Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Пеннинга ловушка представляет собой устройство для хранения заряженных частиц с использованием однородного осевого магнитного поля и неоднородную квадрупольного электрического поля . Этот вид ловушек особенно хорошо подходит для точных измерений свойств ионов и стабильных субатомных частиц . Атомы геония были созданы и изучены таким образом для измерения магнитного момента электрона. В последнее время эти ловушки использовались в физической реализации квантовых вычислений и обработки квантовой информации путем захвата кубитов . Ловушки Пеннинга используются во многих лабораториях по всему миру, в том числеЦЕРН для хранения антивещества, такого как антипротоны . [1]

Цилиндрическая версия ловушки Пеннинга с открытыми концами для пропускания потока

История [ править ]

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: [2]

«Я начал сосредотачиваться на геометрии разряда магнетрона / Пеннинга, которая в ионном датчике Пеннинга привлекла мой интерес уже в Геттингене и в Дьюке. В их циклотроне 1955 годаРабота по резонансу с фотоэлектронами в вакууме Франкен и Либес сообщили о нежелательных частотных сдвигах, вызванных случайным захватом электронов. Их анализ заставил меня понять, что в чистом электрическом квадрупольном поле сдвиг не будет зависеть от положения электрона в ловушке. Это важное преимущество перед многими другими ловушками, которые я решил использовать. Магнетронная ловушка этого типа кратко обсуждалась в книге Дж. Р. Пирса 1949 года, и я разработал простое описание осевого, магнетронного и циклотронного движений электрона в ней. С помощью опытного стеклодува отдела Джейка Джонсона я построил свою первую высоковакуумную магнетронную ловушку в 1959 году и вскоре смог улавливать электроны в течение примерно 10 секунд и регистрировать аксиальный, магнетронный и циклотронный резонансы . "- Х. Демельт

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

Операция [ править ]

Пеннинг Trap.svg

Ловушки Пеннинга используют сильное однородное осевое магнитное поле для удержания частиц в радиальном направлении и квадрупольное электрическое поле для удержания частиц в осевом направлении. [3] Статический электрический потенциал можно создать с помощью набора из трех электродов : кольца и двух заглушек. В идеальной ловушке Пеннинга кольцо и заглушки представляют собой гиперболоиды вращения. Для захвата положительных (отрицательных) ионов на торцевых электродах поддерживается положительный (отрицательный) потенциал по отношению к кольцу. Этот потенциал создает седловую точкув центре ловушки, захватывающей ионы в осевом направлении. Электрическое поле заставляет ионы колебаться (гармонично в случае идеальной ловушки Пеннинга) вдоль оси ловушки. Магнитное поле в сочетании с электрическим полем заставляет заряженные частицы двигаться в радиальной плоскости с движением, которое отслеживает эпитрохоиду .

Орбитальное движение ионов в радиальной плоскости состоит из двух мод на частотах, которые называются магнетронной и модифицированной циклотронной частотами. Эти движения похожи на деферент и эпицикл , соответственно, модели Солнечной системы Птолемея .

Классическая траектория в радиальной плоскости для

Сумма этих двух частот составляет циклотронную частоту, которая зависит только от отношения электрического заряда к массе и от силы магнитного поля . Эта частота может быть измерена очень точно и может использоваться для измерения масс заряженных частиц. Многие из высокоточных измерений массы (массы электрона , протона , 2 H , 20 Ne и 28 Si ) производятся ловушками Пеннинга.

Охлаждение буферного газа , резистивное охлаждение и лазерное охлаждение - это методы отвода энергии от 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 движущихся изображений в электродах заставляют работать через внешний резистор, эффективно снимая энергию с ионов. Лазерное охлаждение можно использовать для отвода энергии от некоторых видов ионов в ловушках Пеннинга. Для этого метода требуются ионы с соответствующей электронной структурой . Радиационное охлаждение - это процесс, при котором ионы теряют энергию, создавая электромагнитные волны.в силу их ускорения в магнитном поле. Этот процесс преобладает над охлаждением электронов в ловушках Пеннинга, но очень мал и обычно незначителен для более тяжелых частиц.

Использование ловушки Пеннинга может иметь преимущества перед радиочастотной ловушкой ( ловушка Пола ). Во-первых, в ловушке Пеннинга применяются только статические поля, 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, сохраняя при этом надежную ловушку. После этого захваченный ион можно удерживать подальше от поверхностей электродов. Взаимодействие с патч-потенциалами на поверхностях электродов может быть причиной эффектов нагрева и декогеренции, и эти эффекты масштабируются как высокая степень обратного расстояния между ионом и электродом.

Масс-спектрометрия с преобразованием Фурье [ править ]

Основная статья: ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье

Масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье (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 фиксированной магнитное поле. [4]Ионы попадают в ловушку Пеннинга, где они возбуждаются на больший циклотронный радиус осциллирующим электрическим полем, перпендикулярным магнитному полю. Возбуждение также приводит к движению ионов синфазно (пакетом). Сигнал обнаруживается как ток изображения на паре пластин, через которые пакет ионов проходит близко к циклотрону. Результирующий сигнал называется спадом свободной индукции (fid), переходным процессом или интерферограммой, которая состоит из суперпозиции синусоидальных волн . Полезный сигнал извлекается из этих данных путем преобразования Фурье для получения масс-спектра .

Отдельные ионы можно исследовать в ловушке Пеннинга, удерживаемой при температуре 4 К. Для этого кольцевой электрод сегментирован, а противоположные электроды подключены к сверхпроводящей катушке, истоку и затвору полевого транзистора . Катушка и паразитные емкости цепи образуют LC-цепь с добротностью около 50 000. LC-цепь возбуждается внешним электрическим импульсом. Сегментированные электроды связывают движение одиночного электрона с LC-контуром. Таким образом, энергия в LC-контуре, находящемся в резонансе с ионом, медленно колеблется между множеством электронов (10000) в затворе полевого транзистора и одиночным электроном. Это можно обнаружить по сигналу на стоке полевого транзистора.

Атом геония [ править ]

Атом кий геония , названный так потому , что она связана с землей, является псевдо-атомной системой созданы в ловушке Пеннинга, полезно для измерения основных параметров частиц. [5]

В простейшем 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 координат центра масс .

Свойства геония отличаются от обычного атома. Заряд совершает циклотронное движение вокруг оси ловушки и колеблется вдоль оси. Неоднородное магнитное «бутылочное поле» применяется для измерения квантовых свойств методом «непрерывного Штерна-Герлаха ». Уровни энергии и g-фактор частицы можно измерить с высокой точностью. [6] Ван Дайк младший и др. исследовал магнитное расщепление спектров геония в 1978 году, а в 1987 году опубликовал высокоточные измерения g-факторов электронов и позитронов, которые ограничивали радиус электрона.

Одиночная частица [ править ]

В ноябре 2017 года международная группа ученых изолировала один протон в ловушке Пеннинга, чтобы измерить его магнитный момент с наивысшей на сегодняшний день точностью. [7] Было обнаружено, что2.792 847 344 62 (82)  ядерных магнетона . Значение CODATA 2018 соответствует этому. [8]

В научной фантастике [ править ]

Из-за их способности улавливать заряженные частицы исключительно с помощью электромагнитных сил, ловушки Пеннинга используются в научной фантастике как способ хранения больших количеств антивещества. В действительности для этого потребуется вакуум значительно более высокого качества, чем это возможно в настоящее время.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Ловушка Пеннинга | Эксперимент АЛЬФА" . alpha.web.cern.ch . Дата обращения 5 марта 2019 .
  2. ^ "Ганс Г. Демельт - Биографический" . Нобелевская премия. 1989 . Проверено 1 июня 2014 года .
  3. ^ Браун, LS; Габриэльс, Г. (1986). «Теория геония: физика отдельного электрона или иона в ловушке Пеннинга» (PDF) . Обзоры современной физики . 58 : 233. Bibcode : 1986RvMP ... 58..233B . DOI : 10.1103 / RevModPhys.58.233 . Архивировано из оригинального (PDF) 13 марта 2017 года . Проверено 1 мая 2014 .
  4. ^ Маршалл, AG; Хендриксон, CL; Джексон, Г.С., масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: праймер. Масс-спектрометр. Ред. 17 , 1-35.
  5. ^ Браун, LS; Габриэльс, Г. (1986). «Теория геония: физика отдельного электрона или иона в ловушке Пеннинга» (PDF) . Обзоры современной физики . 58 : 233. Bibcode : 1986RvMP ... 58..233B . DOI : 10.1103 / RevModPhys.58.233 . Архивировано из оригинального (PDF) 13 марта 2017 года . Проверено 1 мая 2014 .
  6. ^ Демельт, Ганс (1988). «Одиночная атомная частица, вечно плавающая в свободном пространстве: новое значение радиуса электрона». Physica Scripta . T22 : 102–110. Bibcode : 1988PhST ... 22..102D . DOI : 10.1088 / 0031-8949 / 1988 / T22 / 016 .
  7. ^ Шнайдер, Георг; Моузер, Андреас; Бохман, Мэтью; и другие. (2017). «Измерение магнитного момента протона с помощью двойной ловушки с точностью 0,3 частей на миллиард» . Наука . 358 (6366): 1081–1084. Bibcode : 2017Sci ... 358.1081S . DOI : 10.1126 / science.aan0207 . PMID 29170238 . 
  8. ^ «2018 CODATA Value: отношение магнитного момента протона к ядерному магнетону» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Проверено 19 апреля 2020 .

Внешние ссылки [ править ]

  • 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 помощью ловушек Пеннинга LEBIT и SIPT в Национальной сверхпроводящей циклотронной лаборатории, США
  • Высокоточные измерения массы короткоживущих изотопов с помощью ловушки Пеннинга TITAN в TRIUMF в Ванкувере, Канада