DE102008005104A1

DE102008005104A1 - Ultrapräzises Massenspektrometer

Info

Publication number: DE102008005104A1
Application number: DE200810005104
Authority: DE
Inventors: Bengt Noelting
Original assignee: Nolting Bengt Dipl-Phys Dr
Current assignee: Nolting Bengt Dipl-Phys Dr
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2009-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Geräte zur ultrapräzisen Massenspektrometrie, dadurch gekennzeichnet, daß (a) Elektronen oder Ionen in einem elektrischen Feld beschleunigt werden, dessen Stärke mittels eines Einzelelektronenzählers justiert wurde, (b) Elektronen oder Ionen in einem elektrischen Feld abgelenkt werden, dessen Stärke mittels eines Einzelelektronenzählers justiert wurde, (c) der Elektronenstrahl vor seiner Detektion zyklisch das Spektrometer über einen Zeitraum von Tagen bis Jahren vielfach durchläuft. Die Erfindung kann angewendet werden durch Messung einer Grenze für die Alterung der trägen Masse oder Elementarladung im Laufe der Zeit.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gemäß dem Newtonschen Gravitationsgesetz beträgt die anziehende Gravitationskraft F_g zwischen zwei Körpern mit den Massen m₁ und m₂ und dem Abstand r:
wobei G die Gravitationskonstante (6,67 × 10^–11 m³ s^–2 kg^–1) ist. Die Ursache der Gravitationskraft ist die schwere Masse. Albert Einstein hypothetisierte, daß diese schwere Masse äquivalent zur trägen Masse m_t ist, also der Masse, die der Beschleunigung a_t einen Widerstand F_t entgegensetzt: Ft = mt at (2)
Diese Hypothese beruhte u. a. auf der Überlegung, daß ein Experimentator in einem Fahrstuhl allein durch Messung der auf ihn wirkenden Kraft nicht feststellen kann, ob der Fahrstuhl auf einem anziehenden Planeten steht oder weit entfernt von anziehenden Massen im Raum beschleunigt wird. Daher ist es unsinnig, einen Unterschied zwischen träger und schwerer Masse zu konstruieren. Diese Äquivalenz von träger und schwerer Masse wurde bereits zuvor durch Sessel und ab 1890 mit sehr hoher Genauigkeit durch Eötvös experimentell demonstriert. Diese Überlegung führte Einstein zur Bewegungsgleichung (3):
wobei die verschiedenen x die Koordinaten der vierdimensionalen Raumzeit, r der Abstand in der Raumzeit und die Γ das Gravitationsfeld beschreiben. Diese Bewegungsgleichung führte Einstein zur allgemeinen Relativitätstheorie, dessen Kernpunkt die Einsteinschen Feldgleichungen sind: Rab – 12 Rgab = κTab – Λgab (4),wobei R^ab der Ricci-Tensor, R der Krümmungsskalar, g^ab der metrische Tensor, κ die Kopplungskonstante, T^ab der Energie-Impuls-Tensor sind. κ läßt sich durch Vergleich mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz näherungsweise bestimmen zu
wobei c die Lichtgeschwindigkeit (ca. 2,9979 × 10⁸ m s^–1) ist.
Die linke Seite in Gl. (4) beschreibt die Krümmung der Raumzeit und die rechte Seite die Materie im Universum, die diese Krümmung verursacht (z. B. Massendichte und Druck). Λ ist die kosmologische Konstante, die von Einstein rein empirisch eingeführt wurde in der irrtümlichen Annahme eines statischen Universums, jedoch später verworfen wurde. Neuerdings wird ein Λ jedoch oft wieder für sinnvoll gehalten, um die Feldgleichungen mit den Beobachtungen über die Entwicklung des Universums in bessere Übereinstimmung zu bringen: Experimente zeigen, daß das Universum nicht nur expandiert (beschrieben durch die Hubble-Konstante), sondern daß die Expansionsgeschwindigkeit im Laufe der Zeit zunimmt, d. h. es gibt anscheinend eine Beschleunigung der Expansion des Universums. Diese Beobachtung der beschleunigten Expansion könnte mit einem relativ großen Λ mit den Einsteinschen Feldgleichungen vereinbar sein, wie z. B. eine Betrachtung der zweiten Friedmann-Gleichung (Friedmannsche Beschleunigungsgleichung) zeigt:
wobei a der Skalierungsfaktor des Universums, ρ die Dichte des Universums, p der Druck des Universums sind und die zwei Punkte über a die zweite Ableitung nach der Zeit t bedeuten. Diese Friedmann-Gleichung ergibt sich aus Gl. (4) bei Annahme eines homogenen isotropen Universums mit perfekten Flüssigkeitseigenschaften. Zum besseren Verständnis von Gl. (6) sei hier auch die erste Friedmann-Gleichung erwähnt, die die Expansionsgeschwindigkeit des Universums (üblicherweise durch die Hubble-Konstante H beschrieben) näherungsweise angibt:
wobei K = 1, 0, –1 je nachdem, ob die Form des Universums hyperspherisch, flach oder hyperbolisch ist. Diese Gleichung (7) ergibt sich ebenfalls aus Gl. 4 bei Annahme eines homogenen isotropen Universums mit perfekten Flüssigkeitseigenschaften.
