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A new hydrogen beam source for quantum bounce experiments

simulation and construction

Dennis Loggen

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physik

Betreuer*in

Eberhard Widmann

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DOI

10.25365/thesis.56346

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-22742.92300.774568-4

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Diese Masterarbeit handelt von einer neuen Quelle für einen atomaren Wasserstoffstrahl unter Nutzung von Mikrowellen. Molekularer Wasserstoff dringt in eine Pyrex Glasröhre ein, die von einem helixförmigen Draht umgeben ist. Die Antenne wird von einem Mikrowellengenerator bei einer Frequenz von nu=\,2.45\,GHz gefüttert und mit einer Leistung im Bereich von 60\,W betrieben, um ein Plasma zu zünden und aufrechtzuerhalten. Dieses Plasma dissoziiert den molekularen Wasserstoff in atomaren Wasserstoff. Der erste Teil dieser Arbeit dreht sich um die Simulation der neuen Quelle im Vergleich zu einer alten Wasserstoffquelle, die eine Schlitzantenne mit spezieller Linienform nutzt. Die Veränderungen in der Form der Antenne, des Kühlungs- und Zündungsmechanismus werden erläutert. Ein helixförmiges Design wurde implementiert, da es einfacher zu produzieren ist und die großen Toleranzen der Glasrohrabmessungen ausgleichen kann. Zwei vereinfachte helixförmige Designs und die schlitzförmige Linienantenne wurden in COMSOL Multiphysics erstellt, um die elektrischen Feldstärken zu simulieren und miteinander zu vergleichen. Mehrere Simulationen wurden durchgeführt und deren Ergebnisse genutzt, um sich für das Helixdraht Design zu entscheiden und um den Wert für den äußeren Schildradius festzulegen. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Konstruktion der Quelle selbst und die vorbereitenden Maßnahmen (Reinigungsmaßnahmen, Leaktests und den Zündungsmechanismus). Ein Test Set-ups für eine erste Charakterisierung der Quelle mit stationärem Argongas wird vorgestellt. Die Hauptkomponenten dieses Set-up sind eine Vakuumpumpe, Zufuhr von Argongas, die Zündung und zwei Käfige zum Schutz vor den Mikrowellen. Der letzte Teil der Arbeit behandelt die Ergebnisse dieser Tests. Es stellt die Qualität des Plasmas dar in Abhängigkeit der eingestrahlten und reflektierten Leistungen, des Drucks und der Frequenz. Es wird gezeigt, dass die reflektierte Leistung unabhängig vom Druck ist und der relative Wert der reflektierten Leistung nur von der Frequenz abhängt, sofern kein Plasma vorhanden ist. Mit einem brennenden Plasma ist die reflektiere Leistung abhängig vom Druck. Desweiteren kann gezeigt werden, dass das Plasma in einem gewissen Bereich gezündet werden kann, und mehr Spielraum der verschiedenen Parameter verträgt, sofern es erstmal brennt. Eine weitere Variable, die getestet wurde, war die Anzahl der Windungen der Helix. Änderungen werden beschrieben, die an der Quelle vorgenommen wurden, um die Konstruktion und den Betrieb zu vereinfachen. Die Quelle, die diese Arbeit beschreibt, wird für ein quantum bounce Experiment an der Universität von Zürich benutzt werden. Dessen Ziel ist die Erforschung der Zeitentwicklung von gravitativ gebundenen Zuständen von Wasserstoff.

Abstract

(Englisch)

This master thesis is about a new atomic hydrogen beam source using a microwave discharge plasma. Molecular H_2 enters a pyrex glass tube surrounded by a helical wire antenna. The antenna is fed by a microwave generator with a frequency of 2.45\,GHz and a power range in the vicinity of 60\,W to create and sustain a plasma which dissociates the molecular hydrogen into atomic hydrogen by coupling the microwaves to gas in the glass tube. The first part of the thesis deals with the simulation of the new source in comparison to an old hydrogen source with a slotted line antenna. The changes in the shape of the antenna, the cooling mechanism and the ignition are explained. A helical design has been implemented since it is easier to produce and it tolerates a great range of size differences or imperfections. Two simplified helical designs and the slotted line antenna have been simulated and compared using COMSOL Multiphysics. Various simulations have been conducted and their results were used to decide on a helical wire design and to determine the parameters for an outer shield radius. The second part is about the construction of the source itself and the preparatory measures (cleaning procedures, leak tests and ignition mechanism). A test set-up for first characterizations of the source with stationary argon gas is introduced. The main components of the set-up are a vacuum pump, argon gas supply, ignition system and two cages for protection of the microwaves. The last part of the thesis treats the results of the tests. It depicts the condition of the plasma in terms of the forwarded power, reflected power, the gas pressure and the frequency. It is shown that the reflected power is independent of the gas pressure and its relative value only depends on the frequency, when there is no plasma ignited, but also dependent on the pressure when there is a plasma glowing. It is shown that there is a certain parameter range for the ignition of the plasma. Those parameters can be changed thereby achieving stable plasma operation at settings, where a ignition is not possible. The other variable that has been tested experimentally for its impact on the plasma was different number of turns of the helix. Modifications of the source are described that have been implemented to improve the construction and the operation. The source described in this thesis will be used for a quantum bounce experiment at the University of Zurich. Its goal will be to investigate the time evolution of gravitationally bound states of hydrogen.

Autor*innen

Dennis Loggen

Haupttitel (Englisch)

A new hydrogen beam source for quantum bounce experiments

Hauptuntertitel (Englisch)

simulation and construction

Paralleltitel (Deutsch)

Eine neue Wasserstroffstrahl-Quelle für quantum bounce Experimente : Simulation und Konstruktion

Publikationsjahr

2019

Umfangsangabe

iii Blätter, 54 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Eberhard Widmann

Klassifikationen

33 Physik > 33.30 Atomphysik, Molekülphysik ,

33 Physik > 33.40 Kernphysik

AC Nummer

AC15511636

Utheses ID

49773

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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