DE102016109439B3 - Method for detecting a micromotion of a particle in an ion trap and ion trap - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Mikrobewegung eines Ions (16) in einer Ionenfalle (12) mit den Schritten (a) Bestrahlen des Ions (16) mit Anzeige-Photonen, sodass das Ion (16) Photonen (24) emittiert, (b) Detektieren von Emissionsereignissen an emittierten Photonen (24) und (c) Ermitteln einer Korrelationsstärke zwischen einer Phasenlage einer Fallen-Wechselspannung (U12), mit der die Ionenfalle (12) beaufschlagt wird, und einer zeitlichen Verteilung der Emissionsereignisse, wobei das Ermitteln der Korrelationsstärke die folgenden Schritte umfasst: (d) Umwandeln der Fallen-Wechselspannung (U12) in ein Signal (Us), das einen ersten Zustand (Us,1) und einen zweiten Zustand (US,2) annehmen kann, (e) Erfassen einer ersten Zählrate (n1) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal (US) den ersten Zustand (US,1) einnimmt, (f) Erfassen einer zweiten Zählrate (n2) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal den zweiten Zustand (US,2) einnimmt, und (g) Ermitteln der Korrelationsstärke (K) aus den Zählraten (n1, n2), insbesondere aus ihrem Verhältnis (R = n1/n2) nach einer gewählten Integrations-/Mittelungszeit (T).The invention relates to a method for detecting a micromotion of an ion (16) in an ion trap (12) comprising the steps of (a) irradiating the ion (16) with display photons such that the ion (16) emits photons (24) ( b) detecting emission events on emitted photons (24); and (c) determining a correlation strength between a phase position of a trap AC voltage (U12) applied to the ion trap (12) and a time distribution of the emission events, wherein determining the Correlation strength comprises the steps of: (d) converting the trap AC voltage (U12) into a signal (Us) that may assume a first state (Us, 1) and a second state (US, 2); first count rate (n1) of emission events occurring while the signal (US) assumes the first state (US, 1), (f) detecting a second count rate (n2) of emission events occurring while the signal is in the second state ( US, 2 ), and (g) determining the correlation strength (K) from the count rates (n1, n2), in particular from their ratio (R = n1 / n2) after a selected integration / averaging time (T).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Mikrobewegung eines Ions in einer Ionenfalle, mit den Schritten (a) Bestrahlen des Ions mit Anrege-Photonen, sodass dass Ion Photonen emittiert, (b) Detektieren von Emissionsereignissen an emittierten Photonen und (c) Ermitteln einer Korrelationsstärke zwischen einer Phasenlage einer Fallen-Wechselspannung, mit der die Ionenfalle beaufschlagt wird, und einer Ereignisrate an Emissionsereignissen und/oder einer zeitlichen Verteilung der Emissionsereignisse, wobei das Ermitteln der Korrelationsstärke die folgenden Schritte umfasst: (d) Umwandeln der Fallen-Wechselspannung (U₁₂) in ein Signal (U_s), das einen ersten Zustand (U_s,1) und einen zweiten Zustand (U_S,2) annehmen kann, (e) Erfassen einer ersten Zählrate (n₁) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal (U_S) den ersten Zustand (U_S,1) einnimmt, (f) Erfassen einer zweiten Zählrate (n₂) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal den zweiten Zustand (U_S,2) einnimmt, und (g) Ermitteln der Korrelationsstärke (K) aus den Zählraten (n₁, n₂), insbesondere aus ihrem Verhältnis (R = n₁/n₂) nach einer gewählten Integrations-/Mittelungszeit (T).The invention relates to a method for detecting a micromotion of an ion in an ion trap, comprising the steps of (a) irradiating the ion with excitation photons so that the ion emits photons, (b) detecting emission events on emitted photons, and (c) determining a Correlation strength between a phase position of a trap AC voltage applied to the ion trap and an event rate of emission events and / or a time distribution of the emission events, wherein the determining of the correlation strength comprises the steps of: (d) converting the trap AC voltage (U ₁₂ ) into a signal (U _s ) which may assume a first state (U _{s, 1} ) and a second state (U _{S, 2} ), (e) detecting a first count rate (n ₁ ) of emission events that occur, while the signal (U _S ) assumes the first state (U _{S, 1} ), (f) detecting a second count rate (n ₂ ) of emission events that occur while the sign al assumes the second state (U _{S, 2} ), and (g) determining the correlation strength (K) from the count rates (n ₁ , n ₂ ), in particular from their ratio (R = n ₁ / n ₂ ) after a selected integration - / Averaging time (T).

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Ionenfalle mit (a) Ionenkammer zum Aufnehmen eines Ions, (b) Fallen-Elektroden, (c) einen Photonendetektor zum Erfassen von Emissionsereignissen an vom Ion emittierten Photonen und (d) einer Regelvorrichtung, die mit dem Photonendetektor verbunden ist und ausgebildet ist zum automatischen Beaufschlagen der Fallen-Elektroden mit einer Fallen-Wechselspannung zum Halten des Ions in der Ionenkammer und zum automatischen Beaufschlagen einer der Fallen-Elektroden oder einer Hilfselektrode mit einer Fallen-Gleichspannung, und eine Umwandlungsschaltung zum Umwandeln der Fallen-Wechselspannung (U₁₂) in ein Signal (U_S), das einen ersten Zustand (U_S,1) und einen zweiten Zustand (U_S,2) annehmen kann, und eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer ersten Zählrate (n₁) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal (U_S) den ersten Zustand (U_s,1) einnimmt, und einer zweiten Zählrate (n₂) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal (U_S) den zweiten Zustand (U_s,2) einnimmt, aufweist und die ausgebildet ist zum Beaufschlagen zumindest einer der Fallen-Elektroden oder einer Hilfselektrode mit einer Fallen-Gleichspannung (U_stat) in Abhängigkeit von den Zählraten (n₁, n₂) bzw. der aus ihnen ermittelten Korrelationsstärke.According to a second aspect, the invention relates to an ion trap having (a) an ion chamber for receiving an ion, (b) trap electrodes, (c) a photon detector for detecting emission events on photons emitted by the ion, and (d) a control device associated with the ion Photon detector is connected and adapted for automatically loading the trap electrodes with a falling AC voltage for holding the ion in the ion chamber and for automatically loading one of the trap electrodes or an auxiliary electrode with a falling DC voltage, and a conversion circuit for converting the traps AC voltage (U ₁₂ ) into a signal (U _S ), which may assume a first state (U _{S, 1} ) and a second state (U _{S, 2} ), and a detection device for detecting a first count rate (n ₁ ) Emission events that occur while the signal (U _S ) occupies the first state (U _{s, 1} ) and a second count rate (n ₂ ) at emission events , which occur while the signal (U _S ) occupies the second state (U _{s, 2} ), and which is adapted to apply at least one of the trap electrodes or an auxiliary electrode with a falling DC voltage (U _stat ) in dependence the count rates (n ₁ , n ₂ ) or the correlation strength determined from them.

Ionenfallen werden beispielweise in Atomuhren verwendet und dienen dazu, eine Ionenwolke oder ein einzelnes Ion, in der Regel ein Ion eines chemischen Elements, so zu platzieren, dass ein Resonator, insbesondere ein Laser oder ein Maser, auf einer Übergangsfrequenz dieses Ions abgestimmt werden kann. Damit diese Abstimmung mit einer möglichst geringen Frequenzunsicherheit behaftet ist, ist es vorteilhaft, wenn das Ion eine möglichst geringe Rest-Bewegung hat. Das ist dann der Fall, wenn sich das Ion genau im Wechselfeld-Nullzentrum der Ionenkammer befindet. Ist das Ion azentrisch angeordnet, beispielsweise aufgrund elektrostatischer Störfelder, müssen die Fallen-Elektroden mit einer Fallen-Gleichspannung beaufschlagt werden, um das Ion in das Zentrum zurückzudrängen. Das außerhalb des Nullzentrums nicht verschwindende elektrische Wechselfeld und die dadurch induzierte Oszillationsbewegung (Mikrobewegung) des Ions würde sonst aufgrund relativistischer Effekte zu einer unerwünschten Frequenzverschiebung der Atomuhr beitragen.Ion traps are used for example in atomic clocks and serve to place an ion cloud or a single ion, usually an ion of a chemical element, so that a resonator, in particular a laser or a maser, can be tuned at a crossover frequency of this ion. In order for this tuning to have the lowest possible frequency uncertainty, it is advantageous if the ion has as little residual movement as possible. This is the case when the ion is exactly in the alternating field neutral center of the ion chamber. If the ion is centered, for example because of electrostatic interference, the trapping electrodes must be charged with a trailing DC voltage to drive the ion back into the center. The electrical alternating field which does not vanish outside the zero center and the oscillation movement (micro movement) of the ion induced thereby would otherwise contribute to an undesired frequency shift of the atomic clock due to relativistic effects.

