Buffer Gas Cooling in Penning Ion Traps

Yıl 2020, Cilt: 4 Sayı: 1, 43 - 65, 30.06.2020

Halil İbrahim Dursun Süleyman Durmuş Hüsnü Aksakal

https://doi.org/10.29002/asujse.655068

Öz

In this study, Penning ion trap, which traps ions using electric field and magnetic field, is investigated. Penning traps are used in many laboratories around the world. Penning trap is used for mass determination as a mass spectrometer in basic physics research, for controlling quantum states and for ion trapping. Simbuca simulation program was used for other quantities of single ion or multiple ions such as ion dynamics and ion temperature. Simbuca is a modular Penning (ion) trap simulation program written in C++ programming language. Ideal Trap was used for ions. It is also used as a simulation of ion movement in a Penning trap with realistic Buffer gas collisions and Coulomb interaction using the A Graphics Card. However, Coulomb is a program applicable to other applications requiring charged particle tracking under the influence of electric and magnetic fields, with or without interaction.
Buffer Gas method was used to cool the trapped ions. Helium gas, one of the noble gas atoms, was used as buffer gas. Ion dynamics of ions before and after the use of buffer gas were investigated. The data from the trap is set to 1 ms. In addition, using the same trap parameters and initial values for ions, the temperature values before and after the application of buffer gas for 100 units of ⁷Li and ¹¹B ions were calculated separately. In addition, temperature changes for different ions were investigated using Coulomb effect for 100 ions.

Anahtar Kelimeler

Ion, Simbuca, Magnetic Field, Electric Field

Penning İyon Tuzaklarında Tampon Gaz Soğutma

Öz

Bu çalışmada, iyonları elektrik alan ve manyetik alan kullanarak tuzaklayan Penning iyon tuzağı incelenmiştir. Penning tuzakları dünyada birçok laboratuvarda kullanılmaktadır. Penning tuzağı temel fizik araştırmalarında kütle spektrometresi olarak kütle tayininde, kuantum durumlarını kontrol etmede ve iyon tuzaklamak için kullanılmaktadır. Tek iyon veya birden fazla iyonun, iyon dinamiklerinin ve iyon sıcaklığı gibi diğer nicelikleri için Simbuca similasyon programı kullanılmıştır. Simbuca, C++ programlama dili ile yazılmış modüler bir Penning (iyon) tuzak simülasyon programıdır. İyonlar için Ideal Trap kullanılmıştır. Gerçekçi tampon gazı çarpışmaları ve grafik kartı kullanarak Coulomb etkileşimi ile bir Penning tuzağında iyon hareketinin simülasyonu olarak da kullanılmaktadır. Bununla birlikte, Coulomb etkileşimi içeren veya içermeyen elektrik ve manyetik alanların etkisi altında yüklü parçacık izlemesi gerektiren diğer uygulamalar için uygulanabilir bir programdır.
Tuzaklanmış iyonları soğutmak için Tampon Gaz yöntemi kullanılmıştır. Tampon gaz olarak soygaz atomlarından Helyum gazı kullanılmıştır. İyonların tampon gaz kullanımından önceki ve farklı tampon gaz kullanımından sonraki iyon dinamikleri incelenmiştir. Tuzaktan alınan veriler 1 ms olarak ayarlanmıştır. Ayrıca aynı tuzak parametreleri ve iyon için başlangıç değerleri kullanılarak ayrı ayrı 100 adet ⁷Li ve ¹¹B iyonları için tampon gaz uygulanmadan önceki ve tampon gaz uygulandıktan sonraki sıcaklık değerleri hesaplanmış ayrıca Coulomb etkisi de kullanılarak sıcaklığın zamana bağlı değişimi elde edilmiştir. Ayrıca 100 iyon için Coulomb etkisi kullanılarak farklı iyonlar için sıcaklık değişimleri incelenmiştir.

Anahtar Kelimeler

İyon, Simbuca, Elektrik Alan, Manyetik Alan

Kaynakça

• [1] Wikipedia contributors. (2017, October 10). Ion trap. In Wikipedia, The Free Encyclopedia [online]. Available: https://en.wikipedi0.org/wiki/Ion_trap
• [2] P.M. Rao, R. D’Souza and S.A. Ahmad, Quadrupole ion traps, Resonance 6:4 (2001) 22-37.
• [3] L. S. Brown, G. Gabrielse, Geonium theory: Physics of a single electron or ion in a Penning trap, Reviews of Modern Physics, 58:1 (1986) 233.
• [4] J.R.C. Pita, Design, Development and operation of novel ion trap geometries, Ph.D. Thesis, Imperial College London (2007).
• [5] Wikipedia contributors. (2019, March 5). Penning trap. In Wikipedia, The Free Encyclopedia[online]. Available: https://en.wikipedi0.org/wiki/Penning_trap
• [6] K. Blaum, Y. Novikov, and G. Werth, Penning traps as a versatile tool for precise experiments in fundamental physics, Contemporary Physics,51(2) (2010) 149-175.
• [7] K. Blaum, High-accuracy mass spectrometry with stored ions, Phys. Rep. 425 (2006) 1-78.
• [8] G. Bollen. Lect. Notes Phys (Book style).2004, pp. 169-651.
• [9] G. Savard, St. Becker, G. Bollen, H.-J. Kluge, R.B. Moore, Th. Otto, L. Schweikhard, H. Stolzenberg, U.Wiess, A new cooling technique for heavy ions in a Penning trap, Physics Letters A, 158:5 (1991) 247-252.
• [10] S. Durmuş, Penning iyon tuzaklarında tampon gaz soğutma, Yüksek Lisans Tezi, Aksaray Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Aksaray (2019).