Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD
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Kapitel 3<br />
Die <strong>Paulfalle</strong><br />
Bei e<strong>in</strong>er Vielzahl von Anwendungen <strong>in</strong> der Atomphysik wie z.B. bei spektroskopischen Untersuchungen<br />
oder auch <strong>in</strong> der Chemie bentigt man e<strong>in</strong>en Vorratsbehlter, <strong>in</strong> dem man die zu<br />
untersuchenden Teilchen unter optimalen Bed<strong>in</strong>gungen aufbewahren kann. Aus Sicht des Spektroskopikers<br />
s<strong>in</strong>d optimale Bed<strong>in</strong>gungen dadurch ausgezeichnet, da die Teilchen <strong>in</strong> Ruhe und<br />
fr beliebig lange Zeiten <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er wohldef<strong>in</strong>ierten Umgebung fr Messungen zur Verfgung stehen.<br />
Es sollte beispielsweise ke<strong>in</strong>e Wechselwirkung der Teilchen mit Restgasatomen oder mit den<br />
Wnden des Behlters geben und uere elektromagnetische Felder sollten verschw<strong>in</strong>den bzw. kontrollierbar<br />
se<strong>in</strong>. E<strong>in</strong>e <strong>Paulfalle</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Ultrahochvakuum-Kammer stellt e<strong>in</strong>en solchen Behlter<br />
fr geladene Teilchen dar. Durch die Komb<strong>in</strong>ation der Speichertechnik mit den Methoden des<br />
Laserkhlens kann man damit sogar e<strong>in</strong>zelne <strong>Ionen</strong> <strong>in</strong> Ruhe prparieren. Die Speicherung geladener<br />
Teilchen mit elektromagnetischen Feldern <strong>in</strong> Paul- und Penn<strong>in</strong>gfallen ist mittlerweile<br />
e<strong>in</strong>e Standardtechnik, die e<strong>in</strong>e groe Bedeutung fr Przisionsmessungen hat. Dabei kommt die<br />
<strong>Paulfalle</strong> vor allem <strong>in</strong> der Laserspektroskopie, <strong>in</strong> der Chemie und <strong>in</strong> der Massenspektrometrie<br />
zum E<strong>in</strong>satz. E<strong>in</strong>e der wichtigsten Anwendungen der Penn<strong>in</strong>gfalle ist die Hochprzisions-<br />
Massenspektrometrie, bei der man Massenverhltnisse mit Genauigkeiten um 10 −10 [65] bestimmen<br />
kann. Darber h<strong>in</strong>aus ist natrlich die genaue Bestimmung von g-Faktoren zu nennen. Durch<br />
das bahnbrechende g − 2-Experiment von Dehmelt an e<strong>in</strong>em e<strong>in</strong>zelnen Elektron wurden e<strong>in</strong>drucksvoll<br />
die Mglichkeiten der Speichertechnik demonstriert. Die groe Bedeutung der Fallen<br />
wurde 1989 durch den Nobelpreis fr Wolfgang Paul und Hans Dehmelt gewrdigt. Die <strong>Paulfalle</strong><br />
basiert auf dem Massenfilter [150] und wurde von Paul Ende der 1950er Jahre entwickelt. In<br />
vielen Arbeiten [149, 151, 86] aus den letzten 40 Jahren wurde sie bereits ausfhrlich diskutiert.<br />
Deshalb werden <strong>in</strong> diesem Kapitel nur die wesentlichen Grundlagen der Speicherung fr die hier<br />
verwendete l<strong>in</strong>eare <strong>Paulfalle</strong> zusammengefat. Dabei sollen die Eigenschaften im Vordergrund<br />
stehen, die direkte Auswirkungen auf die durchgefhrten Experimente haben. Die Bewegung der<br />
Teilchen <strong>in</strong> der Falle ist z.B. fr das Laserkhlen relevant. Die Speicherpotentiale bestimmen die<br />
Struktur von <strong>Ionen</strong>kristallen.<br />
3.1 Die Grundlagen e<strong>in</strong>er idealen, l<strong>in</strong>earen <strong>Paulfalle</strong><br />
Um e<strong>in</strong> Teilchen zu speichern, braucht man e<strong>in</strong>e auf e<strong>in</strong> Zentrum gerichtete rcktreibende Kraft<br />
<strong>in</strong> allen Raumrichtungen. Hierbei ist unter dem Begriff Speicherung die Beschrnkung der Teilchenbewegung<br />
auf e<strong>in</strong> begrenztes Volumen fr beliebige Zeiten zu verstehen. Die Kraft sollte<br />
l<strong>in</strong>ear mit dem Abstand vom Zentrum ansteigen, d.h. man braucht e<strong>in</strong> harmonisches Speicherpotential,<br />
damit die resultierenden Bewegungsfrequenzen unabhngig von der Auslenkung des<br />
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