Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

70 Kapitel 7. Die Lebensdauer des 3D 5/2 bergangs in 40 Ca +
Anzahl von Ionen sind die auftretenden Felder im allgemeinen so gering, da sie keinen Einflu
auf die Ergebnisse haben (siehe 7.6). Wegen der niedrigen Drucke, die man mit modernen Pumpen
leicht erreichen kann, spielen Ste mit Restgasatomen als Strfaktor ebenfalls meist nur eine
untergeordnete Rolle (Details siehe 7.6). In diesen Fllen kann man auf zeitaufwendige Messungen
bei verschiedenen Drucken zur spteren Extrapolation auf Druck Null verzichten. Da man
mit einem einzelnen Teilchen arbeiten kann, spielen Wechselwirkungen der Teilchen untereinander
keine Rolle. Der geringe Teilchenbedarf ermglicht darber hinaus auch die Untersuchung
seltener, z.B. instabiler Isotope, die man nur in geringer Anzahl produzieren kann. Dabei ist
das Limit fr die minimal bentigte Anzahl der Teilchen im Wesentlichen durch die Effizienz bei
der Erzeugung bzw. Ionisierung bestimmt. Ein weiterer Vorteil einer Messung mit einzelnen
Ionen liegt in der Mglichkeit der Verwendung eleganter Verfahren wie der Methode der Quantensprnge.
Einige der meistverwendeten Verfahren zur Bestimmung von Lebensdauern werden
im Folgenden beschrieben.
7.2 Methoden zur Bestimmung von Lebensdauern atomarer
Niveaus
7.2.1 Zeitaufgelste Beobachtung der Fluoreszenz beim Zerfall
Eine der einfachsten Methoden zur Bestimmung der Lebensdauer eines atomaren Niveaus besteht
darin, die Besetzung des Niveaus zu verschiedenen Zeiten nach der Prparation zu proben.
Das heit, man beobachtet einfach den Zerfall des entsprechenden Niveaus. Whrend der Prparation
bringt man die Teilchen in das entsprechende Niveau und mit dann zeitaufgelst die Besetzung
als Funktion der Zeit durch (direkte) Beobachtung der Fluoreszenz, die beim Zerfall
entsteht. Diese Methode ist im Prinzip fr beliebige Ionenzahlen geeignet. Die minimale Anzahl
wird durch das Signal-zu-Untergrund-Verhltnis bestimmt. Die Fluoreszenz zeigt dann einen exponentiellen
Abfall und durch Anpassen der entsprechenden Funktion erhlt man den Wert der
Lebensdauer. Allerdings ist eine strungsfreie Umgebung fr eine przise Messung notwendig, so
da sich auch bei diesem Verfahren entsprechende Anforderungen z.B. an das Vakuum ergeben
knnen. Fr metastabile Niveaus ist diese Methode etwas problematisch, da man ja eine geringe
bergangsrate hat. Allerdings kann man fr Ionen mit geeignetem Niveausystem die Shelving-
Technik verwenden. Diese von Dehmelt [59] vorgeschlagene Methode - auch als Prinzip des
Quantenverstkers bezeichnet - hat besonders in Ionenfallen eine breite Anwendung gefunden.
Die Idee bei dieser Technik besteht in der indirekten Beobachtung der Besetzung des metastabilen
Niveaus auf einem starken bergang. Dazu betrachtet man ein Λ-frmiges Niveausystem
wie z.B. bei Ca + , mit dem Grubdzustand |g〉, einem kurzlebigen Zustand |e〉 und einem metastabilen
Niveau |m〉 (Abb.7.1). Der bergang von |g〉 nach |e〉 ist ein elektrischer Dipolbergang,
der bergang von |g〉 nach |m〉 ein elektrischer Quadrupolbergang. Regt man die Ionen auf dem
bergang von |g〉 nach |e〉 an und detektiert die Fluoreszenz auf dem gleichen, starken bergang,
so verschwindet die Fluoreszenz nach kurzer Zeit, da die Atome sich im metastabilen Zustand
ansammeln. Zerfllt dieser nun, so wchst die Fluoreszenz auf dem starken bergang wieder an. Dabei
finden fr einen einzigen bergang aus dem metastabilen Niveau, der mit einer Rate von 1/τ m
stattfindet, τ e /τ m bergnge auf auf dem |g〉 nach |e〉 bergang statt. Da die Lebensdauern sehr
verschieden sind, typischerweise ca. sechs Grenordnungen, erhlt man eine groe ”Verstrkung”.
Man erhlt fr ein Photon auf dem Quadrupolbergang 10 6 Photonen auf dem Dipolbergang. Damit
kann man mit dieser Methode bei gutem Signal-Rausch Verhltnis in kurzer Zeit einen Wert fr
die Lebensdauer erhalten.