Ловушка Пеннинга

Цилиндрическая версия ловушки Пеннинга с открытыми торцевыми крышками для обеспечения осевого доступа. B обозначает магнитное поле, а E указывает на электрическое поле, используемое для хранения частиц в центре ловушки.

Ловушка Пеннинга — устройство для хранения заряженных частиц с помощью однородного магнитного поля и квадрупольного электрического поля . Чаще всего он встречается в физических науках и смежных областях исследований как инструмент для прецизионных измерений свойств ионов и стабильных субатомных частиц , таких как, например, масса, Выходы деления и коэффициенты выходов изомеров . Одним из первоначальных объектов исследования были так называемые атомы геония , которые представляют собой способ измерения магнитного момента электрона путем хранения одного электрона. Эти ловушки использовались при физической реализации квантовых вычислений и квантовой обработки информации путем захвата кубитов . Ловушки Пеннинга используются во многих лабораториях по всему миру, включая ЦЕРН , для хранения и исследования античастиц, таких как антипротоны . Основными преимуществами ловушек Пеннинга являются потенциально длительное время хранения и существование множества методов манипулирования и неразрушающего обнаружения хранящихся частиц. Это делает ловушки Пеннинга универсальными инструментами не только для исследования хранящихся частиц, но и для их отбора, подготовки или простого хранения.

История

Ловушка Пеннинга была названа в честь Ф.М. Пеннинга (1894–1953) Гансом Георгом Демельтом (1922–2017), который построил первую ловушку. Демельт черпал вдохновение из вакуумметра, созданного Ф.М. Пеннингом, в котором ток через разрядную трубку в магнитном поле пропорционален давлению. Цитата из автобиографии Х. Демельта:

Вид в разрезе гиперболической ловушки Пеннинга, использованной Демельтом, с обозначенными линиями электрического и магнитного поля.

«Я начал сосредотачиваться на геометрии разряда магнетрона/Пеннинга, которая в ионном датчике Пеннинга привлекла мой интерес уже в Геттингене и в Дьюке. В своей работе по циклотронному резонансу фотоэлектронов в вакууме в 1955 году Франкен и Либес сообщили о нежелательных сдвигах частоты. Их анализ позволил мне понять, что в чисто электрическом квадрупольном поле сдвиг не будет зависеть от положения электрона в ловушке. другие ловушки, которые я решил использовать. Магнетронная ловушка этого типа кратко обсуждалась в книге Дж. Р. Пирса 1949 года, и я разработал простое описание аксиального, магнетронного и циклотронного движения электрона в ней. Эксперт-стеклодув кафедры Джейк Джонсон, я построил свою первую магнетронную ловушку высокого вакуума в 1959 году и вскоре смог улавливать электроны в течение примерно 10 секунд и обнаруживать аксиальные, магнетронные и циклотронный резонанс ». – Х. Демельт

Х. Демельт получил Нобелевскую премию по физике в 1989 г. за разработку метода ионной ловушки.

Операция

В ловушках Пеннинга используется сильное однородное аксиальное магнитное поле для удержания частиц в радиальном направлении и квадрупольное электрическое поле для удержания частиц в осевом направлении. Статический электрический потенциал можно создать с помощью набора из трех электродов : кольца и двух торцевых колпачков. В идеальной ловушке Пеннинга кольцо и торцы представляют собой гиперболоиды вращения. Для улавливания положительных (отрицательных) ионов торцевые электроды поддерживают положительный (отрицательный) потенциал относительно кольца. Этот потенциал создает седловую точку в центре ловушки, которая захватывает ионы в осевом направлении. Электрическое поле заставляет ионы колебаться (гармонически в случае идеальной ловушки Пеннинга) вдоль оси ловушки. Магнитное поле в сочетании с электрическим полем заставляет заряженные частицы двигаться в радиальной плоскости с движением, описывающим эпитрохоиду .

Орбитальное движение ионов в радиальной плоскости состоит из двух мод на частотах, называемых магнетронными. $\omega _{-}$и модифицированный циклотрон $\omega _{+}$ частоты. Эти движения подобны деференту и эпициклу соответственно птолемеевской модели Солнечной системы.

Классическая траектория в радиальной плоскости для $\omega _{+}/\omega _{-}=8$

Сумма этих двух частот представляет собой циклотронную частоту, которая зависит только от отношения электрического заряда к массе и от силы магнитного поля . Эту частоту можно измерить очень точно и использовать для измерения массы заряженных частиц. Многие из самых точных измерений массы (массы электрона , протона , ² Х , ²⁰ Нет и ²⁸ Si ) происходят из ловушек Пеннинга.

Охлаждение буферным газом , резистивное охлаждение и лазерное охлаждение — это методы удаления энергии из ионов в ловушке Пеннинга. Охлаждение буферного газа основано на столкновениях между ионами и молекулами нейтрального газа, которые приближают энергию ионов к энергии молекул газа. При резистивном охлаждении заряды движущегося изображения в электродах совершают работу через внешний резистор, эффективно отводя энергию от ионов. Лазерное охлаждение можно использовать для отвода энергии от некоторых видов ионов в ловушках Пеннинга. Этот метод требует ионов с соответствующей электронной структурой . Радиационное охлаждение — это процесс, при котором ионы теряют энергию, создавая электромагнитные волны вследствие их ускорения в магнитном поле. Этот процесс доминирует при охлаждении электронов в ловушках Пеннинга, но очень мал и обычно пренебрежимо мал для более тяжелых частиц.

