ionenfallen
Download
Skip this Video
Download Presentation
Ionenfallen

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 36

Ionenfallen - PowerPoint PPT Presentation


  • 64 Views
  • Uploaded on

Ionenfallen. Seminarvortrag von Tina Gottwald 2.5.2005. Inhalt. Prinzip und Motivation Theorie Paulfalle Pennigfalle Techniken Ionennachweis Kühlung Experimente. Warum Ionenfallen?. Lange Speicherzeiten =>seltene oder Prozesse auf langer Zeitskala können beobachtet werden

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Ionenfallen' - rae-mccarty


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
ionenfallen

Ionenfallen

Seminarvortrag von Tina Gottwald

2.5.2005

inhalt
Inhalt
  • Prinzip und Motivation
  • Theorie
    • Paulfalle
    • Pennigfalle
  • Techniken
    • Ionennachweis
    • Kühlung
  • Experimente
warum ionenfallen
Warum Ionenfallen?
  • Lange Speicherzeiten =>seltene oder Prozesse auf langer Zeitskala können beobachtet werden
  • Lange Kohärenzzeit, Zeit die System ungestört ist => Geht ein in Unschärferelation
  • Empfindlichkeit: Sogar einzelne Ionen (z.B. Anregung durch Laser) können nachgewiesen werden
  • Möglichkeit der Manipulation der Ionen : Kühlung, Ladungsbrüten
  • Effiziente, empfindliche und genaue Methode
prinzip
Prinzip
  • Radiale Kraft: Elektrische und Magnetische Felder, Licht
  • Bei : Harmonischer Oszillator, 2 oder 3 unabhängige Eigenfrequenzen
  • Wichtig: Kühlen der gespeicherten Ionen, Einschränkung der Amplitude
prinzip einer ionenfalle
Prinzip einer Ionenfalle
  • Man braucht: Potentialminimum in allen drei Raumrichtungen
  • Einfachste Möglichkeit: Elast. Kraft
  • => Potential:
  • Laplace Glg. (keine Ladung)
  • Problem: Allein mit einem elektrostatischen Potential ist (Vorzeichen!) keine Speicherung in allen Raumrichtungen möglich.
l sungen
Lösungen …
  • Paulfalle: Zeitlich veränderliche Spannung zwischen Ring und Endkappe
  • Penningfalle: Superposition von konstanter Spannung und B-Feld in z-Richtung
paulfalle

U0+V0 cos(Ωt)

Paulfalle
  • Potential:
  • Bewegungsgleichungen:
  • Diese sind Spezialfälle der Mathieu- DGL

H.G. Bennewitz u. W. Paul Z. Phys. 139 (1954) 489

mathieu dgl
Mathieu-DGL

Mit:

  • Lösungen werden durch charakteristischen Exponenten βu gekennzeichnet:
  • Imaginär: Lsg. nicht beschränkt, instabil
  • reell, ganzzahlig: Lsg. periodisch, aber nicht beschränkt
  • reell, nicht ganzzahlig: Lsg. periodisch und stabil, Ion wird gespeichert.
adiabatische n herung
Adiabatische Näherung
  • Der Zusammenhang zwischen a und q ist exakt durch eine Kettenbruchgleichung gegeben...
  • Für klein adiabat. Näherung
stabilit tsdiagramm
Stabilitätsdiagramm
  • Verwende a und q (oder U und V) als karth. Koordinaten und trage a=aß(q) fürganzzahliges β auf.
bewegung des ions
Bewegung des Ions
  • Näherung: Mittelung des Potentials für eine Periode ergibt ein statisches ‚Pseudopotential‘, aus dem die Bewegungsgl. abgeleitet werden können.
  • Mikro-und Makrobewegung: Näherungslösung für Ionenbewegung in der Falle ergibt:
  • Mikrobewegung: Schnelle Bewegung mit der Führungsfeldfrequenz, kleine Amplitude
  • Makrobewegung: Langsame (ß klein) Bewegung mit großer Amplitude
bewegung des ions1
Bewegung des Ions
  • Bewegung eines stabilen Ions in der Falle: Mikro- und Makrobewegung
  • Lissajous- ähnliche Trajektorie
penningfalle
Penningfalle
  • Speicherung durch Überlagerung von elektr. Quadrupolpotential und B-Feld in z-Richtung, im B-Feld bewegt sich das Ion mit der Zyklotronfrequenz um die Feldlinien
  • Zusätzlich: schwaches, statisches Quadrupolpotential
  • Fallenparameter:
bewegungsgleichungen
Bewegungsgleichungen

..

..

  • Lösung ergibt Überlagerung drei unabhängiger Schwingungen mit den Eigenfrequenzen:

mz = qEz

mr = q(Er + r×B)

bewegung des ions2
Bewegung des Ions
  • Magnetronbewegung (v-) q=e, B=6T, m=100u
  • Modifizierte Zyklotron Bewegung (v+) v+=MHz, v-=kHz
  • Axiale Bewegung (vz)
ionennachweis
Ionennachweis
  • Zwei Möglichkeiten: destruktiver und nicht destruktiver Nachweis
  • Beispiele:
    • Flugzeitmethode (TOF-ICR)
    • Fouriertransformation-Ionenzyklotronresonanz (FT-ICR)
    • Fluoreszenz-Nachweis
bestimmung der frequenzen
Bestimmung der Frequenzen
  • Externe Anregung durch Dipolfeld: Jede der 3 Eigenfrequenzen kann einzeln angeregt werden
  • Quadrupol: Summen d. Eigenfrequenzen (insbesondere ) können angeregt werden.
  • Diese Anregung koppelt die radialen Bewegungen (v+ und v-) (ähnlich wie 2-Niveau System, Rabi-Oszillationen)
flugzeitnachweis
Flugzeitnachweis
  • Destruktiver Ionennachweis in der Penningfalle
flugzeitnachweis1
Flugzeitnachweis
  • 1. Resonante Anregung der Magnetronbewegung mit Dipolfeld (Vergrößerung der Bewegungsradien, unerwünschte Ionen massenselektiv entfernen)
  • 2. Resonante Anregung von mit Hilfe eines Quadrupolfeldes (Kopplung der Bewegungen, sie werden ineinander umgewandelt)
flugzeitnachweis2
Flugzeitnachweis

..

