hohe elektrische Leistungsdichten. Ein effizienter Weg der Wärmeabfuhr bei vergleichbarer kompakter Bauform bietet die Kühlung mittels einer Kühlflüssigkeit. Über ein Netzwerk aus Silikonschläuchen und Kup-ferrohren mit einem Innendurchmesser von einigen Millimetern wird destillier-tes Wasser in der Kapsel geführt. Ein externer Wärmetauscher [Thermo Fisher, ThermoFlex Recirculating Chillers]stabilisiert den Kühlkreislauf innerhalb der Katapultkapsel während des Laborbetriebs auf 22°C. Sowohl im Fallbetrieb, als auch im Katapultbetrieb, steht der Kapsel innerhalb des Fallturmes ein Kühl-kreislauf zur Verfügung. Erst wenige Minuten vor dem Abwurf bzw. vor dem Katapultstart wird der Kühlkreislauf abgetrennt. Während dieser Zeit und der Dauer der Experimente im Fallturm ist das in der Kapsel verbleibende Kühl-mittel als Wärmepuffer ausreichend.

2.6. Ultrahochvakuumsystem

2.6. Ultrahochvakuumsystem

Das Experimentieren mit ultrakalten Gasen, insbesondere die Erzeugung quan-tenentarteter Gase, benötigt eine wechselwirkungsfreie Umgebung für die un-tersuchten Atome. Hier sind vor allem Stöße mit im System befindlichen Rest-gasatomen zu verhindern, welche die Lebensdauer des atomaren Ensembles re-duzieren. Zur Minderung dieser Stoßraten werden die in dieser Dissertation be-schriebenen Experimente mit ultra-kalten atomaren Ensembles in einem Umfeld durchgeführt, in welchem ein Ultrahochvakuum (UHV) herrscht.

2.6.1. Vakuumpumpenkonzept

Zur Erzeugung des UHVs werden unterschiedliche Typen von Vakuumpumpen verwendet. Initialisiert wurde das Vakuum über eine Kombination einer Dreh-schieberpumpe und einer Turbomolekularpumpe[Pfeiffer, PM S22 373 10], die über Wellschläuche und zwei UHV-Ventile an das Vakuumsystem in der Kapsel angeschlossen wurde. Beide Pumpen funktionieren über ein rein mechanisches Pumpprinzip. In der Drehschieberpumpe dreht sich ein auf einer exzentrisch angeordneten Drehachse gelagerter Rotor innerhalb eines Stators und erzeugt somit eine Saugwirkung. Hierdurch wird ein Grobvakuum im Millibar-Bereich erzeugt, welches den reibungsfreien Betrieb der Turbomolekularpumpe ermög-licht. Innerhalb der Turbomolekularpumpe drehen sich Schaufelräder mit einer Frequenz von einigen tausend Hertz und erreichen eine Geschwindigkeit in der Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der Gasmoleküle.

Durch einen Impulsübertrag auf die Gasmoleküle wird ein gerichteter Gasstrom erzeugt. Mittels dieses Prinzips können Gasmoleküle umso effektiver gepumpt werden, je schwerer und somit langsamer sie sind. Die Kombination der beiden beschriebenen Pumpen ermöglicht eine Reduktion des Restdruckes des Vaku-umsystems auf 10⁻⁹mbar.

Nach Erreichen dieses Druckbereiches wurden die in die Katapultkapsel inte-grierten elektrochemischen UHV-Pumpen aktiviert. Hierzu gehört eine Ionen-getterpumpe (IGP)[VinciTech, (modifiziert)], innerhalb welcher über das An-legen einer Hochspannung von bis zu 7 kV das Restgas über Elektronenstöße ionisiert und auf eine aus Titan bestehende Kathode zubeschleunigt wird. Beim Auftreffen auf der Kathode werden die Ionen chemisch gebunden oder implan-tiert und sind somit dem Restgas entzogen. Zur Erhöhung der Wahrscheinlich-keit solch eines Prozesses werden die Elektronen über ein von Permanentma-gneten erzeugtes homogenes Magnetfeld auf Kreisbahnen gezwungen. Die Not-wendigkeit dieser Permanentmagneten verbietet einen Betrieb der IGP nahe der Atominterferometriezone. Wie auch schon bei QUANTUS-I wurde die

ein-gesetzte IGP mechanisch auf den Betrieb im Fallturm angepasst (s. [1]). Da sich insbesondere Edelgase schwer ionisieren lassen, wird zusätzlich ein komple-mentäres Pumpprinzip verwendet. Es wurden zwei passive Getterpumpen ver-baut. Bei der Titansublimationspumpe (TSP)[VgScienta, SBST110] wird durch Ohmsches Heizen Titan verdampft, welches sich auf den Oberflächen der Vaku-umrohre niederschlägt und zufällig auftreffende Restgasteilchen chemisch bin-det. Sobald die aufgedampfte Titanschicht mit Restgasmolekülen bedeckt ist, wird die TSP erneut aktiviert und die Titanschicht erneuert. Der Betrieb von TSPs hat jedoch den Nachteil, dass sich Titanflocken in das Vakuum ablösen können und während der Mikrogravitationsphasen unkontrolliert im Vakuum-system umher schweben. Daher wurde als Alternative eine neuartige passive Getterpumpe der Firma SAES[SAES, NEG CapaciTorr C 200 BLD]verbaut. Auch diese Pumpe beruht auf der chemischen Bindung von Restgasmolekülen in ei-ner Titanlegierung. Hierbei ist die Titanlegierung über einen Sinterungsprozess zu porösen Scheiben mit hoher Oberfläche gepresst. Durch Ohmsches Heizen werden die chemisch gebundenen Teilchen über einen Diffusionsprozess in den Kern der Pumpe transportiert, wodurch wieder Oberfläche zum Fangen weite-rer Restgasteilchen zur Verfügung steht. Bisher konnte lediglich durch Zündung der TSP eine deutliche Druckreduktion beobachtet werden. Nach einem mehr-wöchigen Ausheizprozess bei 80°C und Abtrennung der externen Pumpen durch die verbauten UHV-Ventile, können die in die Kapsel integrierten Vakuumpum-pen den Druck im oberen Teil des Vakuumsystems bei 4,5 · 10⁻¹¹mbar halten.

Dies entspricht einem Druck von 6· 10⁻¹¹mbar in der Interferometriekammer.

Dieser Druck ist für Experimente mit ultra-kalten Gasen ausreichend.

2.6.2. Vakuumaufbau

Das Vakuumsystem lässt sich grob in zwei Bereiche unterteilen. Im oberen Be-reich der Kapsel befinden sich die Vakuumpumpen, eine Vakuummesssonde

[Pfeiffer, IKR270] und ein UHV-Ventil. Über einen Gitterflansch, einen Well-balg und ein Rohr ist dieser Bereich mit dem unteren verbunden. Im unteren, durch den magnetischen Schild (s. Abschnitt 2.8.3) abgeschirmten Bereich befin-den sich die beibefin-den Vakuumkammern, in befin-denen die Atome manipuliert werbefin-den.

Hierzu gehört die 2D⁺-MOT-Kammer, in welcher ein vorgekühlter Atomstrahl geformt wird. Dieser Strahl wird durch eine differentielle Pumpstufe in die In-terferometriekammer injiziert, in welcher die 3D-Chip-MOT geladen, das BEC erzeugt und die Interferometrie durchgeführt wird. Alle Komponenten inner-halb des magnetischen Schildes wurden aus unmagnetischen Materialien gefer-tigt. Abbildung 2.15 zeigt eine Aufnahme der magnetischen Abschirmung und der in ihr verbauten Vakuumkammern. Nachfolgend wird der Aufbau der drei genannten Komponenten ausführlicher erläutert.

2.6. Ultrahochvakuumsystem

Abbildung 2.15.:Aufnahme der im magnetischen Schild verbauten Komponenten.

2D⁺-MOT-Kammer

Die 2D⁺-MOT-Kammer wurde aus der unmagnetischen Titanlegierung Titan Grade 5 (Ti6Al4V) gefertigt, besitzt fünf optische Zugänge und bietet vier An-schlussmöglichkeiten für CF-Komponenten. Vier der optischen Zugänge sind rechteckig und längs der 2D⁺-MOT-Kammer angebracht. Diese optischen Zu-gänge bestehen aus Glassubstraten aus N-BK7 und sind von außen antireflex-beschichtet. Sie bieten den Zugang für die transversalen Kühllaserstrahlen der 2D⁺-MOT. Dabei ist eines der vier Substrate 20 mm länger und bietet zu-sätzlich den optischen Zugang des Retarder-Laserstrahls. Der fünfte optische Zugang ist ein rundes Glassubstrat aus N-BK7 mit einem Durchmesser von 20 mm und liegt gegenüber der differenziellen Pumpstufe und Interferometrie-kammer. Über diesen Zugang wird der Pusher-Laserstrahl der 2D⁺-MOT ein-gestrahlt. Alle fünf Glassubstrate wurden mittels einer Indium-Dichttechnik an der Titankammer befestigt. An drei der vier CF-Flansche sind via Mikro-CF-Stromdurchführungen (DN10)[Vakom, CF10-VB-0B-04] Dispenser[SAES, RB;

Alvatec, K u Rb] in die 2D⁺-MOT-Kammer eingebaut. Am vierten CF-Zugang ist ein UHV-Ventil der Größe DN 16 befestigt. Dieser Zugang diente der Initia-lisierung des UHVs über die externen Pumpen. Momentan ist an diesem Zu-gang ein Reservoir angeschlossen, welches den benötigten Rubidium-Hintergrunddampfdruck in der 2D⁺-MOT-Kammer erzeugt.

Differentielle Pumpstufe

Über ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 19 mm und einer Länge von 50 mm aus der Aluminiumlegierung CERTAL^r ist die 2D⁺-MOT-Kammer an die Interferometriekammer angeschlossen. Die Wahl des Materials wurde nach einer Konsultation eines Ingenieurs des Fallturms getätigt. Das im Vergleich zu Titan weichere CERTAL^r soll beim Aufprall der Experimentkapsel elastisch nachgeben und somit die Entstehung von Mikrorissen und den Verlust des Va-kuums verhindern. Dieses Rohr ist ebenfalls mittels der Indium-Dichttechnik an beiden Kammern befestigt.

Innerhalb des Verbindungsrohrs zwischen den Kammern ist eine differenziel-le Pumpstufe aus Kupfer eingebaut. Durch diese Pumpstufe ist es möglich, in der Interferometriekammer einen geringeren Hintergrunddampfdruck aufrecht zu erhalten bei gleichzeitig circa hundertfach höherem Druck in der 2D⁺ -MOT-Kammer. Die zylinderförmige Pumpstufe ist in die 2D⁺-MOT-Kammer hinein geschraubt und über einen Konterring im CERTAL^r-Rohr fixiert. Der in die 2D⁺-MOT-Kammer hinein ragende Teil der differentiellen Pumpstufe ist in ei-nem Winkel von 45°zur Mittelachse angeschrägt. Die so entstandene ovale Flä-che wurde hochreflektierend poliert und fungiert als Reflektor für den Retarder-Laserstrahl der 2D⁺-MOT. Der Reflexionsgrad der polierten Fläche wurde zu 0,998 bestimmt. Durch die differentielle Pumpstufe führt eine Bohrung, welche die ersten 10 mm einen Durchmesser von 1,5 mm hat und sich anschließend unter einem Winkel von 4° zur Mittelachse konusförmig öffnet. Der mittlere Teil des eben beschriebenen Konus wurde durch ein 30 mm langes Graphitrohr ersetzt, welches durch die große Oberfläche des Graphit eine erhöhte Absorption nicht gerichteter Gase ausweist und somit die Leistung der differentiellen Pumpstufe erhöht.

Interferometriekammer

Die Interferometriekammer besteht aus zwei Bauteilen, welche ebenfalls wie die 2D⁺-MOT-Kammer aus der unmagnetischen Titanlegierung Titan Grade 5 (Ti6Al4V) gefertigt worden sind. Der erste Teil der Interferometriekammer ist zylinderförmig mit einer Höhe von 64 mm, einem inneren Durchmesser von