Ионная ловушка

Эта статья об ионах газовой фазы. Информацию об ионах в клетках см. в разделе «Захват ионов» .

Ионная ловушка, используемая для прецизионных измерений ионов радия, внутри вакуумной камеры. Смотровые окна, окружающие камеру, позволяют направлять лазерный свет на ловушку.

Ионная ловушка представляет собой комбинацию электрических и/или магнитных полей, используемых для захвата заряженных частиц, известных как ионы , часто в системе, изолированной от внешней среды. Ловушки атомных и молекулярных ионов имеют ряд применений в физике и химии, таких как прецизионная масс-спектрометрия , улучшенные атомные стандарты частоты и квантовые вычисления . По сравнению с ловушками нейтральных атомов ионные ловушки имеют более глубокие потенциалы захвата (до нескольких электронвольт ), не зависящие от внутренней электронной структуры захваченного иона. Это делает ионные ловушки более подходящими для изучения взаимодействия света с одноатомными системами. Двумя наиболее популярными типами ионных ловушек являются ловушка Пеннинга , которая формирует потенциал за счет комбинации статического электрического и магнитного полей, и ловушка Пола , которая формирует потенциал за счет комбинации статических и осциллирующих электрических полей.

Ловушки Пеннинга можно использовать для точных магнитных измерений в спектроскопии. В исследованиях манипулирования квантовыми состояниями чаще всего используется ловушка Пола. Это может привести к созданию квантового компьютера с захваченными ионами и уже использовался для создания самых точных в мире атомных часов . Электронные пушки (устройство, испускающее высокоскоростные электроны, используемое в ЭЛТ ) могут использовать ионную ловушку для предотвращения разрушения катода положительными ионами.

История

Физические принципы ионных ловушек были впервые исследованы Ф. М. Пеннингом (1894–1953), который заметил, что электроны, высвобождаемые катодом ионизационного вакуумметра, следуют по длинному циклоидальному пути к аноду в присутствии достаточно сильного магнитного поля. Схема удержания заряженных частиц в трёх измерениях без использования магнитных полей была разработана У. Паулем на основе его работ с квадрупольными масс-спектрометрами .

Ионные ловушки использовались в телевизионных приемниках до появления алюминизированных поверхностей ЭЛТ примерно в 1958 году для защиты люминофорного экрана от ионов. Ионную ловушку необходимо тщательно настроить на максимальную яркость.

Теория

Захваченный ион с осями движения. Ион показан с радиальными удерживающими электродами линейной ловушки Пауля . Осевое движение (красная стрелка) параллельно радиальным электродам, а радиальное движение происходит в плоскости, указанной зелеными стрелками. В ловушке Пауля осевое движение ограничивается статическим полем, а радиальное движение — осциллирующим полем. В ловушке Пеннинга осевое движение ограничивается статическим электрическим полем, а радиальное движение — статическим магнитным полем.

Любая заряженная частица, например ион , ощущает силу электрического или магнитного поля. Ионные ловушки используют эту силу для удержания ионов в небольшом изолированном объеме пространства, чтобы их можно было изучать или манипулировать ими. Хотя любое статическое (постоянное во времени) электромагнитное поле создает силу, действующую на ион, невозможно удержать ион, используя только статическое электрическое поле. Это следствие теоремы Эрншоу . Однако у физиков есть различные способы обойти эту теорему, используя комбинации статических магнитных и электрических полей (как в ловушке Пеннинга ) или с помощью колеблющегося электрического поля и статического электрического поля ( ловушка Пола ). Движение и удержание ионов в ловушке обычно разделяют на осевые и радиальные компоненты, которые обычно рассматриваются отдельно в разных полях. Как в ловушках Пауля, так и в ловушках Пеннинга аксиальное движение ионов ограничивается статическим электрическим полем. Ловушки Пола используют колеблющееся электрическое поле для радиального удержания ионов, а ловушки Пеннинга генерируют радиальное удержание статическим магнитным полем.

Пол Трэп

Ловушка Пола, в которой используется колеблющееся квадрупольное поле для захвата ионов радиально и статический потенциал для удержания ионов в осевом направлении. Квадрупольное поле реализуется четырьмя параллельными электродами, расположенными в $z$-ось, расположенная в углах квадрата в $xy$-самолет. Электроды, расположенные по диагонали друг напротив друга, подключают и подают переменное напряжение. $V=V_{0}\cos(\Omega t)$ применяется. Используя уравнения Максвелла , электрическое поле, создаваемое этим потенциалом, представляет собой электрическое поле. $\mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}\sin(\Omega t)$. Применение второго закона Ньютона к иону с зарядом $e$ и масса $M$ в этом переменном электрическом поле мы можем найти силу, действующую на ион, используя $\mathbf {F} =e\mathbf {E}$. Мы заканчиваем с

$M\mathbf {\ddot {r}} =e\mathbf {E} _{0}\sin(\Omega t)\!$ .