Es ist daher wünschenswert, die Mikrobewegung des Teilchens zu erfassen und durch entsprechend regulierte Fallen-Gleichspannungen zu minimieren, sodass durch Mikrobewegungen verursachte Frequenzverschiebungen möglichst klein gehalten werden können.It is therefore desirable to detect the micromotion of the particle and to minimize it by means of appropriately regulated trap DC voltages, so that frequency shifts caused by micromovements can be kept as small as possible.

Es ist dazu bekannt, die streuratenmodulierende Wirkung einer bewegungsabhängigen Dopplerverschiebung auszunutzen und zeitliche Korrelationsmessungen zwischen der Fallen-Wechselspannung und der Detektion von am Ion gestreuten Licht durchzuführen. Beispielsweise wird die Korrelation mittels eines Zeit-zu-Amplitude-Wandlers (Time to Amplitude Converter, TAC) und einer angeschlossenen Statistik-Computerauswertung nachgewiesen. Der Zeit-zu-Amplitude-Wandler erfasst die Zeit zwischen dem Beginn einer neuen Fallen-Wechselspannungsperiode und dem Eintreffen des ersten danach vom Ion emittierten Photons. Ist die Mikrobewegung nicht rein stochastisch, sondern durch die Fallen-Wechselspannung dauerhaft angetrieben, ergibt sich eine statistische Korrelation. Diese Art der Auswertung ist jedoch aufwendig, bei hohen Photonenstreuraten ineffizient und nur schlecht für den Hintergrundbetrieb geeignet.It is known to exploit the scattering modulating effect of a motion-dependent Doppler shift and to perform temporal correlation measurements between the trap alternating voltage and the detection of light scattered at the ion. For example, the correlation is detected by means of a time-to-amplitude converter (TAC) and a connected statistical computer evaluation. The time-to-amplitude converter detects the time between the beginning of a new fall AC voltage period and the arrival of the first photon subsequently emitted by the ion. If the micromotion is not purely stochastic, but permanently driven by the trap alternating voltage, a statistical correlation results. However, this type of evaluation is expensive, inefficient at high photon stringencies and poorly suited for background operation.

Die Masterarbeit ”Sensitive, 3D micromotion compensation in a surface-electrode ion trap” von Amira M. Eltony an dem Massachusetts Institute of Technolgy (September 2013) betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Verschiebung eines Ions von der Nullposition innerhalb eines HF-Fallenfeldes einer Ionenfalle zu einer Position außerhalb der Fallenebene durch Mikrobewegungen. Durch eine korrelierte Messung während der Anregung des Ions entlang einer Fallenachse durch die HF-Elektroden soll die Fähigkeit zur Kompensation der Mikrobewegung außerhalb der Fallenebene mit hoher Sensitivität kombiniert werden. Die HF-Spannung bei einer radialen Fallenfrequenz wird hierfür mit Seitenbändern beaufschlagt und die sich ergebende Fluoreszenz wird mit einer eindeutigen Phasenbeziehung zu der beaufschlagten Spannung ermittelt. Die Mikrobewegung des Ions bei der Fallenfrequenz resultiert in einer Modulation der Fluoreszenz bei dieser Frequenz durch die Doppelverschiebung des einfallenden Strahles. Je näher das Ion sich an der Nullposition befindet, desto geringer sind die Antriebskraft und damit die korrelierte Streuungsrate.The thesis "Sensitive, 3D micromotion compensation in a surface-electrode ion trap" by Amira M. Eltony at the Massachusetts Institute of Technology (September 2013) relates to a method for compensating the displacement of an ion from zero position within an RF trapping field of an ion trap to a position outside the trap level by micro-movements. Correlated measurement during ion excitation along a trap axis by the RF electrodes should combine the ability to compensate for micromotion outside the trap plane with high sensitivity. The RF voltage at a radial trap frequency is applied for this purpose with sidebands and the resulting Fluorescence is detected with a unique phase relationship to the applied voltage. The micromotion of the ion at the trap frequency results in a modulation of the fluorescence at that frequency by the double shift of the incident beam. The closer the ion is to the zero position, the lower the driving force and thus the correlated scattering rate.

Die JP 2006-66 177 A betrifft ein Verfahren für eine Ionenfalle zur Verbesserung der Effizienz des Einfanges der Ionen in der Ionenfalle. Hierzu werden, wenn ein anvisiertes Ion in der Ionenfalle gefangen wird, eine synchronisierte rechteckige Pulsspannung an die Elektroden einer mehrpoligen Ionenfalle angelegt und eine Phase der zum Einfangen des Ions aufgebrachten Wechselspannung und eine kinetischen Energie des anvisierten Ions synchronisiert.The JP 2006-66 177 A relates to a method for an ion trap for improving the efficiency of trapping the ions in the ion trap. To this end, when a targeted ion is trapped in the ion trap, a synchronized rectangular pulse voltage is applied to the electrodes of a multipolar ion trap, and a phase of the ion trapped AC and a kinetic energy of the targeted ion are synchronized.

Der Artikel „Precise determination of micromotion for trapped-ion optical clocks” von J. Keller, H. L. Partner, T. Burgermeister und T. E. Mehlstäubler, erschienen in Journal of Applied Physics 118, 104501 (September 2015), betrifft Untersuchungen zur Bestimmung der Amplitude von Mikrobewegungen von Ionen in Ionenfallen optischer Uhren. Die Methoden des aufgelösten Seitenbandes, der Photonen-Korrelation und der Minimierung von Mikrobewegungen durch parametrische Anregung werden experimentell untersucht und die damit erreichten Sensitivitäten werden miteinander verglichen. Zudem wird ein generalisiertes Modell für die quantitative Anwendung der Methode der Photonen-Korrelation vorgeschlagen.The article "Precise determination of micromotion for trapped-ion optical clocks" by J. Keller, HL Partner, T. Burgermeister and TE Mehlstäubler, published in Journal of Applied Physics 118, 104501 (September 2015), relates to studies for determining the amplitude of Micromotion of ions in ion traps of optical clocks. The methods of the resolved sideband, the photon correlation and the minimization of micromotion by parametric excitation are investigated experimentally and the sensitivities achieved are compared. In addition, a generalized model for the quantitative application of the method of photon correlation is proposed.

In dem Artikel „Minimzation of ion micromotion in a Paul trap” von D. J. Berkeland, J. D. Miller, J. C. Bergquist, W. M. Itano und D. J. Wineland, erschienen in Journal of Applied Physics 83, 5025 (1998), werden drei Verfahren zur Detektion von Mikrobewegungen von Ionen in einer Ionenfalle vorgestellt und miteinander verglichen. Das erste Verfahren beruht auf einem Wechsel der mittleren Ionenposition durch Änderung des Fallenpotenzials. Das zweite Verfahren überwacht die Amplitude der Seitenbänder von eingegrenzten atomaren Übergängen, die durch die Dopplerverschiebung erster Ordnung durch Mikrobewegungen verursacht werden. Das dritte Verfahren detektiert die durch Dopplerverschiebungen induzierten Modulationen der Fluoreszenzrate weiter atomarer Übergänge und wurde experimentell evaluiert.In the article "Minimization of ion micromotion in a Paul Trap" by DJ Berkeland, JD Miller, JC Bergquist, WM Itano and DJ Wineland, published in Journal of Applied Physics 83, 5025 (1998), there are disclosed three methods of detecting micromotions of Ions presented in an ion trap and compared with each other. The first method is based on a change of the mean ion position by changing the trap potential. The second method monitors the amplitude of the sidebands of bounded atomic transitions caused by the first-order Doppler shift by micro-motions. The third method detects the Doppler shift induced modulations of the fluorescence rate of further atomic transitions and was evaluated experimentally.

Der Artikel „Detection of ion micromotion in a linear Paul trap with a high finesse cavity” von B. L. Chuah, N. C. Lewty, R. Cazan und M. D. Barrett, erschienen in Optical Society of America, Vol 21, No. 9 (April 2013), betrifft eine Methode zur Minimierung der Mikrobewegungen eines Ions in einer linearen Paulfalle. Die Höhe der Seitenbänder in dem Emissionsspektrum der Ionen-Kavität wird minimiert, um die Amplitude der Mikrobewegungen entlang zweier Richtungen auf das ungefähre Spektrum der Wellenfunktion des Grundzustandes zu reduzieren. Die überschreitenden Mikrobewegungen der Ionen stellen sich dann als Ausschläge der Seitenbänder um die Trägerfrequenz in dem Emissionsspektrum dar.The article "Detection of ion micromotion in a linear Paul trap with a high finesse cavity" by B.L. Chuah, N.C. Lewty, R. Cazan and M.D. Barrett, published in Optical Society of America, Vol 21, no. 9 (April 2013) relates to a method for minimizing micromotion of an ion in a linear Paul trap. The height of the sidebands in the emission spectrum of the ion cavity is minimized to reduce the amplitude of the micromotions along two directions to the approximate spectrum of the ground state wavefunction. The excess micro-movements of the ions are then represented as deflections of the sidebands around the carrier frequency in the emission spectrum.

Die US 201 0/0116982 A1 betrifft ein Ionenfallen-Massenspektrometer mit einer Ionenquelle zum Zuführen von Ionen in ein von einer Ionenfalle erzeugtes elektrisches Feld, wobei die Ionen hinsichtlich ihrer Masse innerhalb der Ionenfalle oder nach Ausstoß aus der Ionenfalle gemessen werden. Da die Massenanalyse eine erheblich längere Zeit als die Erzeugung und Zuführung eines Ions in die Ionenfalle benötigt, sollen die Ionen möglichst lange in der Ionenfalle verweilen und zusätzlich sollen weitere Ionen in die Ionenfalle zugeführt werden. Hierzu werden ein Aufbringen einer Rechteck-Wechselspannung auf zumindest eine Elektrode der Ionenfalle und eine Steuereinrichtung vorgeschlagen, die für ein mit der Phase oder dem Wechsel des Spannungspegels synchrones Zuführen der Ionen aus der Ionenquelle ausgebildet ist.The US 201 0/0116982 A1 relates to an ion trap mass spectrometer having an ion source for supplying ions to an electric field generated by an ion trap, wherein the ions are measured for mass within the ion trap or after expulsion from the ion trap. Since the mass analysis requires a much longer time than the generation and supply of an ion in the ion trap, the ions should remain as long as possible in the ion trap and in addition, more ions are to be fed into the ion trap. For this purpose, it is proposed to apply a rectangular AC voltage to at least one electrode of the ion trap and to a control device which is designed for supplying the ions from the ion source synchronously with the phase or the change of the voltage level.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Detektion einer Mikrobewegung zu verbessern.The invention has for its object to improve the detection of a micro-movement.

Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Schritten: Verschieben des Signals (U_S) um eine Hilfs-Phasenverschiebung (Δφ₀), insbesondere um 90° ± 5°, sodass ein Hilfssignal (U_H) entsteht, das einen ersten Hilfssignal-Zustand (U_H,1) und einen zweiten Hilfssignal-Zustand (U_H,2) annehmen kann, Erfassen einer ersten Hilfssignal-Zählrate (n_H1) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal (U_H) den ersten Hilfssignal-Zustand (U_H,1) einnimmt, Erfassen einer zweiten Hilfssignal-Zählrate (n_H2) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal (U_H) den zweiten Hilfssignal-Zustand (U_H,2) einnimmt, und Ermitteln der Korrelationsstärke (K) aus den Zählraten (n₁, n₂) und den Hilfssignal-Zählraten (n_H1, n_H2).The invention solves the problem by a generic method with the steps: shifting the signal (U _S ) by an auxiliary phase shift (Δφ ₀ ), in particular by 90 ° ± 5 °, so that an auxiliary signal (U _H ) is formed, the first Auxiliary signal state (U _{H, 1} ) and a second auxiliary signal state (U _{H, 2} ), detecting a first auxiliary signal count rate (n _H1 ) at emission events that happen while the auxiliary signal (U _H ) the first auxiliary signal State (U _{H, 1} ), detecting a second auxiliary signal count rate (n _H2 ) at emission events occurring while the auxiliary signal (U _H ) is taking the second auxiliary signal state (U _{H, 2} ), and determining the correlation strength (K) from the count rates (n ₁ , n ₂ ) and the auxiliary signal count rates (n _H1 , n _H2 ).

Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine gattungsgemäße Ionen-Falle bei der die Regelvorrichtung einen Phasenschieber, insbesondere einen 90°-Phasenschieber, zum Erzeugen eines Hilfssignal (U_H), wobei das Hilfssignal (U_H) einen ersten Hilfssignal-Zustand (U_H,1) und einen zweiten Hilfssignal Zustand (U_H,2) annehmen kann, und eine Hilfs-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer ersten Hilfssignal-Zählrate (n_H,1) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal (U_H) den ersten Zustand (U_H,1) einnimmt, und einer zweiten Hilfssignal-Zählrate (n_H,2) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal (U_H) den zweiten Zustand (n_H,2) einnimmt, aufweist und bei der die Regelvorrichtung ausgebildet ist zum Beaufschlagen der Fallen-Elektroden oder einer Hilfselektrode mit einer Fallen-Gleichspannung (U_stat) in Abhängigkeit von den Zählraten (n₁, n₂) und Hilfs-Zählraten (n_H,1, n_H,2) bzw. der aus ihnen ermittelten Korrelationsstärke.According to a second aspect, the invention solves the problem by a generic ion trap in which the control device a phase shifter, in particular a 90 ° phase shifter, for generating an auxiliary signal (U _H ), wherein the auxiliary signal (U _H ) a first auxiliary signal state (U _{H, 1} ) and a second auxiliary signal state (U _{H, 2} ) can assume, and an auxiliary detection device for detecting a first auxiliary signal count rate (n _{H, 1} ) of emission events that happen while the auxiliary signal (U _H ) assumes the first state (U _{H, 1} ) and a second auxiliary signal count rate (n _{H, 2} ) of emission events that occur while the auxiliary signal (U _H ) assumes the second state (n _{H, 2} ), and in which the control device is formed for charging the trap electrodes or an auxiliary electrode with a falling DC voltage (U _stat ) as a function of the count rates (n ₁ , n ₂ ) and auxiliary count rates (n _{H, 1} , n _{H, 2} ) or of them determined correlation strength.

Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Bestimmung der Korrelation einfacher und damit robuster möglich ist. So entfällt eine aufwendige statistische Auswertung, da anhand des Verhältnisses der Zählraten selbst festgestellt werden kann, wie stark die Bewegung des Ions mit der Phase der Fallen-Wechselspannung korreliert. Eine spezifische TAC-artige Messinfrastruktur ist nicht mehr nötig, die getaktete Photonenereignisverteilung auf zwei Zählregister lässt sich mit generischen TTL-(Transistor-Transistor-Logik-)Komponenten realisieren.An advantage of the invention is that the determination of the correlation is simpler and thus more robust possible. This eliminates a complex statistical evaluation, since it can be determined on the basis of the ratio of the count rates themselves how strongly the movement of the ion correlates with the phase of the trap alternating voltage. A specific TAC-like measurement infrastructure is no longer necessary, the clocked photon event distribution on two Zählregister can be realized with generic TTL (transistor-transistor-logic) components.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Ion insbesondere ein Ion eines chemischen Elements verstanden. Alternativ kann das Ion auch ein geladenes Molekül sein.In the context of the present description, the ion is understood to mean in particular an ion of a chemical element. Alternatively, the ion may also be a charged molecule.

Unter der Ionenfalle wird insbesondere eine Paul-Falle verstanden. Das Bestrahlen des Ions mit Photonen, sodass das Ion Photonen emittiert, ist insbesondere ein Bestrahlen mit Laserlicht, wobei die Frequenz des Laserlichts vorzugsweise so gewählt ist, dass das Ion durch das Laserlicht via Dopplerkühlung gekühlt wird. Besonders günstig ist es, wenn das Laserlicht abwechselnd von mehreren Richtungen auf das Ion eingestrahlt wird, sodass eine vollständige dreidimensionale Mikrobewegungs-Kompensation erfolgen kann.The ion trap is understood to mean in particular a Paul trap. The irradiation of the ion with photons, so that the ion emits photons, is in particular an irradiation with laser light, wherein the frequency of the laser light is preferably selected so that the ion is cooled by the laser light via Doppler cooling. It is particularly favorable if the laser light is irradiated alternately from several directions onto the ion, so that a complete three-dimensional micro-motion compensation can take place.

Unter dem Detektieren von Emissionsereignissen an emittierten Photonen wird insbesondere verstanden, dass vom Ion emittierte Photonen erfasst werden. Es ist möglich und in der Regel unvermeidlich, das auch Photonen detektiert werden, die nicht vom Ion emittiert wurden und/oder dass nicht alle vom Ion emittierten Photonen detektiert werden. Das ist aber für die Funktionsweise der Erfindung unbeachtlich, so lange eine hinreichend große Anzahl an emittierten Photonen pro Mittelungsintervall detektiert wird.By detecting emission events on emitted photons is meant, in particular, that photons emitted by the ion are detected. It is possible and usually unavoidable that photons are also detected which were not emitted by the ion and / or that not all photons emitted by the ion are detected. However, this is irrelevant to the operation of the invention as long as a sufficiently large number of emitted photons per averaging interval is detected.

Unter dem Merkmal, dass die Fallen-Wechselspannung in das Signal umgewandelt wird, ist zu verstehen, dass das so entstandene Signal zur weiteren Auswertung verwendet wird. Selbstverständlich wird die Fallen-Wechselspannung unverändert an die Fallen-Elektroden angelegt.By the feature that the trap AC voltage is converted into the signal, it is to be understood that the resulting signal is used for further evaluation. Of course, the trap AC voltage is applied to the trap electrodes unchanged.

Unter dem Merkmal, dass Zählraten erfasst werden, wird insbesondere verstanden, dass ein Parameter gemessen wird, der die Zählrate charakterisiert. Es ist dabei möglich, nicht aber notwendig, dass die Zählrate selbst, beispielsweise normiert als Zählereignisse pro Sekunde, erfasst wird. Es ist vielmehr ausreichend, dass ein Messsignal, insbesondere ein elektrisches Messsignal erzeugt wird, das einen Rückschluss auf die Zählrate oder ihren über eine Integrations-/Mittelungszeit gemittelten Durchschnittswert zulässt. Beispielsweise kann ein derartiges Messsignal eine Spannung sein.By the feature that count rates are detected, in particular, it is understood that a parameter is measured that characterizes the count rate. It is possible, but not necessary, that the count rate itself, for example, normalized as count events per second, is detected. On the contrary, it is sufficient for a measurement signal, in particular an electrical measurement signal, to be generated which allows a conclusion to be drawn about the count rate or its average value averaged over an integration / averaging time. For example, such a measurement signal may be a voltage.

Unter dem Merkmal, dass das Signal einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand annehmen kann, wird insbesondere verstanden, dass es sich um ein binäres Signal handelt, das genau zwei Zustände annehmen kann. Selbstverständlich ist kein reales binäres Signal im strengen Sinne rein binär. Ist das Signal beispielsweise durch eine Spannung gebildet, existieren nicht nur zwei Spannungsniveaus, sondern Übergangsspannungen zwischen den beiden Spannungsniveaus, das ist aber für die Erfindung unbeachtlich. Maßgeblich ist, dass zwei voneinander unterscheidbare Zustände, beispielsweise voneinander unterscheidbare Spannungen, für einen hinreichend langen Zeitanteil vorhanden sind, und mit deren Hilfe entschieden wird, ob ein Emissionsereignis zu dem Zeitpunkt eingetreten ist, in dem das Signal im ersten Zustand war oder zum Zeitpunkt eingetreten ist, zu dem das Signal im zweiten Zustand war. Zwar ist es möglich, dass das Signal mehr als zwei Zustände annehmen kann, besonders günstig ist es aber, wenn das Signal ein binäres Signal ist. Statt eine Fallenwechselspannungsperiode wie beschrieben in zwei Zeitabschnitte zu unterteilen, ist natürlich auch eine Pulseinordnung in drei oder mehr Subintervalle möglich, was allerdings einen schaltungstechnischen Mehraufwand bedeutet.In particular, the feature that the signal can assume a first state and a second state means that it is a binary signal which can assume exactly two states. Of course, no real binary signal in the strict sense is purely binary. If the signal is formed, for example, by a voltage, there are not only two voltage levels, but transient voltages between the two voltage levels, but this is irrelevant to the invention. It is important that two states that can be distinguished from one another, for example differences that can be distinguished from each other, are present for a sufficiently long time interval, and with the aid of which it is decided whether an emission event occurred at the time the signal was in the first state or occurred at the time is where the signal was in the second state. Although it is possible that the signal can assume more than two states, it is particularly favorable if the signal is a binary signal. Instead of subdividing a trap alternating voltage period as described into two time segments, it is of course also possible to arrange pulses in three or more subintervals, which, however, means additional circuit complexity.

Um eine besonders hohe Auswertegenauigkeit zu erhalten, ist es günstig, wenn die Zeitdauer, zu der das Signal den ersten Zustand annimmt, plus der Zeitdauer, zu der das Signal den zweiten Zustand annimmt, zumindest 90% der Periodendauer der Fallen-Wechselspannung entspricht. Je dichter diese Summe an der Periodendauer der Fallen-Wechselspannung ist, desto günstiger ist es.In order to obtain a particularly high evaluation accuracy, it is favorable if the time duration at which the signal assumes the first state plus the time duration at which the signal assumes the second state corresponds to at least 90% of the period of the falling AC voltage. The closer this sum is to the period duration of the trap AC voltage, the more favorable it is.

Unter dem Ermitteln der Korrelationsstärke wird insbesondere verstanden, dass die Zählraten direkt zum Berechnen eines Parameters verwendet werden, der das Ausmaß der Korrelation (Korrelationsstärke) beschreibt. Beispielsweise ist dieser Parameter das über eine Integrations- und/oder Mittelungszeit gemittelte Verhältnis der Zählraten.In particular, determining the correlation strength is understood to mean that the count rates are used directly to calculate a parameter describing the extent of the correlation (correlation strength). For example, this parameter is the ratio of count rates averaged over an integration and / or averaging time.

Unter der Korrelationsstärke wird ein Maß für die Korreliertheit von Fallen-Wechselspannungsphase (Phasenlage) einerseits und Ereignisrate oder einer zeitlichen Verteilung der Emissionsereignisse andererseits verstanden. In anderen Worten kann aus der Korrelationsstärke darauf geschlossen werden, ob sich das Ion im Wechselspannungszentrum der Ionenfalle befindet. Im Wechselspannungszentrum der Ionenfalle verschwindet in guter Näherung das elektrische Feld, das von der Fallen-Wechselspannung hervorgerufen wird.The correlation strength is understood to be a measure of the correlatedness of trap alternating voltage phase (phase position) on the one hand and the event rate or a temporal distribution of the emission events on the other hand. In other words, it can be concluded from the correlation strength whether the ion is in the AC center of the ion trap. In the AC center of the ion trap, this disappears in a good approximation electric field caused by the trap AC voltage.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Signal eine Schalt-Spannung. In diesem Fall entspricht der erste Zustand einer ersten Schalt-Spannung und der zweite Zustand entspricht einer zweiten Schalt-Spannung. Günstig ist es dann, wenn das Erfassen der Zählraten ein Umschalten mittels der Schalt-Spannung umfasst. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass das Messergebnis, das beim Detektieren der Emissionsereignisse entsteht, ein elektrisches Detektionssignal ist, das an einen Umschalter angelegt wird, wobei das elektrische Detektionssignal (d. h. der Photonenereignispuls) auf einen ersten Kanal gelegt wird, wenn die erste Schalt-Spannung am Umschalter anliegt und auf einen zweiten Kanal geschaltet wird, wenn die zweite Schalt-Spannung am Umschalter anliegt. Ein derartiger Umschalter kann beispielsweise in Transistor-Transistor-Logik (TTL) aufgebaut sein. Diese Vorrichtungen haben eine verglichen mit typischen Fallenantriebsfrequenzen ω hohe Schaltgeschwindigkeit (Umschaltzeit << 1/ω), sodass sich eine hohe Auswertegenauigkeit ergibt.According to a preferred embodiment, the signal is a switching voltage. In this case, the first state corresponds to a first switching voltage and the second state corresponds to a second switching voltage. It is favorable if the detection of the count rates comprises switching by means of the switching voltage. This is to be understood in particular as meaning that the measurement result produced when the emission events are detected is an electrical detection signal which is applied to a changeover switch, the electrical detection signal (ie the photon event pulse) being applied to a first channel when the first switching signal is applied. Voltage is applied to the switch and is switched to a second channel when the second switching voltage is applied to the switch. Such a switch can be constructed, for example, in transistor-transistor logic (TTL). These devices have a high switching speed (switchover time << 1 / ω) compared to typical trap drive frequencies ω, resulting in a high evaluation accuracy.

Das Verfahren umfasst die Schritte eines (a) Verschiebens des Signals um eine Hilfs-Phasenverschiebung, insbesondere um 90° ± 5°, sodass ein Hilfssignal entsteht, das einen ersten Hilfssignal-Zustand und einen zweiten Hilfssignal-Zustand annehmen kann, (b) Erfassen einer ersten Hilfssignal-Zählrate an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal den ersten Hilfssignal-Zustand einnimmt, (c) Erfassen einer zweiten Hilfssignal-Zählrate an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal den zweiten Hilfssignal-Zustand einnimmt und (d) Ermitteln der Korrelationsstärke aus den Zählraten und den Hilfssignal-Zählraten. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Auswertung verbessert wird.The method comprises the steps of (a) shifting the signal by an auxiliary phase shift, in particular by 90 ° ± 5 °, so that an auxiliary signal is produced which can assume a first auxiliary signal state and a second auxiliary signal state, (b) detecting a first auxiliary signal count rate of emission events occurring while the auxiliary signal is in the first auxiliary signal state, (c) detecting a second auxiliary signal count rate of emission events occurring while the auxiliary signal is in the second auxiliary signal state, and (d) determining the correlation strength from the count rates and the auxiliary signal count rates. This approach has the advantage that the evaluation is improved.

Die an den Elektroden anliegende Fallen-Wechselspannung kann nämlich in der Regel nicht ohne Phasenverschiebung an den Umschalter angelegt werden. Es kann daher der Fall eintreten, dass die Emissionsereignisse hochgradig mit der Fallen-Wechselspannung korrelieren, aber eine Phasendifferenz zwischen der Phase der Fallen-Spannung an den Fallen-Elektroden und der Phase am Umschalter genau 90° beträgt. In diesem Fall würde das Messsignal so interpretiert werden, dass keinerlei Korrelation vorliegt, was unzutreffend ist. Wird jedoch ein zweiter Messpfad eröffnet, in dem das Hilfssignal mit einer Phasenverschiebung von idealerweise 90° anliegt, so würde in diesem Fall die Auswertung anhand des Hilfssignals die starke Korrelation zeigen. Diese Auswertung ist daher besonders robust und wenig fehleranfällig. Insbesondere kann mittels des Kollektiv-Phasenschiebers eine Phasenanpassung vorgenommen werden, die das Signal im ersten Messpfad maximiert.Namely, the falling AC voltage applied to the electrodes can not usually be applied to the changeover switch without phase shifting. Therefore, it may be the case that the emission events are highly correlated with the trap AC voltage, but a phase difference between the trap voltage phase at the trap electrodes and the phase at the switch is exactly 90 °. In this case, the measurement signal would be interpreted as having no correlation, which is incorrect. If, however, a second measuring path is opened in which the auxiliary signal is applied with a phase shift of ideally 90 °, the evaluation using the auxiliary signal would show the strong correlation in this case. This evaluation is therefore particularly robust and prone to errors. In particular, by means of the collective phase shifter, a phase adjustment can be made, which maximizes the signal in the first measurement path.

Vorzugsweise wird eine Fallen-Gleichspannung, die zusätzlich zur Fallen-Wechselspannung an zumindest einer der Fallen-Elektroden anliegt, anhand der Korrelationsstärke geregelt. Alternativ oder zusätzlich wird eine zweite Fallen-Gleichspannung, die der ersten Fallen-Gleichspannung entsprechen kann, nicht aber muss, und die an einer Hilfs-Elektrode der Ionenfalle anliegt, anhand der Korrelationsstärke geregelt. In anderen Worten wird die zumindest eine Fallen-Gleichspannung so verändert, dass die Korrelationsstärke möglichst klein wird. Im idealen Fall verschwindet die Korrelationsstärke (was einem idealen Zählratenverhältnis n₁/n₂ = 1 entspricht), das heißt, dass die Emissionsereignisse und die Phasenlage der Fallen-Wechselspannung an den Fallen-Elektroden unkorreliert sind. Das ist ein Zeichen dafür, dass sich das Ion im ungestörten elektrischen Zentrum der Ionenfalle befindet.Preferably, a falling DC voltage, which is applied to at least one of the trap electrodes in addition to the trap AC voltage, is regulated on the basis of the correlation strength. Alternatively or additionally, a second falling DC voltage, which may or may not correspond to the first DC falling voltage, and which is applied to an auxiliary electrode of the ion trap, is regulated on the basis of the correlation strength. In other words, the at least one falling DC voltage is changed so that the correlation strength is as small as possible. In the ideal case, the correlation strength (corresponding to an ideal count rate ratio n ₁ / n ₂ = 1) disappears, that is, the emission events and the phase position of the trap AC voltage at the trap electrodes are uncorrelated. This is a sign that the ion is in the undisturbed electrical center of the ion trap.

Die zumindest eine Hilfs-Elektrode ist insbesondere so angeordnet, dass durch Anlegen der Fallen-Gleichspannung etwaig existierende elektrische Stör-Felder vermindert oder kompensiert werden. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass genau eine zusätzliche Hilfs-Elektrode existiert. So können null, zwei, drei oder mehr Hilfs-Elektroden existieren, an denen die gleiche Fallen-Gleichspannung oder verschiedene, insbesondere jeweils verschiedene, Fallen-Gleichspannungen anliegen. Durch das Regeln der zumindest einen Fallen-Gleichspannung anhand der Korrelationsstärke wird erreicht, dass das Ion sich entlang der betrachteten Achse im Zentrum der Ionenfalle aufhält. Bei einer erfindungsgemäßen Ionenfalle ist die Umwandlungsschaltung zum Umwandeln der Fallen-Wechselspannung in das Signal vorzugsweise ein synchronisierter Rechteckwellengenerator, der ausgebildet ist zum Erzeugen einer Rechteckspannung, deren Grundfrequenz phasenstabil der Frequenz der Fallen-Wechselspannung entspricht.The at least one auxiliary electrode is in particular arranged so that any existing electrical interference fields are reduced or compensated by applying the falling DC voltage. It is possible, but not necessary, for exactly one additional auxiliary electrode to exist. Thus, there may exist zero, two, three or more auxiliary electrodes to which the same falling DC voltage or different, in particular different, falling DC voltages are applied. By controlling the at least one falling DC voltage on the basis of the correlation strength, it is achieved that the ion stays along the considered axis in the center of the ion trap. In an ion trap according to the invention, the conversion circuit for converting the trap alternating voltage into the signal is preferably a synchronized square wave generator, which is designed to generate a square wave voltage whose fundamental frequency is phase-stable to the frequency of the trap alternating voltage.

Vorliegend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigenIn the present case, the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show

1 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Atomuhr mit einer erfindungsgemäßen Ionenfalle zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 a circuit diagram of an atomic clock according to the invention with an ion trap according to the invention for carrying out a method according to the invention,

2 die mit der Phase der Fallen-Wechselspannung mikrobewegungsbedingt korrelierte zeitliche Änderung der Photonen-Emissionsrate. 2 the temporal change of the photon emission rate, which is correlated with the phase of the falling AC voltage due to micro-motion.

1 zeigt eine Atomuhr 10, die eine Ionenfalle 12 aufweist. Die Ionenfalle 12 umfasst eine Ionenkammer 14 zum Aufnehmen eines schematisch eingezeichneten Ions 16, beispielsweise eines Strontium- oder Ytterbium-Ions. Schematisch sind Fallen-Elektroden 18.1, 18.2 eingezeichnet, die von einer Spannungsquelle 20 mit einer Fallen-Wechselspannung U₁₂(t) = Asin(ωt) der Amplitude A und der Frequenz ω und gegebenenfalls zusätzlich mit einer Fallen-Gleichspannung U_stat beaufschlagt werden. Wie schon erwähnt, ist es möglich und oft vorteilhaft, die Fallen-Gleichspannung U_stat über eine Hilfs-Elektrode 54 anzulegen. 1 shows an atomic clock 10 that is an ion trap 12 having. The ion trap 12 includes an ion chamber 14 for picking up a schematically drawn ion 16 , for example, a strontium or ytterbium ion. Schematically, traps are electrodes 18.1 . 18.2 drawn from a voltage source 20 with a falling AC voltage U ₁₂ (t) = Asin (ωt) of the amplitude A and the frequency ω and optionally additionally applied with a falling DC voltage U _stat . As already mentioned, it is possible and often advantageous to trap the DC voltage U _stat via an auxiliary electrode 54 to apply.

Die Ionenfalle 12 besitzt darüber hinaus weitere Fallen-Elektroden, die jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht mit eingezeichnet sind. Es handelt sich bei der Ionenfalle 12 um eine Paul-Falle, deren Aufbau aus dem Stand der Technik bekannt ist.The ion trap 12 moreover has other trap electrodes, which are not drawn in for the sake of clarity. It is at the ion trap 12 a Paul trap whose structure is known in the art.

Die Ionenfalle 12 besitzt einen Photonendetektor 22 in Form eines Einzelphotonendetektors. Dieser wird oft bauartmäßig als PMT (englisch für photomultiplier tube) ausgeführt. Der Photonendetektor 22 ist angeordnet zum Detektieren von schematisch eingezeichneten, emittierten Photonen 24, die vom Ion 16 ausgesandt werden.The ion trap 12 has a photon detector 22 in the form of a single-photon detector. This is often designed as a PMT (English for photomultiplier tube) executed. The photon detector 22 is arranged to detect schematically drawn, emitted photons 24 that of the ion 16 to be sent out.

Zum Kühlen des Ions 16 besitzt die Ionenfalle 12 schematisch einen eingezeichneten Kühl-Laser 26, dessen Laserwellenlänge so abgestimmt ist, dass das Ion 16 das Licht dann mit besonders hoher/niedriger Wahrscheinlichkeit absorbiert, wenn es sich auf den Kühl-Laser 26 zubewegt/wegbewegt. Nach Absorption eines derartigen Photons emittiert das Ion ein Photon. Diese Wechselwirkung wird auch als Streuung bezeichnet.To cool the ion 16 owns the ion trap 12 schematically a marked cooling laser 26 whose laser wavelength is tuned to that of the ion 16 the light is then absorbed with a particularly high / low probability when it reaches the cooling laser 26 moved towards / away. Upon absorption of such a photon, the ion emits a photon. This interaction is also called scattering.

Der Photonendetektor 22 gibt ein schematisch eingezeichnetes Messsignal S ab, bei dem es sich im vorliegendem Fall um eine Mess-Spannung U_mess handelt, die über die Zeit t immer dann einen Rechteckpuls zeigt, wenn ein Photon 24 detektiert wird.The photon detector 22 is a schematically drawn measurement signal S, which in the present case is a measurement voltage U _mess , which always shows a square pulse over the time t when a photon 24 is detected.

Die Spannungsquelle 20 ist Teil einer Regelvorrichtung 28, die zudem eine Umwandlungsschaltung 30 zum Umwandeln der Fallen-Wechselspannung U₁₂ in ein Signal in Form einer Schalt-Spannung U_s aufweist. Die Schalt-Spannung U_s ist eine Rechteckspannung, die zwischen den beiden Spannungen U_s,1 und U_s,2 schwankt. Die Schalt-Spannung U_s liegt an einer Erfassungsvorrichtung 32 an.The voltage source 20 is part of a control device 28 which also has a conversion circuit 30 for converting the trap AC voltage U ₁₂ into a signal in the form of a switching voltage U _s . The switching voltage U _s is a square-wave voltage, which varies between the two voltages U _{s, 1} and U _{s, 2} . The switching voltage U _s is applied to a detection device 32 at.

Die Erfassungsvorrichtung 32 weist einen Umschalter 34 auf, der mit dem Photonendetektor 22 verbunden ist und von diesem die Mess-Spannung U_mess erhält. Der Umschalter 34 schaltet die Mess-Spannung U_mess auf einen ersten Kanal 36.1, wenn die Schalt-Spannung den Wert U_S,1 hat. Hat die Schalt-Spannung U_s den Wert U_s,2, so schaltet der Umschalter 34 die Mess-Spannung U_mess auf einen zweiten Kanal 36.2 durch.The detection device 32 has a switch 34 on top of that with the photon detector 22 is connected and receives from this the measuring voltage U _mess . The switch 34 switches the measuring voltage U _mess to a first channel 36.1 when the switching voltage has the value U _{S, 1} . If the switching voltage U _{s has} the value U _{s, 2} , the changeover switch switches 34 the measuring voltage U _mess on a second channel 36.2 by.

Auf den ersten Kanal 36.1 werden daher die Zählpulse durchgeleitet, die eine erste Zählrate n₁ ergeben. Auf dem zweiten Kanal 36.2 laufen die Zählimpulse auf, die über eine Integrations-/Mittelungszeit T gemittelt eine zweite Zählrate n₂ ausmachen. Es sei darauf hingewiesen, dass an den Kanälen 36.1, 36.2 weiter impulsförmige Signale anliegen. Die beiden Kanäle 36.1 und 36.2 sind mit jeweiligen Eingängen einer digitalen Zählraten-Erfassungsvorrichtung 38 verbunden, die aus den einlaufenden Pulsen über eine Integrations-/Mittelungszeit T gemittelte Zählraten n₁ und n₂ und ein daraus abgeleitetes Zählratenverhältnis R = n₁/n₂, das ein Maß für die Korrelationsstärke ist, ermittelt. Alternativ können die Zählpulse quantitativ auch auf andere Weise aufbereitet werden. Entscheidend ist, dass am Ende ein Parameter abgeleitet wird, der die Korrelationsstärke charakterisiert.On the first channel 36.1 Therefore, the counting pulses are passed, resulting in a first count rate n ₁ . On the second channel 36.2 Counting pulses that average a second counting rate n ₂ over an integration / averaging time T start. It should be noted that on the channels 36.1 . 36.2 continue to pulse-shaped signals. The two channels 36.1 and 36.2 are connected to respective inputs of a digital count rate detection device 38 which determines, from the incoming pulses over an integration / averaging time T, averaged count rates n ₁ and n ₂ and a count rate ratio R = n ₁ / n ₂ derived therefrom, which is a measure of the correlation strength. Alternatively, the counting pulses can be quantitatively processed in other ways. The decisive factor is that at the end a parameter is derived that characterizes the correlation strength.

Die Regelvorrichtung 28 umfasst zudem eine Hilfs-Erfassungsvorrichtung 40, an der eine Spannung U_H(t) = U_S(t – Δφ₀/ω) anliegt und die wie die Erfassungsvorrichtung 32 aufgebaut ist. Die 90°-Phasenverschiebung wird von einem fixen Phasenschieber 42 erzeugt. Mittels eines Kollektiv-Phasenschiebers 44 können zudem die Phasen der Spannungen an dem Umschalter 34 und einem Hilfs-Umschalter 48 der Hilfs-Erfassungsvorrichtung 48 simultan und identisch verschoben werden. Der Hilfs-Umschalter 48 funktioniert analog zum Umschalter 34 und liefert via Hilfs-Zähler/Hilfszählraten-Erfassungsvorrichtung 50 entsprechende Zählraten n_H1 und n_H2, die wiederum durch ihr Verhältnis R_H = n_H1/n_H2 ein Hilfs-Korrelationsstärke R_H quantifizieren.The control device 28 also includes an auxiliary detection device 40 at which a voltage U _H (t) = U _s (t - Δφ ₀ / ω) is applied and which as the detection device 32 is constructed. The 90 ° phase shift is by a fixed phase shifter 42 generated. By means of a collective phase shifter 44 In addition, the phases of the voltages at the switch can 34 and an auxiliary switch 48 the auxiliary detection device 48 be moved simultaneously and identically. The auxiliary switch 48 works analogous to the switch 34 and provides via auxiliary counter / auxiliary count rate detection device 50 corresponding count rates n _H1 and _H2 n, which in turn quantified by their ratio R _H = n _H1 / _H2 n an auxiliary correlation strength R _H.

R und R_H (nach wie beschrieben durchgeführter Justierung des Phasenschiebers 44 nur R) werden dann im Sinne eines Regelkreises an die Spannungsquelle/Regeleinheit 20 weitergeleitet. Dort wird dann automatisiert die Fallen-Gleichspannung U_stat derart nachgeregelt, dass sich für R und R_H die wie unten beschrieben kalibrierten Referenzwerte R_ref und R_Href einstellen.R and R _H (as described, adjustment of the phase shifter 44 only R) are then in the sense of a control circuit to the voltage source / control unit 20 forwarded. There, the falling DC voltage U _stat is then automatically _{readjusted in} such a way that the reference _values R _ref and R _Href calibrated as described below are set for R and R _H.

Die Atomuhr 10 umfasst zudem einen Resonator 52, der auf eine Übergangsfrequenz des Ions 16 stabilisiert wird. Da die dafür notwendigen Komponenten zum Stand der Technik gehören, sind sie nicht näher spezifiziert.The atomic clock 10 also includes a resonator 52 which is at a crossover frequency of the ion 16 is stabilized. Since the necessary components belong to the state of the art, they are not specified in more detail.

Zur Kalibrierung der Regelung wird zunächst Licht auf den Photonendetektor geleitet, das mit der Fallen-Wechselspannung U₁₂ unkorreliert ist. Das kann beispielsweise Tageslicht oder das Licht einer Glühlampe sein. Es wird dann ein Referenz-Verhältniswert R_ref = n_1,ref/n_2,ref und, sofern verwendet, ein Referenz-Hilfs-Verhältniswert R_H,ref = n_H1,ref/n_H2,ref bestimmt.To calibrate the control, light is first directed to the photon detector, which is uncorrelated with the trap AC voltage U ₁₂ . This can be, for example, daylight or the light of a light bulb. A reference ratio value R _ref = n _{1, ref} / n _{2, ref} and, if used, a reference auxiliary ratio value R _{H, ref} = n _{H1, ref} / n _{H2, ref are then} determined.

Der Referenz-Verhältniswert R_ref beträgt in der Regel ungefähr R_ref = 1. Durch Störeffekte, beispielsweise eine Abweichung der Schalt-Spannung U_s von einer idealen Rechteckspannung, weicht der Verhältniswert R_ref oft von 1 ab. Das Gleiche gilt für den Referenz-Hilfs-Verhältniswert R_H,ref.As a rule, the reference ratio R _ref is approximately R _ref = 1. Due to interference effects, for example a deviation of the switching voltage U _s from an ideal square-wave voltage, the ratio R _ref often deviates from 1. The same applies to the reference auxiliary ratio value R _{H, ref} .

Beim Betrieb der Ionenfalle 12 wird der Verhältniswert R = n₁/n₂ und gegebenenfalls der Hilfs-Verhältniswert R_H regelmäßig, insbesondere kontinuierlich, bestimmt. Weicht der Verhältniswert R von dem Referenz-Verhältniswert R_ref ab, so wird die Fallen-Gleichspannung U_stat so geändert, dass die eine Korrelationsstärke K beschreibende Abweichung ΔR = R – R_ref auf null geregelt wird.During operation of the ion trap 12 the ratio value R = n ₁ / n ₂ and optionally the auxiliary ratio value R _H is regularly, in particular continuously determined. If the ratio value R deviates from the reference ratio value R _ref , the falling DC voltage U _stat is changed such that the deviation ΔR = R-R _ref describing a correlation strength K is regulated to zero.

2 zeigt die mit der Phase der Fallen-Wechselspannung mikrobewegungsbedingt korrelierte zeitliche Änderung der Photonen-Emissionsrate. Diese führt im dargestellten Fall zu deutlich unterschiedlichen Zählraten n₁ (ermittelt während der Zustandsintervalle 1) und n₂ (ermittelt während der Zustandsintervalle 2). Die Korrelationsstärke wird durch das Zählratenverhältnis R = n₁/n₂ bzw. seine Abweichung ΔR = R – R_ref vom Referenz-Verhältniswert R_ref quantifiziert. Durch Nachregelung einer Fallen-Fallengleichspannung U_stat lässt sich die Mikrobewegung und damit die Korrelationsstärke minimieren, so dass sich idealerweise eine zeitlich konstante Emissionsrate mit ΔR = 0 einstellt. 2 shows the temporal change of the photon emission rate, which is correlated with the phase of the trap alternating voltage due to micro-motion. In the case shown, this leads to significantly different count rates n ₁ (determined during the state intervals 1) and n ₂ (determined during the state intervals 2). The correlation strength is quantified by the count rate ratio R = n ₁ / n ₂ or its deviation ΔR = R - R _ref from the reference ratio value R _ref . By readjusting a falling case dc voltage U _stat , the micro movement and thus the correlation strength can be minimized, so that ideally a temporally constant emission rate with ΔR = 0 is established.

Angesichts typischer Fallen-Wechselspannungsfrequenzen ω/(2π) im MHz Bereich muss mit relativen Phasenverschiebungen zwischen den dargestellten Signalen gerechnet werden. Um trotzdem eine unverfälschte Mikrobewegungsmessung zu ermöglichen, wird die Detektion parallel mit einer um 90° verschobenen Hilfs-Schaltspannung U_H durchgeführt.Given typical trap AC frequencies ω / (2π) in the MHz range, relative phase shifts between the displayed signals must be expected. In order nevertheless to enable an unadulterated micro-motion measurement, the detection is carried out in parallel with an auxiliary switching voltage U _H shifted by 90 °.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010

AtomuhrAtomic Clock

1212

Ionenfalleion trap

1414

Ionenkammerion chamber

1616

Ionion

1818

Fallen-ElektrodeTrap electrode

2020

Spannungsquellevoltage source

2222

Photonendetektorphoton detector

2424

Photonphoton

2626

Kühl-LaserLaser cooling

2828

Regelvorrichtungcontrol device

3030

Umwandlungsschaltungconversion circuit

3232

Erfassungsvorrichtungdetection device

3434

Umschalterswitch

3636

Kanal (Ausgangskanäle des Umschalters)Channel (output channels of the switch)

3838

Zähler/Zählraten-ErfassungsvorrichtungCounter / count rate detection device

4040

Hilfs-ErfassungsvorrichtungAuxiliary detector

4242

90°-Phasenschieber90 ° phase shifter

4444

einstellbarer Kollektiv-Phasenschieberadjustable collective phase shifter

4646

Resonatorresonator

4848

Hilfs-UmschalterAuxiliary switch

5050

Hilfs-Zähler/Zählraten-ErfassungsvorrichtungAuxiliary counter / count rate detection device

5252

Resonatorresonator

5454

Hilfs-ElektrodeAuxiliary electrode

n₁ n ₁

erste Zählratefirst count rate

n₂ n ₂

zweite Zählratesecond count rate

n_H1 n _H1

erste Hilfs-Zählratefirst auxiliary count rate

n_H2 n _H2

zweite Hilfs-Zählratesecond auxiliary count rate

KK

Korrelationsstärkecorrelation strength

AA

Fallen-Wechselspannungs-AmplitudeFallen AC voltage amplitude

SS

Messsignalmeasuring signal

tt

ZeitTime

TT

Integrations-/MittelungszeitIntegration / averaging time

U₁₂ U ₁₂

Fallen-WechselspannungFall-AC

U_H U _H

Hilfs-SpannungAuxiliary power

U_mess U _mess

Mess-SpannungMeasuring voltage

U_s U _s

Schalt-SpannungSwitching voltage

U_stat U _stat

Fallen-GleichspannungFallen DC

Δφ₀ Δφ ₀

90°-Phasenverschiebung90 ° phase shift

ωω

Fallen-Wechselspannungs-WinkelfrequenzTrap AC angular frequency

Claims (7)

Verfahren zum Detektieren einer Mikrobewegung eines Ions (16) in einer Ionenfalle (12) mit den Schritten: (a) Bestrahlen des Ions (16) mit Anrege-Photonen, sodass das Ion (16) Photonen (24) emittiert, (b) Detektieren von Emissionsereignissen an emittierten Photonen (24) und (c) Ermitteln einer Korrelationsstärke zwischen einer Phasenlage einer Fallen-Wechselspannung (U₁₂), mit der die Ionenfalle (12) beaufschlagt wird, und einer zeitlichen Verteilung der Emissionsereignisse, wobei das Ermitteln der Korrelationsstärke die folgenden Schritte umfasst: (d) Umwandeln der Fallen-Wechselspannung (U₁₂) in ein Signal (U_s), das einen ersten Zustand (U_s,1) und einen zweiten Zustand (U_S,2) annehmen kann, (e) Erfassen einer ersten Zählrate (n₁) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal (U_S) den ersten Zustand (U_S,1) einnimmt, (f) Erfassen einer zweiten Zählrate (n₂) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal den zweiten Zustand (U_S,2) einnimmt, und (g) Ermitteln der Korrelationsstärke (K) aus den Zählraten (n₁, n₂), insbesondere aus ihrem Verhältnis (R = n₁/n₂) nach einer gewählten Integrations-/Mittelungszeit (T), gekennzeichnet durch die Schritte: (h) Verschieben des Signals (U_S) um eine Hilfs-Phasenverschiebung (Δφ₀), insbesondere um 90° ± 5°, sodass ein Hilfssignal (U_H) entsteht, das einen ersten Hilfssignal-Zustand (U_H,1) und einen zweiten Hilfssignal-Zustand (U_H,2) annehmen kann, (i) Erfassen einer ersten Hilfssignal-Zählrate (n_H1) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal (U_H) den ersten Hilfssignal-Zustand (U_H,1) einnimmt, (j) Erfassen einer zweiten Hilfssignal-Zählrate (n_H2) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal (U_H) den zweiten Hilfssignal-Zustand (U_H,2) einnimmt, und (k) Ermitteln der Korrelationsstärke (K) aus den Zählraten (n₁, n₂) und den Hilfssignal-Zählraten (n_H1, n_H2).Method for detecting a micromotion of an ion ( 16 ) in an ion trap ( 12 ) comprising the steps of: (a) irradiating the ion ( 16 ) with excitation photons, so that the ion ( 16 ) Photons ( 24 ), (b) detecting emission events on emitted photons ( 24 ) and (c) determining a correlation strength between a phase position of a falling AC voltage (U ₁₂ ), with which the ion trap ( 12 ), and a temporal distribution of the emission events, wherein the determination of the correlation strength comprises the steps of: (d) converting the trap AC voltage (U ₁₂ ) into a signal (U _s ) having a first state (U _{s, 1} ) and a second state (U _{S, 2} ), (e) detecting a first count rate (n ₁ ) of emission events that occur while the signal (U _S ) assumes the first state (U _{S, 1} ), ( f) detecting a second count rate (n ₂ ) of emission events occurring while the signal is in the second state (U _{S, 2} ), and (g) determining the correlation strength (K) from the count rates (n ₁ , n ₂ ) , in particular from its ratio (R = n ₁ / n ₂ ) after a selected integration / averaging time (T), characterized by the steps: (h) shifting the signal (U _S ) by an auxiliary phase shift (Δφ ₀ ), in particular by 90 ° ± 5 °, so that an auxiliary signal (U _H ) is formed, the first auxiliary signal to (U _{H, 1} ) and a second auxiliary signal state (U _{H, 2} ) can assume, (i) detecting a first auxiliary signal count rate (n _H1 ) of emission events occurring while the auxiliary signal (U _H ) is in the first auxiliary signal state (U _{H, 1} ), (j) detecting a second auxiliary signal count rate (n _H2 ) at emission events that occur while the auxiliary signal (U _H ) assumes the second auxiliary signal state (U _{H, 2} ), and (k) determining the correlation strength (K) from the count rates (n ₁ , n ₂ ) and Auxiliary signal count rates (n _H1 , n _H2 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Signal eine Schalt-Spannung (U_S), der erste Zustand eine erste Schalt-Spannung (U_S,1) und der zweite Zustand eine zweite Schalt-Spannung (U_S,2) ist und – das Erfassen der Zählraten (n₁, n₂) ein Umschalten mittels der Schalt-Spannung (U_S) umfasst.A method according to claim 1, characterized in that - the signal is a switching voltage (U _S ), the first state, a first switching voltage (U _{S, 1} ) and the second state, a second switching voltage (U _{S, 2} ) and detecting the count rates (n ₁ , n ₂ ) comprises switching by means of the switching voltage (U _S ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: Nachregeln einer Fallen-Gleichspannung (U_stat) zwecks Minimierung der Korrelationsstärke.Method according to one of the preceding claims, characterized by the step of readjusting a falling DC voltage (U _stat ) in order to minimize the correlation strength. Ionenfalle (12) mit (a) einer Ionenkammer (14) zum Aufnehmen eines Ions (16), (b) Fallen-Elektroden (18), (c) einem Photonendetektor (22) zum Erfassen von Emissionsereignissen an vom Ion (16) emittierten Photonen (24) und (d) einer Regelvorrichtung (28), die – mit dem Photonendetektor (22) verbunden ist und – ausgebildet ist zum automatischen Beaufschlagen der Fallen-Elektroden (18) mit einer Fallen-Wechselspannung (U₁₂) zum Halten des Ions (16) in der Ionenkammer (14), und – eine Umwandlungsschaltung (30) zum Umwandeln der Fallen-Wechselspannung (U₁₂) in ein Signal (U_S), das einen ersten Zustand (U_S,1) und einen zweiten Zustand (U_S,2) annehmen kann, und – eine Erfassungsvorrichtung (32) zum Erfassen einer ersten Zählrate (n₁) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal (U_S) den ersten Zustand (U_s,1) einnimmt, und einer zweiten Zählrate (n₂) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal (U_S) den zweiten Zustand (U_s,2) einnimmt, aufweist und die – ausgebildet ist zum Beaufschlagen zumindest einer der Fallen-Elektroden (18) oder einer Hilfselektrode (54) mit einer Fallen-Gleichspannung (U_stat) in Abhängigkeit von den Zählraten (n₁, n₂) bzw. der aus ihnen ermittelten Korrelationsstärke, dadurch gekennzeichnet, dass (e) die Regelvorrichtung (28) – einen Phasenschieber (42), insbesondere einen 90°-Phasenschieber (42), zum Erzeugen eines Hilfssignal (U_H), wobei das Hilfssignal (U_H) einen ersten Hilfssignal-Zustand (U_H,1) und einen zweiten Hilfssignal Zustand (U_H,2) annehmen kann, und – eine Hilfs-Erfassungsvorrichtung (40) zum Erfassen einer ersten Hilfssignal-Zählrate (n_H,1) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal (U_H) den ersten Zustand (U_H,1) einnimmt, und einer zweiten Hilfssignal-Zählrate (n_H,2) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Hilfssignal (U_H) den zweiten Zustand (n_H,2) einnimmt, aufweist und dass (f) die Regelvorrichtung (28) ausgebildet ist zum Beaufschlagen der Fallen-Elektroden (18) oder einer Hilfselektrode (54) mit einer Fallen-Gleichspannung (U_stat) in Abhängigkeit von den Zählraten (n₁, n₂) und Hilfs-Zählraten (n_H,1, n_H,2) bzw. der aus ihnen ermittelten Korrelationsstärke.Ion trap ( 12 ) with (a) an ion chamber ( 14 ) to record an ion ( 16 ), (b) trapping electrodes ( 18 ), (c) a photon detector ( 22 ) for detecting emission events from the ion ( 16 ) emitted photons ( 24 ) and (d) a control device ( 28 ), which - with the photon detector ( 22 ) is connected and - is designed for automatic loading of the trap electrodes ( 18 ) with a trap AC voltage (U ₁₂ ) for holding the ion ( 16 ) in the ion chamber ( 14 ), and - a conversion circuit ( 30 ) for converting the trap AC voltage (U ₁₂ ) into a signal (U _S ) that can assume a first state (U _{S, 1} ) and a second state (U _{S, 2} ), and - a detection device ( 32 ) for detecting a first count rate (n ₁ ) of emission events occurring while the signal (U _S ) is taking the first state (U _{s, 1} ) and a second count rate (n ₂ ) of emission events occurring while Signal (U _S ) assumes the second state (U _{s, 2} ), and - is formed for applying at least one of the trap electrodes ( 18 ) or an auxiliary electrode ( 54 ) with a falling DC voltage (U _stat ) as a function of the count rates (n ₁ , n ₂ ) or the correlation strength determined therefrom, characterized in that (e) the control device (U) 28 ) - a phase shifter ( 42 ), in particular a 90 ° phase shifter ( 42 ), for generating an auxiliary signal (U _H ), wherein the auxiliary signal (U _H ) can assume a first auxiliary signal state (U _{H, 1} ) and a second auxiliary signal state (U _{H, 2} ), and - an auxiliary detection device ( 40 ) for detecting a first auxiliary signal count rate (n _{H, 1} ) of emission events occurring while the auxiliary signal (U _H ) assumes the first state (U _{H, 1} ) and a second auxiliary signal count rate (n _{H, 2} ) emission events that occur while the auxiliary signal (U _H ) assumes the second state (n _{H, 2} ), and that (f) the control device ( 28 ) is configured to act on the trap electrodes ( 18 ) or an auxiliary electrode ( 54 ) with a falling DC voltage (U _stat ) as a function of the count rates (n ₁ , n ₂ ) and auxiliary count rates (n _{H, 1} , n _{H, 2} ) or the correlation strength determined from them. Ionenfalle (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Umwandlungsschaltung (30) ein Rechteckwellengenerator ist, der ausgebildet ist zum Erzeugen des Signals in Form einer Rechteckspannung, wobei der erste Zustand (U_S,1) einer ersten Spannung (U_S,1) entspricht und der zweite Zustand (U_S,2) einer zweiten Spannung entspricht, – der Photonendetektor (22) mit der Erfassungsvorrichtung (32) verbunden ist und – die Umwandlungsschaltung (30) mit der Erfassungsvorrichtung (32) verbunden ist.Ion trap ( 12 ) according to claim 4, characterized in that - the conversion circuit ( 30 ) Is a square wave generator, which is adapted to generate the signal in the form of a square wave voltage, wherein the first state (U _{S, 1)} of a first voltage (U _{S, 1)} and corresponds to the second state (U _{S, 2)} a second voltage corresponds to, - the photon detector ( 22 ) with the detection device ( 32 ) and - the conversion circuit ( 30 ) with the detection device ( 32 ) connected is. Ionenfalle (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, gekennzeichnet durch einen Kollektiv-Phasenschieber (44) zum simultanen Verschieben der Phase des Signals (U_s) und des Hilfssignals (U_H).Ion trap ( 12 ) according to one of claims 4 to 5, characterized by a collective phase shifter ( 44 ) for simultaneously shifting the phase of the signal (U _s ) and the auxiliary signal (U _H ). Atomuhr (10) mit einer Ionenfalle (12) mit (a) einer Ionenkammer (14) zum Aufnehmen eines Ions (16), (b) Fallen-Elektroden (18), (c) einem Photonendetektor (22) zum Erfassen von Emissionsereignissen an vom Ion (16) emittierten Photonen (24) und (d) einer Regelvorrichtung (28), die – mit dem Photonendetektor (22) verbunden ist und – ausgebildet ist zum automatischen Beaufschlagen der Fallen-Elektroden (18) mit einer Fallen-Wechselspannung (U₁₂) zum Halten des Ions (16) in der Ionenkammer (14), dadurch gekennzeichnet, dass (e) die Regelvorrichtung (28) – eine Umwandlungsschaltung (30) zum Umwandeln der Fallen-Wechselspannung (U₁₂) in ein Signal (U_S), das einen ersten Zustand (U_S,1) und einen zweiten Zustand (U_S,2) annehmen kann, und – eine Erfassungsvorrichtung (32) zum Erfassen einer ersten Zählrate (n₁) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal (U_S) den ersten Zustand (U_s,1) einnimmt, und einer zweiten Zählrate (n₂) an Emissionsereignissen, die geschehen, während das Signal (U_S) den zweiten Zustand (U_s,2) einnimmt, aufweist und die – ausgebildet ist zum Beaufschlagen zumindest einer der Fallen-Elektroden (18) oder einer Hilfselektrode (54) mit einer Fallen-Gleichspannung (U_stat) in Abhängigkeit von den Zählraten (n₁, n₂) oder der aus ihnen ermittelten Korrelationsstärke.Atomic clock ( 10 ) with an ion trap ( 12 ) with (a) an ion chamber ( 14 ) to record an ion ( 16 ), (b) trapping electrodes ( 18 ), (c) a photon detector ( 22 ) for detecting emission events from the ion ( 16 ) emitted photons ( 24 ) and (d) a control device ( 28 ), which - with the photon detector ( 22 ) is connected and - is designed for automatic loading of the trap electrodes ( 18 ) with a trap AC voltage (U ₁₂ ) for holding the ion ( 16 ) in the ion chamber ( 14 ), characterized in that (e) the control device ( 28 ) - a conversion circuit ( 30 ) for converting the trap AC voltage (U ₁₂ ) into a signal (U _S ) that can assume a first state (U _{S, 1} ) and a second state (U _{S, 2} ), and - a detection device ( 32 ) for detecting a first count rate (n ₁ ) of emission events occurring while the signal (U _S ) is in the first state (U _{s, 1} ), and a second count rate (n ₂ ) of emission events that occur while the signal (U _S ) occupies the second state (U _{s, 2} ), and that - is designed to apply at least one of the trap electrodes ( 18 ) or an auxiliary electrode ( 54 ) with a falling DC voltage (U _stat ) as a function of the count rates (n ₁ , n ₂ ) or the correlation strength determined from them.

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