Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

7.5. Messung an einem Ion - Der Meablauf 75
an den beobachteten Anstieg erhlt man so die Lebensdauer. Abb. 7.3 zeigt ein Beispiel einer solchen
Messung. Diese wurde mit der Kamera als Nachweissystem durchgefhrt, die hier anstelle
eines Photomultipliers eingesetzt wurde. Allerdings wurde bei dieser Messung die Ortsauflsung
nicht ausgenutzt, sondern die Fluoreszenz ber alle Pixel integriert ausgewertet. Diese Messung
dient als Test des Kamerasystems. Ein Vorteil dieser Memethode ist, da man in kurzer Zeit ein
Resultat erhlt. Es ergibt sich ein Wert von 1067(48)ms. Dieser Wert stimmt sehr gut mit dem
von Gudjons erhaltenen Wert berein. Das Ergebnis wird spter im Zusammenhang mit dem Ergebnis
der Messung an einem Ion ausfhrlicher diskutiert. Das Signal-Rausch-Verhltnis ist ein
limitierender Faktor, weil die Unsicherheit bei der Anpassung an den Anstieg durch Rauschen
grer wird. Auerdem knnen Heizeffekte den Anstieg der Fluoreszenz verndern. ndert sich nmlich
die Temperatur der Ionen, whrend sie im metastabilen Zustand sind, wo sie von den Khllasern
entkoppelt sind, kann die Fluoreszenz aufgrund der zustzlichen Khlzeit langsamer ansteigen als
aufgrund des natrlichen Zerfalls. In unserem Fall wurde durch verschieden langes Blocken der
Khllaser berprft, ob sich die Ionen in der Zeit, die fr die Messung bentigt wird, aufheizen. Ein
solches Aufheizen wurde jedoch nicht beobachtet.
7.5 Messung an einem Ion - Der Meablauf
Um einen przisen Wert fr die Lebensdauer zu erhalten, der mglichst wenig von systematischen
Fehlern beeinflut ist, wird eine Lebensdauermessung nach dem Prinzip der Quantensprnge realisiert.
Man speichert dazu ein einzelnes Ca + -Ion in der linearen Falle unter UHV-Bedingungen
bei einem Restgasdruck von 1 × 10 −10 mbar. Das Restgas kann mit einem Restgasanalysator
(Quadrupolmassenspektrometer - Typ Arga Plus) untersucht werden, der auch erlaubt, die Zusammensetzung
des Restgases zu ermitteln. Die Partialdrucke der wichtigsten Gase wie z.B.
Wasserstoff (H 2 ) oder Stickstoff (N 2 )) knnen somit bestimmt werden. Der Wasserstoffpartialdruck
betrgt typischerweise 5 × 10 −11 mbar und damit stellt H 2 den Hauptanteil des Restgases
dar. Hat man ein einzelnes Ion prpariert, so wird die Verstimmung der Khllaser auf den bergngen
4S 1/2 − 4P 1/2 und 3D 3/2 − 4P 1/2 optimiert. Die Intensitt der Khllaser ist dabei mindestens so
gro wie die Sttigungsintensitt. Sie betrgt typischerweise 1mW fr den UV-Laser und 850µW fr
den IR-Laser. Die Laser werden mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels berlagert und mit einem
kleinen Winkel von ca. 3 zur Achse in die Falle eingekoppelt. Die Mikrobewegung, die
aufgrund von Kontaktpotentialen noch vorhanden sein kann, wird sorgfltig kompensiert. Das
gewhrleistet, da das Ion ber lange Zeit gespeichert bleibt, ohne diesem Streffekt ausgesetzt zu
sein. Auerdem wird das Ion im Minimum des Speicherpotentials bei minimaler Feldstrke prpariert,
so da keinerlei elektrische Felder die Messung beeinflussen knnen. Da zur Kompensation
der Mikrobewegung bei unserer Methode (Kap. 6.3) eine Kette gnstiger ist als ein einzelnes
Ion, startet man die Kompensation noch bevor man die Zahl der Ionen auf eins reduziert hat.
Die Fluoreszenz wird auf dem 4S 1/2 − 4P 1/2 -bergang mit Hilfe einer ICCD-Kamera detektiert,
vor der ein Interferenzfilter fr diesen bergang sitzt. Nachdem die Laserfrequenzen auf beste
Khlung optimiert sind, stellt man per Software die Kamera so ein, da nur noch eine einzige
Zeile wiederholt ausgelesen wird. Diese wird so positioniert, da sie in der Mitte des hellen
Flecks des Ions liegt. Die Beschrnkung der ausgelesenen Zeilen ist notwendig, um die maximale
Zeitauflsung der Kamera von 20 ms auszunutzen. Fr die (eigentliche) Messung mu das Ion
im metastabilen Zustand prpariert werden. Um das Ion in den 3D 5/2 -Zustand zu pumpen, wird
ein weiterer Laser bentigt. Da kein Laser fr den direkten bergang 4S 1/2 − 3D 5/2 zur Verfgung
steht, wird das Ion indirekt durch Einstrahlen des 3D 3/2 −4P 3/2 bergangs in den 3D 5/2 -Zustand
gepumpt (Shelving). Das 4P 3/2 -Niveau kann in den 3D 5/2 -Zustand und den Grundzustand zerfallen,
wobei das Verzweigungsverhltnis etwa 1:15 ist. Der Shelving-Laser wird ebenfalls mit