Ловушка Пеннинга – Мальмберга

Ловушка Пеннинга-Мальмберга ( ловушка ПМ ), названная в честь Франса Пеннинга и Джона Мальмберга , представляет собой электромагнитное устройство, используемое для удержания большого количества заряженных частиц одного знака заряда. Большой интерес к ловушкам Пеннинга–Мальмберга (ПМ) обусловлен тем, что при большой плотности частиц и низкой температуре газ превращается в однокомпонентную плазму. Хотя удержание электрически нейтральной плазмы обычно затруднено, одновидовую плазму (пример ненейтральной плазмы ) можно удерживать в течение длительного времени в ловушках для твердых частиц. Они являются методом выбора для изучения множества плазменных явлений. Они также широко используются для удержания античастиц, таких как позитроны (т.е. антиэлектроны) и антипротоны , для использования в исследованиях свойств антивещества и взаимодействия античастиц с веществом.

Рис. 1. Принципиальная схема ловушки Пеннинга–Мальмберга, смещенной для удержания положительно заряженных частиц в наборе из трех цилиндрических металлических электродов (зеленого и синего). Благодаря заряду частиц существует радиальное электрическое поле , которое заставляет плазму вращаться вокруг направления магнитного поля с угловой скоростью ω _r . См. ссылку. и для подробностей.

Конструкция и эксплуатация

Схематическая конструкция ловушки для твердых частиц представлена ​​на рис. 1. Заряженные частицы одного знака заряда удерживаются в вакууме внутри электродной конструкции, состоящей из стопки полых металлических цилиндров. Однородное осевое магнитное поле $B$ применяется для подавления радиального движения позитронов, а на концевые электроды подается напряжение, чтобы предотвратить потерю частиц в направлении магнитного поля. Это похоже на устройство ловушки Пеннинга , но с расширенным удерживающим электродом для улавливания большого количества частиц (например, $N\geq 10^{10}$).

Такие ловушки известны своими хорошими удерживающими свойствами. Это связано с тем, что для достаточно сильного магнитного поля канонический момент импульса $L_{z}$ зарядового облака (т.е. включая угловой момент, обусловленный магнитным полем B) в направлении $z$ поля составляет примерно

$\quad L_{z}\approx -({\frac {m\omega _{c}}{2}}){\sum }_{j=1}^{N}r_{j}^{2},\qquad$ ( 1 )

где $r_{j}$ это радиальное положение $j$частица, $N$ - общее число частиц, а ${\omega _{c}}=eB/m$ — циклотронная частота с массой частицы m и зарядом e. Если система не имеет магнитной или электростатической асимметрии в плоскости, перпендикулярной $B$, на плазме нет моментов; таким образом $L_{z}$ постоянна, и плазма не может расширяться. Как обсуждается ниже, эта плазма расширяется из-за магнитной и/или электростатической асимметрии, которая, как полагают, возникает из-за несовершенства конструкции ловушки.

Ловушки для твердых частиц обычно заполняются с использованием источников заряженных частиц низкой энергии. В случае с электронами это можно сделать с помощью горячей нити накала или электронной пушки . Для позитронов можно использовать запечатанный радиоизотопный источник и «замедлитель» (последний используется для замедления позитронов до энергии электрон-вольт). Разработаны методы измерения длины, радиуса, температуры и плотности плазмы в ловушке, возбуждения плазменных волн и колебаний. Часто полезно сжимать плазму радиально, чтобы увеличить плотность плазмы и/или бороться с переносом, вызванным асимметрией. Этого можно добиться, приложив крутящий момент к плазме с помощью вращающихся электрических полей [так называемая техника «вращающейся стенки» (RW) ]. или, в случае ионной плазмы, с использованием лазерного света. С помощью этих методов можно добиться очень длительного заключения (часы или дни).

Охлаждение частиц часто необходимо для поддержания хорошего удержания (например, для уменьшения нагрева от крутящих моментов RW). Этого можно добиться разными способами, например, используя неупругие столкновения с молекулярными газами. или, в случае ионов, с помощью лазеров. В случае электронов или позитронов, если магнитное поле достаточно сильное, частицы будут охлаждаться циклотронным излучением .

История и использование

Удержание и свойства плазмы одного вида в ловушках для твердых частиц (которые сейчас известны как ловушки) были впервые изучены Джоном Мальмбергом и Джоном ДеГрасси. Было показано, что удержание превосходно по сравнению с удержанием нейтральной плазмы. Было также показано, что, хотя удержание и хорошее, оно не является идеальным и происходят потери частиц.

Ловушки Пеннинга – Мальмберга использовались для изучения различных механизмов транспорта. На рисунке 2 показано раннее исследование удержания в ловушке ТЧ в зависимости от фонового давления газообразного гелия . При более высоких давлениях перенос происходит за счет столкновений электронов и атомов, тогда как при более низких давлениях существует механизм потери частиц, не зависящий от давления. Было показано, что последний механизм («аномальный транспорт») обусловлен непреднамеренной магнитной и электростатической асимметрией и эффектами захваченных частиц. Есть свидетельства того, что удержание в ловушках ПМ улучшается, если главный удерживающий электрод (синий на рис. 1) заменяется серией коаксиальных цилиндров, смещенных для создания плавно изменяющейся потенциальной ямы («многокольцевая ловушка ПМ»).

Рис. 2. Время затухания $\tau _{m}$ центральной плотности чистой электронной плазмы в зависимости от давления гелия в магнитных полях (□) 0,07, (⋄) 0,02 и (○) 0,004 Тл. Адаптировано из ссылки.

Одна из плодотворных областей исследований связана с тем, что плазму в ловушках ТЧ можно использовать для моделирования динамики потоков невязкой двумерной жидкости. Ловушки ПМ также являются предпочтительным устройством для накопления и хранения античастиц, таких как позитроны и антипротоны. Удалось создать позитронную и антипротонную плазму. и изучить динамику электронно-лучевой позитронной плазмы.

Чистую ионную плазму можно охладить лазером до кристаллического состояния. Криогенная чисто ионная плазма используется для изучения квантовой запутанности . Ловушки ПМ также являются отличным источником холодных пучков позитронов. Они использовались для прецизионного исследования атомов позитрония (Ps) (связанное состояние позитрона и электрона, время жизни ≤ 0,1 мкс), а также для создания и изучения молекулы позитрония (Ps $_{2}$, $e^{+}e^{-}e^{+}e^{-}$). Недавно пучки позитронов на основе ФМ-ловушек были использованы для создания практических пучков атомов Ps.

Антиводород — связанное состояние антипротона и позитрона и простейшего антиатома. Вложенные ловушки ПМ (одна для антипротонов, другая для позитронов) сыграли центральную роль в успешных усилиях по созданию, улавливанию и сравнению свойств антиводорода со свойствами водорода. Плазма античастиц (и электронная плазма, используемая для охлаждения антипротонов) тщательно настраиваются с помощью ряда недавно разработанных методов оптимизации производства атомов антиводорода. Эти нейтральные антиатомы затем удерживаются в ловушке с минимальным магнитным полем.

См. также

• Ловушка Пеннинга