Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

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