The electronic and experimental setup of the MAIUS-2 and MAIUS-3 sounding rocket missions

Abstract

Das Finden einer universellen Theorie der physikalischen Grundkräfte stellt einen großen Teil der Anstrengungen der fundamentalen Physik im letzten Jahrzehnt dar. Das Standartmodell der Teilchenphysik scheint mit Einsteins Relativitätstheorie fundamental unvereinbar. Einen möglichen Ansatz, beide Theorien zu vereinigen stellt die String Theorie da. Diese erlaubt allerdings neue kräftewelche zu einer Verletzung derUniversalität des freien Falls führen können. DieUniversalität des freien falls kann beispielsweise mittels lunar Laser ranging oder Torsionswaagen, aber auch mit Atominterferometern getestet werden. Letztere sind unabhängig von Imperfektionen mechanischer Fertigung der getestetenMassen und sie verwenden quantenmechanische Testmassen. Die Sensitivität eines sochen Atominterferometers hängt stark von der freien Entwicklungszeit eines kohärent geteilten atomaren Ensembles ab. Diese wiederumkann vergrößertwerden, indem dieProbezumSchweben gebracht wird, indem man den Testapparat vergrößert oder indem der Test inMikrogravitation durchgeführt wird. Diese Arbeit fokussiert sich auf den letzteren Ansatz und darauf wie man ein Elektroniksystem, welches in der Lage ist einAtominterferometer autonom auf der Höhenforschungsraketenmission MAIUS-2, ohne menschliches eingreifen zu steuern, bauen kann. DieHerausforderungenwelche die experimentelleUmgebung der Höhenforschungsrakete an das Elektroniksystem stellt, werden in dieser Arbeit diskutiert. MiniaturisierteElektronikkomponenten, welche für ein solchesExperiment nötig sind, wie Stromtreiber, Mikrowellen quellenundrauscharmeSpannungsquellen,welche mit Laboraufbauten konkurrieren können, werden im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt. Schlüsselparameter für das Design solcher Komponenten werden, einerseits von den Anforderungen der Höhenforschungsrakte und andererseits denen des Experimentes hergeleitet. Dies stellt immer eine Gradwanderung zwischen Miniaturisierung und der best möglichen Performance desGeräts da, für diese hier ein Leitfaden geschaffen wird. Diese Arbeit baut auf den Erfolgen der MAIUS-1 Mission auf, welche 2017 das erste Rubidium 87 Bose-Einstein-Condensate (BEC) imWeltraum erzeugt hat, und erweitert deren Möglichkeiten um eine zweite atomare Spezies: Kalium. Dabei ändern sichMasse und Größe des Elektroniksystems und des experimentellen Aufbaus nicht wesentlich. Das komplette hierfür entwickelte Elektroniksystem wird in dieser Arbeit vorgestellt. Dabei wird verstärkt ein Augenmerk auf das System zur Mikrowellenevaporation von Rubidium und Kalium gelegt. Ein weiter Fokus wird die Untersuchung der Empfindlichkeit des Experimentes gegenüber Störungen in den Strömen desAtom Chips sein um obere Schranken für die Rauschintensität zukünftiger Komponenten festlegen zu können. Diese Arbeit legt den Grundstein für zukünftige Atominterferometer Experimente imWeltraum, indem ein Anforderungskatalog für miniaturisierte, präzisionsmesstechnische elektronische Systeme, solcher Apparate erstellt wird.