Konu: İyon Tuzağı Nasıl Çalışır? Cuma Nis. 24, 2009 3:55 pm
iyon tuzağının temel parçası, içinde iyonlara bir elektrik kuvvetinin etki ettiği elektrik yüklü metal bir ku­tudur. Kutu, alt ve üstten çukur bakır kapaklarla ka­patılmış, kendi de bakırdan bir halkadır. Halka ve kapaklar, birbirlerine tam dokunmayacak biçimde yer­leştirilmişlerdir; böylece, farklı gerilimlerde tutulabilirler. Halkaya, bir artı( + ) elektrik gerilimi; kapaklara ise, bir eksi(—) elektrik gerilimi uygulayalım ve kutuya ko­nulmuş artı( + ) yüklü bir iyonun nasıl davranacağını inceleyelim. Artı gerilimdeki halka, iyonu, her doğrul­tudan, halka merkezine doğru iter ve iyonun yatay ha­reketini büyük ölçüde kısıtlar. Acaba iyonun düşey hareketi nasıldır? Eksi gerilimdeki kapaklardan biri iyo­nu yukarı çekerken, öbürü aşağı doğru çeker; iyon, halkanın tam merkezindeyken, bu etkiler birbirini den­geler, iyon, başlangıçta merkezden uzakta ise, kapak­lardan biri iyonu, öbürüne göre, çok az farkla da olsa, daha fazla çeker. Böylece iyon, merkezden yukarıya ya da aşağıya doğru gider; dolayısıyla, iyonun düşey konumu kararlı değildir. Öyleyse, neden kapaklara da, iyona itici birer kuvvet uygulayacakları biçimde, halkanınki ile aynı artı gerilimi uygulamayalım? Bu, iç böl­gesindeki bileşke elektrik alanının sıfır olduğu "Faraday kafesi"ne benzemektedir. Tek farkı, Faraday kafesin­de, yüzeyin her noktasının aynı gerilimde olmasına kar­şılık, iyon tuzağında, halka ve kapaklar farklı gerilimlerde tutulabilir. Halkaya ve kapaklara uygula­nan gerilimlerin işaretleri de kendi aralarında değiş to­kuş edilebilir. Bu durumda ise, iyonun hareketi düşey doğrultuda kısıtlanmış olur; yatay düzlemdeki hareketi ise, kararsızdır. iyon tuzağında kararlı bir hareket elde edebilmek için, Penning'in 1936'dave Paul'ün 1958'de önerdik­leri iki tür değişiklik yapılabilir. Penning'in önerisi, bir manyetik alandan yararlanmaktır. Gerçekten, tuzak dü­zeneğini, bir mıknatısın oluşturduğu düşey bir man­yetik alana yerleştirelim; kapaklara artı, halkaya ise, eksi birer elektrik gerilimi uygulayalım. Önceki tartış­malarımızdan, iyonun düşey doğrultuda hareket ede­meyeceğini biliyoruz. Acaba, iyonun yatay düzlemdeki hareketi nasıldır? Manyetik alanın varlığı, iyonun ya­tay düzlemde kalmasını sağlar; çünkü iyonun, man­yetik alanca belirlenen eksen etrafında daire biçiminde yörüngeler izlemesine neden olur. Bu da, elektrik kuv­vetlerinden gelen kararsızlığı dengeler. Böylece, Penning tuzağı, iyonu, uzayın üç doğrultusunda da kapatma amacımızı gerçekleştirmiş olur. Paul'ün önerisinde ise, yalnızca elektrik alanları kul­lanılır; yalnız bu kez, elektrik alanları, zamana bağlı olarak hızla değişirler. Bu durumda, iyonun hareketi, sabit elektrik alanları durumundakine benzer olarak incele­necektir: Önce, halka artı gerilimdeyken, kapaklar eksi gerilimde olsun. Gerilimler, zamanın fonksiyonu oldu­ğundan, başlangıçta merkezde bulunan iyon, merkez­den uzaklaşmaya başlayacaktır; bir süre sonra da, halka ve kapak gerilimlerinin işaretleri değiş tokuş olun­ca, halka eksi ve kapaklar artı gerilime geçeceklerin­den, iyon, kapakların itme etkisi ile merkeze gelerek, yatay doğrultuda uzaklaşmaya başlayacaktır. Yine ge­rilimlerin işareti değişecek, hareket düşey doğrultuya geçecek ve böyle sürüp gidecektir. Böylece de iyon, kutunun içindeki küçük bir bölgede hareket etmeye zorlanmış ya da tuzaklanamış olacaktır. Paul'ün yön­temi, Penning'inkinden daha uygundur; çünkü tuzaklanmış iyonların durdurulmasına da izin verir. Oysa, Paul'ün yöntemindeki daire biçimindeki hareket dur­durulamaz.
lyon tuzağı düzeneğinde yapılan bir deney, ardışık birçok işlemden oluşur. Nötr magnezyum atomla­rından oluşan ince bir atom demetinin, tuzağın hal­ka ve kapağı arasındaki dar aralıktan gönderilme­siyle başlanır. Atomlar, kutunun merkezine ulaşın­ca, alt kapakta açılmış bir delikten geçen bir elek­tron demetiyle bombardıman edildiklerinden, iyonlaşırlar. Tuzakta, birkaç iyon tutulduktan sonra, atom demeti de, elektron demeti de durdurulur. Sonra da, içerideki iyonlar, tuzağın halka ve kapak­ları arasındaki başka bir açıklıktan geçirilen bir laser demeti ile aydınlatılır. Üst kapakta açılmış bir delikten de, çok geliştirilmiş bir görüntüleme tek­niği ile, iyonların fotoğrah ya da ûlmi çekilebilir. Yal­nız, bu düzeneğin, çok iyi bir boşlukta (havası iyice boşaltılmış) bulunması gereklidir.