Man sieht in Gl. (6), daß ein Λ geeigneter Größe die beobachtete Beschleunigung der Expansion des Universums erklären könnte. Es wurde daher vermutet, daß ein Λ ungleich 0 durch eine Vakuumenergie entstehen könnte. Beispielsweise könnte bei zur Expansion des Universums Energie erforderlich sein, da ständig neuer Raum kreiert wird. Auch ist denkbar, daß das Vakuum sich nicht im Zustand kleinster Energie befindet. Genauere Betrachtungen dieser Mechanismen konnten jedoch bisher keine quantitative Übereinstimmung mit einem Λ, welches mit astronomischen Beobachtungen konsistent ist, bringen. Der physikalische Ursprung eines Λ von passender Größe wäre also weiterhin unklar, ja mehr noch, wie der nächste Abschnitt zeigt, ist es nicht sicher, ob es überhaupt ein nicht-verschwindendes Λ gibt.
Die Beobachtung der beschleunigten Expansion des Universums läßt sich mit der Friedmannschen Beschleunigungsgleichung (6) vereinbaren, wenn man einen relativ stark negativen Druck p postuliert. Da bekannte Materie keinen negativen Druck verursachen kann, gehen inzwischen sehr viele Kosmologen von der Existenz einer noch unbekannten Form von Materie aus, der sogenannten „schwarzen" Materie oder „schwarzen" Energie. Um Konsistenz mit den astronomischen Beobachtungen zu erreichen, muß man dann annehmen, daß der weit überwiegende Teil des Universums aus dieser schwarzen Materie besteht, die trotz enormer Anstrengungen bisher nicht direkt beobachtet oder schlüssig erklärt werden konnte.
Es gibt möglicherweise eine weitere fundamentale Diskrepanz zwischen den Einsteinschen Feldgleichungen und astronomischen Beobachtungen: die heutige Ausdehnung des Universums läßt sich vermutlich nur schlüssig erklären, wenn man davon ausgeht, daß es früh in der Entwicklung des Universums eine extrem schnelle Expansion, die sogenannte inflationäre Phase der Expansion gab. Sowohl Einsteinsche Feldgleichungen als auch Friedmann-Gleichungen scheinen keine vollständige Erklärung für einen solchen Prozeß zu bieten.
Inzwischen ist die Äquivalenz von schwerer und träger Masse mit mehr als 10 signifikanten Stellen demonstriert [P. G. Roll, R. Krotkov, R. H. Dicke, Annals of Physics, New York, 26, 442, 1964]. Wenn schwere und träge Masse mit so erstaunlich vielen Stellen übereinstimmen, dann kann man vielleicht vermuten, daß die Äquivalenz nicht nur eine Gleichheit im Rahmen einer endlichen Meßgenauigkeit ist, sondern vielleicht eine völlige Identität ist und das es vielleicht die träge Masse überhaupt gar nicht gibt, sondern sie vielmehr ebenfalls eine Form der schweren Masse ist. Die physikalische Eigenschaft der Massenträgheit den Raumeigenschaften zuzuordnen, erscheint partiell wie eine Verschiebung der mathematischen Schwierigkeit ohne eine volle physikalische Erklärung für den Ursprung der trägen Masse zu geben.
