Ionenfallen
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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

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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


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