Использование ловушки Пеннинга может иметь преимущества перед радиочастотной ловушкой ( ловушкой Пола ). Во-первых, в ловушке Пеннинга применяются только статические поля, и поэтому микродвижение и результирующий нагрев ионов из-за динамических полей отсутствуют даже для протяженных 2- и 3-мерных ионных кулоновских кристаллов. Кроме того, ловушку Пеннинга можно увеличить, сохранив при этом сильный захват. Захваченный ион можно будет удерживать дальше от поверхностей электродов. Взаимодействие с патч-потенциалами на поверхностях электродов может быть ответственным за эффекты нагрева и декогеренции , и эти эффекты масштабируются как высокая степень обратного расстояния между ионом и электродом.

Масс-спектрометрия с преобразованием Фурье

Основная статья: Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье

ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье Масс-спектрометрия (также известная как масс-спектрометрия с преобразованием Фурье) - это тип масс-спектрометрии, используемый для определения отношения массы к заряду (m / z) ионов на основе циклотронной частоты ионов в фиксированное магнитное поле. Ионы улавливаются в ловушке Пеннинга, где они возбуждаются до большего циклотронного радиуса колеблющимся электрическим полем, перпендикулярным магнитному полю. Возбуждение также приводит к тому, что ионы движутся синфазно (в пакете). Сигнал детектируется как ток изображения на паре пластин, мимо которых проходит пакет ионов во время циклотрона. Результирующий сигнал называется спадом свободной индукции (fid), переходным процессом или интерферограммой, которая состоит из суперпозиции синусоидальных волн . Полезный сигнал извлекается из этих данных путем выполнения преобразования Фурье для получения масс-спектра .

Одиночные ионы можно исследовать в ловушке Пеннинга, выдерживаемой при температуре 4 К. Для этого кольцевой электрод сегментируют и противоположные электроды подключают к сверхпроводящей катушке, а также истоку и затвору полевого транзистора . Катушка и паразитные емкости контура образуют LC-цепь с добротностью около 50 000. LC-цепь возбуждается внешним электрическим импульсом. Сегментированные электроды связывают движение одиночного электрона с LC-цепью. Таким образом, энергия в LC-цепи, находящейся в резонансе с ионом, медленно колеблется между множеством электронов (10 000) в затворе полевого транзистора и одним электроном. Это можно обнаружить по сигналу на стоке полевого транзистора.

геония Атом

Атом геония — это псевдоатомная система, состоящая из одного электрона или иона, хранящегося в ловушке Пеннинга, которая «связана» с остальной Землей, отсюда и термин «геоний». Название было придумано Х. Г. Демельтом .

В типичном случае захваченная система состоит только из одной частицы или иона . Такая квантовая система определяется квантовыми состояниями одной частицы , как в атоме водорода . Водород состоит из двух частиц, ядра и электрона, но движение электрона относительно ядра эквивалентно движению одной частицы во внешнем поле, см. систему центра масс .

Свойства геония отличаются от типичного атома. Заряд совершает циклотронное движение вокруг оси ловушки и колеблется вдоль оси. Неоднородное магнитное «поле бутылки» применяется для измерения квантовых свойств методом «непрерывного Штерна-Герлаха ». Уровни энергии и g-фактор частицы можно измерить с высокой точностью. Ван Дейк и др. исследовал магнитное расщепление спектров геония в 1978 году и в 1987 году опубликовал высокоточные измерения электронного и позитронного g-фактора, которые ограничивали радиус электрона.

Одна частица

В ноябре 2017 года международная группа ученых изолировала одиночный протон в ловушке Пеннинга, чтобы измерить его магнитный момент с высочайшей на сегодняшний день точностью. Оказалось, что это 2,792 847 344 62 (82) ядерных магнетона . Значение CODATA 2018 соответствует этому.

В научной фантастике

Благодаря своей способности улавливать заряженные частицы исключительно с помощью электромагнитных сил, ловушки Пеннинга используются в научной фантастике как метод хранения больших количеств антивещества. В действительности для этого потребуется вакуум значительно более высокого качества, чем достижимый в настоящее время.

Внешние ссылки

• Нобелевская премия по физике 1989 г.
• Высокоточный масс-спектрометр с ловушкой Пеннинга SMILETRAP в Стокгольме, Швеция.
• Высокоточное определение массы нестабильных ядер с помощью масс-спектрометра с ловушкой Пеннинга в ISOLDE/CERN, Швейцария.
• Высокоточные измерения массы редких изотопов с использованием ловушек Пеннинга LEBIT и SIPT в Национальной сверхпроводниковой циклотронной лаборатории, США
• Высокоточные измерения массы короткоживущих изотопов с использованием ловушки ТИТАН Пеннинга в ТРИУМФ в Ванкувере, Канада.