Ионная ловушка

Устройство для улавливания заряженных частиц

Ионная ловушка, используемая для точных измерений ионов радия внутри вакуумной камеры. Окружающие камеру смотровые окна позволяют направлять лазерный свет в ловушку.

Ионная ловушка — это комбинация электрических и/или магнитных полей, используемых для захвата заряженных частиц — известных как ионы — часто в системе, изолированной от внешней среды. Атомные и молекулярные ионные ловушки имеют ряд применений в физике и химии, таких как прецизионная масс-спектрометрия , улучшенные атомные стандарты частоты и квантовые вычисления . ^[1] По сравнению с нейтральными атомными ловушками, ионные ловушки имеют более глубокие потенциалы захвата (до нескольких электронвольт ), которые не зависят от внутренней электронной структуры захваченного иона. Это делает ионные ловушки более подходящими для изучения взаимодействия света с отдельными атомными системами. Два самых популярных типа ионных ловушек — это ловушка Пеннинга , которая формирует потенциал посредством комбинации статических электрических и магнитных полей, и ловушка Пауля , которая формирует потенциал посредством комбинации статических и осциллирующих электрических полей. ^[2]

Ловушки Пеннинга могут использоваться для точных магнитных измерений в спектроскопии. Исследования квантовой манипуляции состояниями чаще всего используют ловушку Пола. Это может привести к квантовому компьютеру с захваченными ионами ^[3] и уже использовалось для создания самых точных в мире атомных часов . ^{[4] [5]} Электронные пушки (устройство, испускающее высокоскоростные электроны, используемое в ЭЛТ ) могут использовать ионную ловушку для предотвращения деградации катода положительными ионами.

История

Физические принципы действия ионных ловушек были впервые исследованы Ф. М. Пеннингом (1894–1953), который наблюдал, что электроны, высвобождаемые катодом ионизационного вакуумметра, следуют по длинному циклоидальному пути к аноду в присутствии достаточно сильного магнитного поля. ^[6] Схема удержания заряженных частиц в трех измерениях без использования магнитных полей была разработана У. Полом на основе его работы с квадрупольными масс-спектрометрами .

Ионные ловушки использовались в телевизионных приемниках до появления алюминизированных поверхностей ЭЛТ примерно в 1958 году для защиты фосфорного экрана от ионов. ^[7] Ионная ловушка должна быть аккуратно отрегулирована для максимальной яркости. ^{[8] [9]}

Теория

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

Любая заряженная частица, такая как ион , испытывает силу от электрического или магнитного поля. Ионные ловушки работают, используя эту силу для ограничения ионов в небольшом изолированном объеме пространства, чтобы их можно было изучать или манипулировать ими. Хотя любое статическое (постоянное во времени) электромагнитное поле создает силу на ион, невозможно ограничить ион, используя только статическое электрическое поле. Это следствие теоремы Ирншоу . Однако у физиков есть различные способы обойти эту теорему, используя комбинации статических магнитных и электрических полей (как в ловушке Пеннинга ) или осциллирующее электрическое поле и статическое электрическое поле ( ловушка Пола ). Движение и ограничение ионов в ловушке обычно делится на аксиальную и радиальную компоненты, которые обычно рассматриваются отдельно различными полями. Как в ловушках Пола, так и в ловушках Пеннинга аксиальное движение ионов ограничивается статическим электрическим полем. Ловушки Пауля используют осциллирующее электрическое поле для радиального ограничения ионов, а ловушки Пеннинга создают радиальное ограничение с помощью статического магнитного поля.

Пол Трап

Ловушка Пауля, которая использует колеблющееся квадрупольное поле для захвата ионов радиально и статический потенциал для ограничения ионов аксиально. Квадрупольное поле реализуется четырьмя параллельными электродами, лежащими на оси -, расположенными в углах квадрата в -плоскости. Электроды, расположенные по диагонали друг напротив друга, соединены, и подается переменное напряжение. Используя уравнения Максвелла , электрическое поле, создаваемое этим потенциалом, является электрическим полем . Применяя второй закон Ньютона к иону с зарядом и массой в этом переменном электрическом поле, мы можем найти силу, действующую на ион, используя . Мы получаем ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle xy}$ ${\displaystyle V=V_{0}\cos(\Omega t)}$ ${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}\sin(\Omega t)}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle \mathbf {F} =e\mathbf {E} }$

