Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

6.3. Kompensation der Mikrobewegung 61
einen Ionenkristall und versucht ihn anschlieend zu beschleunigen. Dabei ist die Frage, ob der
Kristall schmilzt oder nicht. Inzwischen wurden dort erste kristallisierte Strahlen beobachtet
[173]. Die Stabilitt von Ionenkristallen ist generell eine interessante Frage. Theoretisch sollten
die Kristalle, nachdem sie gebildet wurden, auch ohne Khlung stabil sein. In der Praxis ist ihre
Lebensdauer aber auf einige Sekunden bis Minuten beschrnkt, wobei die Kristalle meistens
durch Ste mit Restgasatomen schmelzen. Demnach ist ihre Lebensdauer vor allem durch das
Vakuum bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Untersuchungen darauf beschrnkt
zu berprfen, ob ein Kristall ohne Khlung so lange berlebt, wie man fr die Messung der atomaren
Lebensdauer des metastabilen Zustands braucht. Da eine solche Messung nur etwa zehn
Sekunden bentigt, sind die Anforderung an die Stabilitt aber vergleichsweise gering (Details im
Kapitel Lebensdauer).
6.3 Kompensation der Mikrobewegung
Wie in Kapitel 3 gezeigt wurde, kann man die Lsung der Bewegungsgleichung im Rahmen der
adiabatischen Nherung gem Gleichung 3.12 darstellen. Die Makrobewegung kann lasergekhlt
werden. Da es sich bei der Mikrobewegung um eine getriebene Bewegung handelt, kann man
diese nicht khlen. Die Strke der Mikrobewegung wchst mit der elektrischen Feldstrke, d.h. mit
dem Abstand zur Achse der linearen Falle. Fr Ionen, die exakt auf der Achse im Minimum des
Wechselfeldes der linearen Falle gespeichert werden, verschwindet die Mikrobewegung. Man
kann aber auch in einer linearen Falle nur Ionenzahlen bis zu ca. 30 (fr unsere Falle) als lineare
Kette speichern. Allerdings knnen in der Praxis selbst in diesem Fall weitere Strungen vorliegen,
so da die Ionen trotzdem der Mikrobewegung ausgesetzt sind. Durch statische Strpotentiale
kann es zu permanenten Auslenkungen der Ionen aus dem Minimum auf der Achse kommen.
Als Ursache solcher Strungen kommen z.B. Kontaktpotentiale in Frage, die sich bilden knnen,
wenn die Elektroden bei der Ionenerzeugung mit Calcium bedampft werden. Die typische Grenordnung
solcher Potentiale liegt im Bereich einiger 100mV bis zu einigen Volt. Problematisch
ist besonders, wenn sich Oxidschichten auf den Elektroden ausbilden. Das wre mglich, wenn
die Elektroden beim ffnen der Apparatur nicht sorgfltig gereinigt wrden oder wenn whrend des
Ausheizens Sauerstoff in die Apparatur eintritt. Zur Vermeidung solcher Strpotentiale kann man
die Elektroden z.B. mit einem edlen Metall wie Gold beschichten (auch Aquadag, eine UHVtaugliche,
kolloidale Suspension von Graphit in Wasser, wird eingesetzt). Ein weiteres Problem
ist meist nicht vermeidbar: Es kommt zu Phasendifferenzen zwischen den Spannungen, die
an den Elektroden des Quadrupols fr das Fhrungsfeld angelegt werden. Normalerweise sollten
gegenberliegende Stbe auf gleichem Potential liegen, allerdings kann es wegen der unterschiedlichen
Kapazitten der Anschludrhte zu Phasenverschiebungen kommen. Auch diese resultieren
in einer verbleibenden Mikrobewegung. Sie knnen aber durch zustzliche Trimmkondensatoren
in den Zuleitungen eliminiert werden. Auch Isolatoren, die sich in der Nhe der Falle befinden,
knnen Strungen verursachen, wenn sie sich durch berschssige Elektronen aufladen. Daher
mu man versuchen solche mglichst gut abzuschirmen. In jedem Fall besteht die Notwendigkeit
zur Kompensation der verbleibenden Mikrobewegung. Das ist vor allem deshalb wichtig, weil
sie einen unerwnschten Heizeffekt darstellt, der das Laserkhlen erschwert. Bei unserer Geometrie,
d.h. bei fast axialem Laserstrahl und Detektion der Ionen senkrecht dazu gibt es einen
sichtbaren Effekt. Auf dem Kamerabild beobachtet man bei schlecht kompensierter Mikrobewegung
die Ionen als Striche anstatt Punkte, da ihre Bewegung whrend der Integrationszeit der
Kamera gemittelt wird. In der Przisionsspektroskopie wirkt sich die Mikrobewegung ber den
Dopplereffekt 2. Ordnung negativ auf die erzielbare Genauigkeit aus. Die Kompensation der
Mikrobewegung kann durch statische Zusatzpotentiale bewerkstelligt werden, mit denen man