Wenn die träge Masse eine Form der schweren Masse ist, dann erhebt sich die Frage, wie diese erzeugt wird. Um das zu erklären, ist es vielleicht hilfreich, die Struktur des Universums zu betrachten: Die gegenwärtig existierenden astronomischen Beobachtungen deuten stark darauf hin, daß über große Entfernungen betrachtet unser Universum homogen und isotrop ist. Die Gravitationskräfte, die in solch einem Universum auf einen Körper wirken, der sich im Hubble-Fluß mitbewegt und dessen Masse nicht allzu groß ist, müssen demzufolge in allen Richtungen etwa gleich groß sein: die anziehenden Kräfte zwischen Körper und Universum sind in allen Richtungen gleich groß und heben sich auf. Das gleich gilt, wenn sich der Körper nicht Hubble-Fluß mitbewegt, sondern geradlinig gleichförmig mit konstanter Geschwindigkeit dazu: die von allen Seiten auftreffende Gravitationswirkung ist etwa gleich groß und der Horizont (d. h. die Grenze der Wechselwirkung) des homogenen isotropen Universums ist aus Sicht eines Beobachters auf dem Körper in allen Richtungen etwa gleich weit entfernt. Zwar sieht ein Beobachter auf dem sich bewegenden Körper nach sehr langer Zeit einen deutlich anderes Universum, als ein zurückgebliebener Beobachter, aber die Isotropie bezüglich des Abstands zum Horizont des Universums wird nicht notwendigerweise aufgehoben und damit auch keine Netto-Anziehung zwischen Körper und dem restlichen Universum erzeugt. Wenn dieser Körper jedoch beschleunigt wird, dann trifft die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitende Gravitationswirkung in Fahrtrichtung früher auf, als die in Gegenrichtung. Der Körper verkürzt in Fahrtrichtung den Abstand zum Horizont des Universums und verlängert den Abstand zum Horizont in Gegenrichtung wodurch er in die Gegenrichtung zurückgezogen wird. Die Isotropie der Anziehung zwischen Körper und Universum wird also gestört, wenn der Körper sich beschleunigt bewegt. Es ergibt sich dann zwischen dem mit d²x/dt² beschleunigten nicht allzu schweren Körper mit der Masse m₁ und dem restlichen Universum mit der Masse m_u in grober Näherung die Kraft F
wobei r_um der gewichtet gemittelte Massenabstand (etwa der halbe Radius des wechselwirkenden Universums) ist und k_r eine Konstante ist, die die Raumgeometrie beschreibt. Diese Kraft F könnte auf das, was wir als Trägheitskraft spüren, einen Einfluß haben und so könnte Gl. (8) den Effekt der trägen Masse beeinflussen.
Damit ergibt sich ein interessanter Effekt: Die Massenträgheit eines Körpers, die möglicherweise durch die Anziehung zwischen Körper und Universum beeinflußt wird, hängt möglicherweise von der Masse des wechselwirkenden Universums ab. Dabei ist zu beachten, daß dabei die Masse des nicht-wechselwirkenden Universums keine Rolle spielt: Teile des Universums, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit vom betrachteten ("trägen") Körper wegbewegen, können keine Rolle für dessen Massenträgheit spielen.
Wenn das Universum rapide expandiert, so wie es die Messungen nahelegen, dann nimmt jedoch im Laufe der Zeit die Materie und somit auch die Masse des wechselwirkenden Universums (wechselwirkendes Universum definiert als die Materie, die mit dem Beobachter wechselwirkt) ab und damit möglicherweise auch die Massenträgheit. Das würde dann für den betrachteten beliebigen Körper und somit auch für jeden Körper im Universum gelten. Der äußere Rand des wechselwirkenden Universums ist durch die Entfernung gegeben, in der die Fluchtgeschwindigkeit vom Beobachter (Testkörper) die Lichtgeschwindigkeit erreicht. Es verschwindet also wahrscheinlich ständig mit Lichtgeschwindigkeit an diesem Rand Masse aus dem wechselwirkenden Universum des Beobachters. Ein Teil dieses Randes des wechselwirkenden Universums sind wahrscheinlich schwarze Löcher, wo die gravitative Wirkung von in das Loch einfallender Materie möglicherweise vom Rest des wechselwirkenden Universums entkoppeln kann (und somit die schwarzen Löcher womöglich im Laufe der Zeit masseärmer werden aus Sicht eines äußeren Betrachters). Auch dieser mutmaßliche Masseschwund des wechselwirkenden Universums durch schwarze Löchern könnte zur beschleunigten Expansion des wechselwirkenden Universums beitragen (indirekt über einen Effekt auf die Masseträgheit und direkt über eine Verschiebung des Verhältnisses zwischen Photonendruck und Gravitation).
In einem homogenen wechselwirkenden Universum mit dem Radius r_u ohne Berücksichtigung eines Effekts von schwarzen Löchern ist der relative Massenverlust pro Zeiteinheit t abhängig vom Radius des wechselwirkenden Universums und beträgt in grober Näherung:
Dementsprechend gilt für die zeitliche Änderung der Massenträgheit, beschrieben durch die Trägheitskraft F_t:
Die Einsteinschen Feldgleichungen ergeben sich in Näherung über einen nicht allzu langen Zeitraum zu: Rab – 12 Rgab = κTab – Λgab – λtgab/ru (12),wobei λ_t der hier eingeführte Massenträgheitsparameter ist, der die Änderung der Massenträgheit über einen nicht allzu langen Zeitraum beschreibt und r_u ist der Radius des wechselwirkenden Universums.
Man sieht in Gl. 12, daß der Einfluß der Abnahme der Massenträgheit eines Testkörpers durch Entweichen von Materie aus dem mit dem Testkörper wechselwirkenden Universum in der Frühphase des wechselwirkenden Universums, wo dessen Radius gering ist, besonders hoch ist. Gl. 12 kann also qualitativ (a) eine inflationäre Expansion in der Frühphase und (b) eine beschleunigte Expansion in der späteren Phase bereits ohne Berücksichtigung eine Effekts einer dunklen Energie oder dunklen Materie beschreiben.
Das wird noch deutlicher, wenn man diese Überlegungen auf die Friedmannsche Beschleunigungsgleichung anwendet, die sich in grober Näherung ergibt zu:
Man sieht, daß das wechselwirkende Universum in der frühen Phase wenn sein Radius r_u sehr klein ist, rasend schnell expandiert, jedoch mit zunehmendem Radius die Beschleunigung der Expansion abnimmt.
Die Größenordnung der gegenwärtigen Abnahme der relativen Massenträgheit im Laufe eines Jahres (Δt = 1 Jahr) läßt sich aus Gl. 11 grob abschätzen:
Diese Änderung der Massenträgheit wäre erstaunlich groß. Jedoch enthält diese Ableitung in mehreren Schritten sehr grobe Näherungen und eine Reihe von sehr unpräzise bekannten Parametern (z. B. kennen wir nicht allzu genau die Größe des Universums). Der tatsächliche Effekt (sofern existent) könnte durchaus einige Größenordnungen geringer sein. Es wäre interessant, mittels hochpräziser und zeitstabiler Instrumentation solch einen Effekt der Masse des Universums auf die Trägheit eines Testkörpers aufzuspüren.
Der Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, daß sich die erste Friedmann-Gleichung in grober Näherung ergibt zu:
wobei auch hier r_u der Radius des wechselwirkenden Universums und λ_t der Massenträgheitsparameter sind. Man sieht, daß bei einem expandierenden, annähernd flachen Universum (K ~ 0) und relativ großen λ_t die Hubble-Konstante H im Laufe der Zeit trotz abnehmender Dichte zunehmen kann.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Methode zur zeitstabilen, ultrapräzisen Messung von Massenänderungen von weniger als 10^–10/Jahr ohne Verwendung einer Eichung mittels einer (sich mit ändernden) Referenzmasse. Dadurch könnte möglicherweise ein Effekt einer Massenabnahme des Universums auf die Massenträgheit genau gemessen werden oder könnten möglicherweise andere Grenzen der physikalischen Theorien und dadurch neue physikalische, technologisch bedeutsame Effekte entdeckt werden.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Herkömmliche Massenspektrometer (z. B. Fouriertransform-Massenspektrometer) erreichen relative Reproduzierbarkeiten in der Massenmessung (Δm/m) von 10^–6 oder besser über einen längeren Zeitraum gewöhnlich nur nach Eichung mittels Eichsubstanzen bekannter Molekulargewichte und verfehlen damit das Ziel der Erfindung.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß erfolgt die referenzmasseneichungsunabhängige, zeitstabile, ultrapräzise Messung von Massendifferenzen von Elektronen oder Ionen mittels eines speziellen Massenspektrometers, das gekennzeichnet ist dadurch daß (a) die Beschleunigung der Elektronen oder Ionen mittels einer Beschleunigungsspannung erfolgt, die unter Verwendung eines Einzelelektronenzählers erzeugt oder geeicht wird, (b) die Ablenkung der Elektronen oder Ionen in einem elektrischen Feld erfolgt, welches durch Elektroden erzeugt wird, deren ultrapräzise Spannung unter Verwendung eines Einzelelektronenzählers erzeugt oder geeicht wird, (c) der Elektronenstrahl vor seiner Detektion zyklisch das Spektrometer über einen Zeitraum von Tagen bis Jahren vielfach durchläuft.
In diesem, vom üblichen Design eines Massenspektrometers erheblich abweichenden Aufbau heben sich verschiedene Effekte so auf, daß besonders sensitiv eine Abweichung des Meßergebnisses von dem aus bekannten Theorien erwarteten Ergebnis detektiert werden kann.
Die Erfindung kann Anwendung finden z. B. zur Messung einer Grenze für eine mutmaßliche Änderung der trägen Masse von Materie im Laufe der Zeit (sei es durch einen eventuellen Einfluß durch die Wechselwirkung mit dem Universum oder eventuelle andere, bisher unbekannte Gründe) und zur Messung einer Grenze für eine mutmaßliche Alterung der Größe der Elementarladung (diese Hypothesen beruhen auf dem universellen Postulat der Physik – siehe z. B. die Offenlegungsschrift DE 10 2006 006 896 A1 ). Es ist davon auszugehen, daß unsere heutigen Theorien zur trägen Masse und Ladungserhaltung an einem bestimmten Punkt zusammenbrechen. Sowohl die weitere Hinausschiebung des bekannten Gültigkeitsbereiches der Theorien wie auch die Entdeckung einer Grenze der Gültigkeit sollten erheblich zum weiteren Erkenntnisgewinn beitragen.
Ausführungsbeispiel
Beispiel gemäß 1, welche eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels des ultrapräzisen Massenspektrometers zeigt (nicht maßstabsgetreu). Die Elektronenkanone (10) erzeugt den gut fokussierten, sehr schwachen Elektronenstrahl (11), der von den Elektroden (12) auf eine Kreisbahn abgelenkt wird. Die Position des Elektronenstahls wird in bestimmten Zeitabschnitten von Tagen, Monaten oder Jahren gemessen. Die Spannung an den Ablenkelektroden (12) wird mit Hilfe von Einzelelektronenzählern (15) eingestellt. Diese können z. B. Quantendots verwenden und eine ultrapräzise Referenzspannung erzeugen oder sogar direkt zum Aufladen der zuvor kurzgeschlossenen Elektroden dienen. Auch die Spannung der Elektronenkanone (10) wird unter Zuhilfenahme von Einzelelektronenzählern präzise eingestellt. Elektronenkanone (10), Elektronenstrahl (11), Ablenkelektroden (12) und Detektor (14) befinden sich auf einer sehr stabilen Unterlage im Vakuum (nicht gezeigt). Das Spektrometer ist in einem thermisch hochstabilisierten, elektromagnetisch mehrfach abgeschirmten Gehäuse untergebracht (nicht gezeigt). Spannungsfluktuationen durch thermisches Rauschen können durch Kühlung erheblich reduziert werden. Eine elektromagnetische Abschirmung besteht z. B. aus mehreren Abschirmschalen, die in verschiedenen Abständen um die gesamte Meßelektronik gelegen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006006896 A1 [0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- P. G. Roll, R. Krotkov, R. H. Dicke, Annals of Physics, New York, 26, 442, 1964 [0007]

Claims

Geräte und Verfahren zur ultrapräzisen Massenspektrometrie, dadurch gekennzeichnet, daß – Elektronen oder Ionen in einem elektrischen Feld beschleunigt werden, dessen Stärke mittels eines Einzelelektronenzählers justiert wurde, – Elektronen oder Ionen in einem elektrischen Feld abgelenkt werden, dessen Stärke mittels eines Einzelelektronenzählers justiert wurde, – die Elektronen sich mindestens mehrere Tage im Spektrometer auf zyklischen Bahnen bewegen und die Veränderung ihrer Bahn im Laufe der Zeit detektiert wird.
Geräte und Verfahren zur ultrapräzisen Massenspektrometrie, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – das die Baugruppen zur Beschleunigung und Ablenkung der Elektronen und der Kristall auf eine Grundplatte mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von unter 10^–7/K montiert wurden, die während der Messung auf besser als 10 mK temperaturstabilisiert ist, – das die Baugruppen zur Beschleunigung und Ablenkung der Elektronen, der Kristall und der Detektor gemeinsam in mindestens zwei Schalen elektromagnetisch abgeschirmt sind mit einer Gesamtabschirmung von mehr als 100 dB.