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

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

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

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

где - константа интегрирования. Таким образом, ион колеблется с угловой частотой и амплитудой, пропорциональными напряженности электрического поля, и ограничен радиально. ${\displaystyle \mathbf {r} _{0}}$ ${\displaystyle \Omega }$

Работая конкретно с линейной ловушкой Пауля, мы можем написать более конкретные уравнения движения. Вдоль оси анализ радиальной симметрии дает потенциал ^[10] ${\displaystyle z}$

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

Константы и определяются граничными условиями на электродах и удовлетворяют уравнению Лапласа . Предполагая, что длина электродов намного больше расстояния между ними , можно показать, что ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \nabla ^{2}\phi =0}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r_{0}}$

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

Поскольку электрическое поле задается градиентом потенциала, получаем, что

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

Определяя , уравнения движения в плоскости являются упрощенной формой уравнения Матье , ${\displaystyle \tau =\Omega t/2}$ ${\displaystyle xy}$

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

Ловушка Пеннинга

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

Стандартная конфигурация ловушки Пеннинга состоит из кольцевого электрода и двух торцевых крышек. Статическая разность потенциалов между кольцом и торцевыми крышками удерживает ионы вдоль аксиального направления (между торцевыми крышками). Однако, как и ожидалось из теоремы Ирншоу , статического электрического потенциала недостаточно для удержания иона во всех трех измерениях. Для обеспечения радиального удержания применяется сильное аксиальное магнитное поле.

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

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

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

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

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

${\displaystyle z=0\!}$.

Результирующее движение представляет собой комбинацию колебательного движения вокруг оси с частотой и скорости дрейфа в направлении. Скорость дрейфа перпендикулярна направлению электрического поля. ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle \omega _{c}}$ ${\displaystyle y}$

Для радиального электрического поля, создаваемого электродами в ловушке Пеннинга, скорость дрейфа будет прецессировать вокруг осевого направления с некоторой частотой , называемой частотой магнетрона. Ион также будет иметь третью характерную частоту между двумя концевыми электродами. Частоты обычно имеют сильно различающиеся значения с . ^[11] ${\displaystyle \omega _{m}}$ ${\displaystyle \omega _{z}}$ ${\displaystyle \omega _{z}\ll \omega _{m}<\ll \omega _{c}}$

Масс-спектрометры с ионной ловушкой

Линейный компонент ионной ловушки масс-спектрометра

Масс-спектрометр с ионной ловушкой может включать ловушку Пеннинга ( ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье ), ^[12] ловушку Пола ^[13] или ловушку Кингдона . ^[14] Орбитрап , представленный в 2005 году, основан на ловушке Кингдона. ^[15] Другие типы масс-спектрометров также могут использовать линейную квадрупольную ионную ловушку в качестве селективного фильтра масс.

Ионная ловушка Пеннинга

Масс-спектрометр FTICR – пример прибора с ловушкой Пеннинга

Ловушка Пеннинга удерживает заряженные частицы, используя сильное однородное аксиальное магнитное поле для ограничения частиц радиально и квадрупольное электрическое поле для ограничения частиц аксиально. ^[16] Ловушки Пеннинга хорошо подходят для измерения свойств ионов и стабильных заряженных субатомных частиц . Прецизионные исследования магнитного момента электрона Демельтом и другими являются важной темой в современной физике.

Ловушки Пеннинга могут использоваться в квантовых вычислениях и квантовой обработке информации ^[17] и используются в ЦЕРНе для хранения антиматерии. Ловушки Пеннинга составляют основу Фурье-преобразования ионного циклотронного резонанса масс-спектрометрии для определения отношения массы к заряду ионов . ^[18]

Ловушка Пеннинга была изобретена Франсом Мишелем Пеннингом и Гансом Георгом Демельтом , которые построили первую ловушку в 1950-х годах. ^[19]

Ионная ловушка Пола

Принципиальная схема масс-спектрометра с ионной ловушкой, источником которой является электрораспылительная ионизация (ESI) и ионной ловушкой Пауля.