Предполагая, что ион имеет нулевую начальную скорость, два последовательных интегрирования дают скорость и смещение как

$\mathbf {\dot {r}} ={\frac {e\mathbf {E} _{0}}{M\Omega }}\cos(\Omega t)\!$ ,

$\mathbf {r} =\mathbf {r} _{0}-{\frac {e\mathbf {E} _{0}}{M\Omega ^{2}}}\sin(\Omega t)\!$ ,

где $\mathbf {r} _{0}$ является константой интегрирования. Таким образом, ион колеблется с угловой частотой $\Omega$ амплитуда пропорциональна напряженности электрического поля и ограничена радиально.

Работая конкретно с линейной ловушкой Пауля, мы можем написать более конкретные уравнения движения. Вдоль $z$-ось, анализ радиальной симметрии дает потенциал

$\phi =\alpha +\beta (x^{2}-y^{2})\!$ .

Константы $\alpha$ и $\beta$ определяются граничными условиями на электродах и $\phi$ удовлетворяет уравнению Лапласа $\nabla ^{2}\phi =0$. Учитывая длину электродов $r$ гораздо больше, чем их разделение $r_{0}$, можно показать, что

$\phi =\phi _{0}+{\frac {V_{0}}{2r_{0}^{2}}}\cos(\Omega t)(x^{2}-y^{2})\!$ .

Поскольку электрическое поле задается градиентом потенциала, получаем, что

$\mathbf {E} =-{\frac {V_{0}}{r_{0}^{2}}}\cos(\Omega t)(x\mathbf {\hat {e}} _{x}-y\mathbf {\hat {e}} _{y})\!$ .

Определение $\tau =\Omega t/2$, уравнения движения в $xy$-плоскость представляют собой упрощенную форму уравнения Матье ,

${\frac {d^{2}x_{i}}{d\tau ^{2}}}=-{\frac {4eV_{0}}{Mr_{0}^{2}\Omega ^{2}}}\cos(2\tau )x_{i}\!$ .

Ловушка Пеннинга

Радиальная траектория иона в ловушке Пеннинга; отношение циклотронной частоты к частоте магнетрона равно $\omega _{c}/\omega _{m}=10/1$.

Стандартная конфигурация ловушки Пеннинга состоит из кольцевого электрода и двух торцевых крышек. Статический перепад напряжения между кольцом и торцевыми крышками удерживает ионы в осевом направлении (между торцевыми крышками). Однако, как и ожидалось из теоремы Эрншоу , статического электрического потенциала недостаточно для захвата иона во всех трех измерениях. Для обеспечения радиального удержания применяется сильное аксиальное магнитное поле.

Для однородного электрического поля $\mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}$, сила $\mathbf {F} =e\mathbf {E}$ ускоряет положительно заряженный ион вдоль $x$-ось. Для однородного магнитного поля $\mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}$, сила Лоренца заставляет ион двигаться по кругу с циклотронной частотой

$\omega _{c}={\frac {eB}{M}}\!$ .

Предположим, что ион с нулевой начальной скоростью помещен в область с $\mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}$ и $\mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}$, уравнения движения имеют вид

$x={\frac {E}{\omega _{c}B}}(1-\cos(\omega _{c}t))\!$ ,

$y=-{\frac {E}{\omega _{c}B}}(\omega _{c}t-\sin(\omega _{c}t))\!$ ,

$z=0\!$ .

Результирующее движение представляет собой комбинацию колебательных движений вокруг $z$-ось с частотой $\omega _{c}$ и скорость дрейфа в $y$-направление. Скорость дрейфа перпендикулярна направлению электрического поля.

Для радиального электрического поля, создаваемого электродами в ловушке Пеннинга, скорость дрейфа будет прецессировать вокруг осевого направления с некоторой частотой $\omega _{m}$, называемая частотой магнетрона. Ион также будет иметь третью характеристическую частоту. $\omega _{z}$ между двумя концевыми электродами. Частоты обычно имеют сильно различающиеся значения с $\omega _{z}\ll \omega _{m}<\ll \omega _{c}$.

ловушкой

Компонент линейной ионной ловушки масс-спектрометра

с ионной ловушкой Масс-спектрометр может включать ловушку Пеннинга ( ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье ), Пол лестницы или ловушка Кингдона . , Орбитальная ловушка представленная в 2005 году, основана на ловушке Кингдона. Другие типы масс-спектрометров также могут использовать линейную квадрупольную ионную ловушку в качестве селективного масс-фильтра.

ловушка

Масс-спектрометр FTICR - пример ловушки Пеннинга.

Ловушка Пеннинга удерживает заряженные частицы, используя сильное однородное аксиальное магнитное поле для удержания частиц в радиальном направлении и квадрупольное электрическое поле для удержания частиц в осевом направлении. Ловушки Пеннинга хорошо подходят для измерения свойств ионов и стабильно заряженных субатомных частиц . Прецизионные исследования магнитного момента электрона Демельтом и другими являются важной темой современной физики.

Ловушки Пеннинга можно использовать в квантовых вычислениях и квантовой обработке информации. и используются в ЦЕРНе для хранения антиматерии. Ловушки Пеннинга составляют основу -спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье для определения отношения массы к заряду ионов масс .

Ловушка Пеннинга была изобретена Франсом Мишелем Пеннингом и Хансом Георгом Демельтом , которые построили первую ловушку в 1950-х годах.

Ионная ловушка Пола

Принципиальная схема масс-спектрометра с ионной ловушкой с источником ионизации электрораспылением (ESI) и ионной ловушкой Пауля.

Ловушка Пола — это тип квадрупольной ионной ловушки используются статический постоянный ток (DC) и радиочастотные (RF) колеблющиеся электрические поля , в которой для улавливания ионов . Ловушки Пауля обычно используются в качестве компонентов масс-спектрометра . Само изобретение трехмерной квадрупольной ионной ловушки приписывают Вольфгангу Паулю, получившему за эту работу Нобелевскую премию по физике в 1989 году. Ловушка состоит из двух гиперболических металлических электродов, фокусами которых обращены друг к другу, и гиперболического кольцевого электрода, расположенного посередине между двумя другими электродами. Ионы улавливаются в пространстве между этими тремя электродами осциллирующими и статическими электрическими полями.

Ловушка Кингдона

Частичный разрез масс-анализатора Orbitrap - пример ловушки Кингдона.

Ловушка Кингдона состоит из тонкой центральной проволоки, внешнего цилиндрического электрода и изолированных торцевых электродов на обоих концах. Статическое приложенное напряжение приводит к возникновению радиального логарифмического потенциала между электродами. В ловушке Кингдона нет потенциального минимума для хранения ионов; однако они сохраняются с конечным угловым моментом вокруг центрального провода, а приложенное электрическое поле в устройстве обеспечивает стабильность траекторий ионов. В 1981 году Найт представил модифицированный внешний электрод, который включал аксиальный квадрупольный член, удерживающий ионы на оси ловушки. Динамическая ловушка Кингдона имеет дополнительное переменное напряжение, которое использует сильную дефокусировку для постоянного хранения заряженных частиц. Динамическая ловушка Кингдона не требует, чтобы захваченные ионы имели угловой момент относительно нити. Орбитальная ловушка — это модифицированная ловушка Кингдона, используемая для масс-спектрометрии . Хотя идея была предложена и проведено компьютерное моделирование. Сообщалось, что ни конфигурация Кингдона, ни конфигурация Найта не дают массовых спектров, поскольку моделирование показало, что разрешающая способность по массе будет проблематичной.

Квантовый компьютер

Основная статья: Квантовый компьютер с захваченными ионами

Некоторые экспериментальные работы по разработке квантовых компьютеров используют захваченные ионы . Единицы квантовой информации, называемые кубитами, хранятся в стабильных электронных состояниях каждого иона, а квантовая информация может обрабатываться и передаваться посредством коллективного квантованного движения ионов, взаимодействующих силой Кулона . Лазеры применяются для создания связи между состояниями кубита (для операций с одним кубитом) или между внутренними состояниями кубита и внешними двигательными состояниями (для запутывания между кубитами).

См. также

• Лазерное охлаждение
• Масс-спектрометрия
• Квантовый скачок

Внешние ссылки

• Научные мультфильмы VIAS Необычный вид ионной ловушки...
• Пол лестницы