  • Die Radialenergie ist näherungsweise proportional zur Quadrat der Umlauffrequenz in der Falle => Kopplung (v+>>v-) führt zu Anwachsen der radialen kin. Energie =>Erhöhung des magnetischen Moments der Zyklotronbewegung
  • 3. Inhomogener B- Feld Bereich oberhalb der Falle beschleunigt die Ionen in Richtung Detektor, wenn das Potential der oberen Fallenendkappe erniedrigt wird.

F = -μ (div B)=

warum k hlen
Warum kühlen?
  • Doppler- Effekt ausschalten
  • q/m Trennung
  • Kleine Amplituden
  • Verbesserung der Intensität
  • Verringerung der Einflüsse durch Feldinhomogenitäten
  • Leichterer Ionenstrahltransport da kleine Emittanz
k hlen
Kühlen
  • Kühlung: Erhöhung der Phasenraumdichte, Reduzierung der räumlichen Ausdehnung und Winkeldivergenz der Ionen
  • Satz von Lioville: Emmitanz bleibt konstant, falls nur konservative Kräfte wirken
  • Lösung zum „Umgehen“: Äußere Wechselwirkung, z.B. durch Licht, Elektronen, Puffergas … (Dissipative Kräfte)
methoden
Methoden

Puffergaskühlen

  • Puffergaskühlen
  • Widerstandskühlen
  • Elektronenkühlen
  • Laserkühlen
  • Verdampfungskühlen

Widerstandskühlen

Verdampfungskühlen

experimente mit ionenfallen
Experimente mit Ionenfallen
  • Untersuchung von Antimaterie
  • g-Faktor (z.B. Proton, hochgeladene Ionen) δm/m=10-9
    • Test der QED
  • Präzisionsmassenmessung
    • Radionuklide δm/m=10-8
      • Kernstruktur
      • Astrophysik
    • Stabile Ionen δm/m=10-10
      • Neudefinition kg
      • Fundamentale Konstanten
  • Laserspektroskopie δm/m=10-9-10-10
    • Lebensdauermessung
    • Isotopieverschiebung, Hyperfeinstruktur
isoltrap
ISOLTRAP
  • Ziel: hochpräzise Massen-messung von kurzlebigen Nukliden
ionenerzeugung seltene und radionuklide
Ionenerzeugung – Seltene und Radionuklide
  • Prinzip: Erzeugung von Radionukliden durch Kernreaktion, anschließend Ionenstrahl präparieren, Massen trennen, abbremsen..
  • Kernreaktionen werden induziert durch Beschuss eines Targets mit hochenergetischen Protonen oder schweren Ionen
vorgehensweise
Vorgehensweise
  • Nach Vorbereitung werden die Ionen in der Präzisions- Penningfalle gespeichert
  • Die Zyklotronfrequenz wird mit Hilfe der Flugzeitmethode bestimmt
  • Auflösungsvermögen:
  • Typische Werte: νc=1Mhz T=1s =>R=106=m/Δm
  • Das Magnetfeld wird mit einem Referenz-Ion kalibriert: Aus Verhältnis der Zyklotronfrequenzen und Referenzmasse erhält man unbekannte Masse
c cluster als referenzmassen
C-Cluster als Referenzmassen

Vorteile:

  • Unsicherheiten werden mittels Definition reduziert (12C als Grundlage von u)
  • Referenzmassen über die gesamte Nuklidkarte, maximaler Abstand 6u
  • Systematische Unsicherheiten können so reduziert werden
  • Bestimmung der Genauigkeitsgrenze möglich
ergebnisse
Ergebnisse

R=m/Δm

A. Kellerbauer et al., Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 072502

ergebnisse1
Ergebnisse

T1/2=65ms

A. Kellerbauer et al., Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 072502

isomerentrennung
Isomerentrennung
  • Einstein 1905: E=mc2
  • Angeregte Kernzustände lassen sich durch ihre zusätzliche Masse vom Grundzustand unterscheiden
  • Beispiel: 68Cu

K. Blaum et al. Europhys. Lett. 67, 585 (2004)

ergebnisse isomerentrennung
Ergebnisse Isomerentrennung
  • Die Auflösung (Δm/m=5 10-6) erlaubt es, angeregte Kernzustände zu ‚wiegen‘
  • Isolation eines Zustandes: Massenselektives Herauswerfen von Massen

K. Blaum et al. Europhys. Lett. 67, 585 (2004)

zusammenfassung
Zusammenfassung
  • Ionenfallen bringen:
    • Genauigkeit
    • Empfindlichkeit
    • Effizienz
  • Und erlauben Präzisionsexperimente
    • ATRAP+ ATHENA
    • ISOLTRAP
    • HITRAP
    • SMILETRAP
    • LEBIT