Ловушка Пауля — это тип квадрупольной ионной ловушки , которая использует статический постоянный ток (DC) и радиочастотные (RF) осциллирующие электрические поля для улавливания ионов. Ловушки Пауля обычно используются в качестве компонентов масс-спектрометра . Изобретение самой трехмерной квадрупольной ионной ловушки приписывается Вольфгангу Паулю , который разделил Нобелевскую премию по физике в 1989 году за эту работу. ^{[20] [21]} Ловушка состоит из двух гиперболических металлических электродов, фокусы которых обращены друг к другу, и гиперболического кольцевого электрода, расположенного посередине между двумя другими электродами. Ионы захватываются в пространстве между этими тремя электродами осциллирующими и статическими электрическими полями.

Ловушка Кингдона и орбитальная ловушка

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 радиальному логарифмическому потенциалу между электродами. ^[14] В ловушке Кингдона нет потенциального минимума для хранения ионов; однако они хранятся с конечным угловым моментом вокруг центральной проволоки, а приложенное электрическое поле в устройстве обеспечивает стабильность траекторий ионов. ^[22] В 1981 году Найт представил модифицированный внешний электрод, который включал аксиальный квадрупольный член, который удерживает ионы на оси ловушки. ^[23] Динамическая ловушка Кингдона имеет дополнительное переменное напряжение, которое использует сильную дефокусировку для постоянного хранения заряженных частиц. ^[24] Динамическая ловушка Кингдона не требует, чтобы захваченные ионы имели угловой момент относительно нити. Орбитрап — это модифицированная ловушка Кингдона, которая используется для масс-спектрометрии . Хотя эта идея была предложена и проведено компьютерное моделирование ^[25], ни конфигурации Кингдона, ни конфигурации Найта не давали масс-спектров, поскольку моделирование показало, что разрешающая способность масс будет проблематичной.

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, и квантовая информация может обрабатываться и передаваться посредством коллективного квантованного движения ионов, взаимодействующих посредством силы Кулона . Лазеры применяются для индуцирования связи между состояниями кубита (для операций с одним кубитом) или между внутренними состояниями кубита и внешними двигательными состояниями (для запутывания между кубитами).

Смотрите также

• Лазерное охлаждение
• Масс-спектрометрия
• Квантовый скачок

Ссылки

1. H. Häffner; CF Roos; R. Blatt (2008). «Квантовые вычисления с захваченными ионами». Physics Reports . 469 (4): 155–203. arXiv : 0809.4368 . Bibcode : 2008PhR...469..155H. doi : 10.1016/j.physrep.2008.09.003. S2CID  15918021.
2. D. Leibfried; R. Blatt; C. Monroe; D. Wineland (2003). «Квантовая динамика одиночных захваченных ионов». Reviews of Modern Physics . 75 (1): 281–324. Bibcode : 2003RvMP...75..281L. doi : 10.1103/RevModPhys.75.281.
3. R. Blatt; DJ Wineland (2008). "Запутанные состояния захваченных атомных ионов" (PDF) . Nature . 453 (7198): 1008–1014. Bibcode :2008Natur.453.1008B. doi :10.1038/nature07125. PMID  18563151. S2CID  316118.
4. T. Rosenband; DB Hume; PO Schmidt; CW Chou; A. Brusch; L. Lorini; WH Oskay; RE Drullinger; TM Fortier; JE Stalnaker; SA Diddams; WC Swann; NR Newbury; WM Itano; DJ Wineland; JC Bergquist (2008). "Отношение частот одноионных оптических часов Al+ и Hg+; метрология на 17-м десятичном месте" (PDF) . Science . 319 (5871): 1808–1812. Bibcode :2008Sci...319.1808R. doi :10.1126/science.1154622. PMID  18323415. S2CID  206511320.
5. SM Brewer; J.-S. Chen; AM Hankin; ER Clements; CW Chou; DJ Wineland; DB Hume; DR Leibrandt (2019). "Al+ Quantum-Logic Clock with a Systematic Uncertainty below 10^-18". Phys. Rev. Lett . 123 (3): 033201. arXiv : 1902.07694 . Bibcode : 2019PhRvL.123c3201B. doi : 10.1103/PhysRevLett.123.033201. PMID  31386450. S2CID  119075546.
6. Ф. М. