For english click here

En dubbel elektrostatisk jonlagringsring anländer till Fysikum och AlbaNova

Den 16:e april 2009 anlände DESIREE-anläggningens huvudvakuumkammare till AlbaNova. DESIREE står för "Double ElectroStatic Ion Ring ExpEriment" och det 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. Om du vill läsa mer klicka här (for information on the DESIREE project in English see http://www.atom.physto.se/Cederquist/!)

De två ringarna, som vardera har en omkrets av 8,8 meter kan, eftersom de är elektrostatiska, användas till att lagra både lätta och tunga joner och reaktioner kan studeras i en gemensam sträcka där energiskillnaden mellan strålar av positiva och negativa joner kan kontrolleras i fina steg ned till en lägsta energi av cirka 10 meV. Den inre vakuumkammaren är tillverkad av en aluminiumlegering med speciellt goda värmelednings- och hållfasthetsegenskaper, har dimensionerna (4,4×2,4×0,3 m3), och kommer att kylas ned till 10-20 K vilket gör att många lagrade joner får tid att relaxera till lågt liggande kvanttillstånd (lägsta elektroniska och vibrationella tillstånd). Aluminiumkammaren innesluts i en större kammare (vid rumstemperatur), en värmesköld och 25 lager av så kallad superisolering. Bilderna nedan visar några sekvenser från arbetet med att transportera kammaren till sitt laboratorium på plan 1 i AlbaNova (för fler bilder se http://www.atom.physto.se/Cederquist/desireegall/). Trycket i DESIREE kommer att vara i 10-14 mbar området och vi planerar experiment som sträcker sig från studier av elektron- och energiöverföringsprocesser i små fundamentala atomära och molekylära system till astrokemi (DESIREE har en miljö som liknar den i t.ex. mörka interstellära moln) och studier av hur t.ex. några få vattenmolekyler kan skydda en biomolekyl från att skadas av strålning.


Figur 1: Bilden längst till vänster: Leif Liljeby övervakar nedhissningen av DESIREE-kammaren från lastbilens flak. Till höger på kammaren syns två vakuumportar en för injektion av joner och en för laserljus. I mitten av samma kammarsida syns en port som kommer att användas för detektion av neutrala reaktionsprodukter. I nästa bild ser man hur Stefan Rosén hjälper till att placera DESIREE på luftkuddar för inrullning i laboratoriet. I den tredje bilden, som visar kammarens undersida, kan man ana hur jonerna kommer att gå runt i sina banor inuti kammaren genom att titta på hålen för de elektriska genomföringarna. Längst till höger ser vi innerkammaren nära platsen för slutmontering och med sin ytterkammar till höger.

DESIREE har utvecklats i nära samarbete mellan Fysikum och Manne Siegbahnlaboratoriet vid Stockholms Universitet och är finansierat av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapstrådet och till en mindre del av EU-nätverket ITS LEIF (Ion Technologies and Spectroscopies at Low Energy Ion Facilities) www.its-leif.org. I det senare fallet rör det sig om 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). 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.

Det vetenskapliga programmet kan, beskrivet något mer detaljerat, till att börja med delas in i sju huvudområden som utgörs av (i) 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. (ii) 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+. (iii) Kollisioner mellan positiva och negativa joner som man nu 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 när de träffar på positiva interstellära joner som t.ex. H3+ eller C2H2+ för relevanta tryck, temperaturer och energier. (iv) 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. (v) 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) Vi undersöker hur joner i atmosfären bildar kluster med t.ex. vattenmolekyler, vilket är av stor vikt för t.ex. klimatforskningen eftersom det anknyter till frågan om hur moln bildas. (vii) 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). En något mer detaljerad beskrivning av DESIREE (på engelska) följer här:

Description of DESIREE

DESIREE, the "Double ElectroStatic Ion Ring ExpEriment" is, as the abbreviation suggests, a double electrostatic ion storage ring for ions. Ions of opposite charge are stored in the two rings and share a common straight section, where the two beams are merged allowing for low and very well-controlled relative velocities of the two ion species. An artist’s view of DESIREE is shown in Figure 1 and a schematic in Figure 2 (pictures from the lab are shown at http://www.atom.physto.se/Cederquist/).


Fig. 1: An artist’s view of the interior of DESIREE showing ions circulating in the two rings. In the middle there is an ion-beams merging section but in this picture the central electrodes are not shown. A position sensitive detector for neutrals is mounted after the merging section.

DESIREE will be a world-unique facility as it provides appropriate conditions for studies of single ion-ion interactions with fine control of both the internal ion energies and of the center-of-mass collision energies. The interior of DESIREE, i.e. its inner vacuum chamber, will normally be kept at temperatures of 10-20 Kelvin by means of four closed-helium-circuit cryogenerators, which gives a very low background pressure in the 10-14 mbar range (for comparison the density of residual gas corresponds to a pressure of about 10-13 mbar at room temperature). The high voltage platforms, on which the ion sources are mounted, may be floated at maximum voltages of 100 kV (suitable for the heavier of the two ion species) and 25 kV (the lighter ion). Typical ion storage energies are then in the range of tens of kiloelectronvolts per atomic unit of charge. The center-of-mass collision energies are conveniently controlled by storing the ions at similar velocities and fine tuning the collision energy by floating the tube electrodes in the central section (common to both rings) in the hundreds of Volts range (cf. Figure 2). In this way, we for instance create a situation in which the positive ions are decelerated slightly in the merging section while the negative ions are accelerated and thus scan the collision energy all the way down to (nominally) zero energy. Here, the resolution is mainly limited by the angular spreads of the two stored beams in the merging section and is estimated to be about 10 meV. A further very attractive feature of the DESIREE design is that collisions down to energies of 10 meV may be studied for stored beams with up to a factor 20 between their mass-to-charge ratios. This feature is important for studies involving complex heavy molecules such as e.g. biomolecules, clusters, and fullerenes. The heavier ions, from the 100 kV platform, will be stored in the lower of the two rings shown in Figure 2.


Figure 2: Top view of the inside of the inner cryogenically cooled vacuum chamber of DESIREE (c.f. text for some details). There are four ports on the top lid for laser access.

The circumferences of the rings are about 8.8 meters and they are contained in a common inner aluminium vacuum chamber (machined from an alloy with favourable mechanical and thermal properties). The chamber has a length of 4.4 m, is 2.4 m wide and has a height of 30 cm. In Figure 2, the ion optical elements are shown. These are mounted individually on specially designed support plates which, in turn, are positioned with a precision of ±0.1 mm on the aluminium chamber floor. The relative positions of the ring elements will then, basically, be preserved as the chamber shrinks when it is cooled down (it only gets smaller as a whole). Further, it is not expected that it will be extremely critical to avoid minor changes even in the relative positions of the elements as such effects may be compensated for by means of ion beam correction elements in the rings. Thus, all ion optical elements of the DESIREE rings as well as detectors and other parts, will be mounted on the chamber floor and connected to the outside via electrical feedthroughs through the floor. The inner chamber is mounted inside a heat shield connected to the 70 K stages of the two-stage cryogenerators. The heat shield is covered on its outside by 30 layers of (thermal) superinsulation. This whole assembly is mounted inside an outer, mechanically reinforced, vacuum chamber made of iron. The choice of a magnetic material for the outer chamber was not an entirely obvious one, but now the residual magnetic field inside this chamber has been measured and in fact found to be weaker than the Earth’s magnetic field. The electrical wiring is made from the feedthroughs on the outside of the bottom of the aluminium chamber, via holes in the heat shield and the superinsulation, to the iron chamber using insulated cables with low heat conductivity (this concept has been verified in a cryogenic test chamber built for the DESIREE project). The ion optical structures of the rings are simple and contain 160 degrees cylindrical deflectors, horizontal and vertical deflectors, doublet quadrupole lenses, tube electrodes on the merging section and on the outer straight sections (there we also have windows for laser light for various purposes such as, e.g., photo absorption experiments and for excitation/heating of stored ions). A technological challenge for the DESIREE project is to maintain the low temperature and therefore it has only a limited number of ports through which infrared thermal radiation from the room temperature outside may enter. These are the ports for ion beam injections (here, thin bellows are used in order to limit the heat conduction through the material and the design is made so that the stored particle do not ‘see’ the warm openings): Further there are ports for lasers and for optically based particle detection, but here the effect is limited as the thermal screen is equipped with glass windows that only has a low transmission for the infrared thermal radiation. Finally four turbomolecular pumps are mounted that are used during the pump down phase, but these are ‘hidden’ behind cold baffles to avoid the direct exposure of the ions to the warm pumps. Position sensitive detectors are mounted after the beam-merging section (microchannelplates and a phosphor screen viewed by a CCD camera through a window), after the two outer straight sections (microchannelplates with resistive anodes), and on movable carriages operated by stepping motors (microchannelplates with resistive anodes). These systems (including stepping motors and other movable parts) have been thoroughly tested for operations at cryogenic temperatures in the above-mentioned test chamber. There are several positions for movable detectors indicated in Figure 2 as grey rectangles, but only one of these, for detection of ionic fragments from the heavier particles stored in the ‘lower’ ring, will be mounted for the first rounds of experiments. Typical ion beam currents will range up to about 50 nA for atomic and small molecular ions but are often less intense for complex ions and therefore accumulation traps will be used in order to optimise the numbers of ions stored for experiments in the two rings of DESIREE. Because of the very good expected vacuum, the residual-gas collisions limited lifetimes of stored beams of small ions will reach the level of hours.

The scientific program for the DESIREE facility aims at taking full advantage of its unique properties and will involve studies of electron, energy, and/or atom/molecule transfers in single interactions involving two ions that often need to be internally cooled. These ions may be of atomic, molecular, cluster, fullerene or biomolecular character. Important aims are thus to be able to control the initial quantum states of the ions before the interactions and thereby get access to new and more precise information concerning the fundamental atomic and molecular interaction processes. Further, it is very appealing to be able to perform experiments with single cold biomolecular ions with and without attached solvent molecules in well defined numbers and to study reactions with interstellar molecular ions under conditions very close to those found in, e.g., dark molecular clouds. Internal ion temperatures may be decreased by storing the ions until they reach thermal equilibrium with the inner walls of the cold chamber, and then they may (for some experiments) be given specific internal excitation energies by means of laser absorption. In some cases it may be necessary to cool the ions before injection (ions which interact weakly with the cold surroundings and/or have short storage lifetimes). The latter situation is handled by advanced instrumentation on the ion source platforms as sketched in Figure 3 and described in the following section.

A system for production, accumulation and cooling of complex molecules for DESIREE Below we show a schematic of an ion source platform assembly for DESIREE and the separate test bench (at which production, accumulation, cooling of ions, and laser excitations can be optimised).


Figure 3: The ion source platform showing as an example a set-up using the electrospray ion source, the rf ion funnel for collecting ions from the heated capillary, the accumulation trap, the ion guide and a quadrupole mass filter to be used for optimal use of the cryogenic ring-electrode trap where the ions will be effectively cooled by interactions with a puff of He gas. The various elements are differentially pumped.

Biomolecular and other complex molecular ions will in many cases be produced in an electrospray ion source. Electrospray ionization is a soft ionization technique, which is capable of generating gas-phase ions even from very large and fragile biomolecules. A solution in which the substance to be studied is present either as cations or anions is pressed through a thin needle. A potential difference of several kilovolts between the needle and the chamber walls creates a strong electric field at the tip, such that the emerging liquid is dispersed into a fine spray of charged droplets. Evaporation of solvent and fission processes decrease the size of the droplets on their way towards, and through, a heated stainless steel capillary leading into the vacuum. Depending on different parameters, not all solvent molecules evaporate and clusters of biomolecular ions with several water molecules attached are also produced.

After the capillary, the ions are guided through several differential pump stages by means of radio frequency multipole devices (see Figure 3). In the first stage, where a pressure of about 1.5 mbar is maintained, an rf ion funnel helps to collect the ions which are also directed by the expanding gas after emerging from the capillary. After the funnel, the ions are accumulated in a linear octupole trap in order to bunch the beam into pulses. This trap has specially designed extraction electrodes giving short ion pulses with a low spread in energy. Ions with the correct mass-to-charge ratio are then selected by a quadrupole mass filter. For experiments where internally cold ions at injection are needed, the mass-selected ion bunch is bent 90 degrees into a cryogenically cooled section containing a ring-electrode trap. Here, the ions are stored for at least several milliseconds and are internally cooled by collisions with a puff of cold helium buffer gas. At the time of extraction, no buffer gas is present and thus collisional re-heating of the cold ions is avoided. The ions then pass the 90 degree bend again and are accelerated towards DESIREE.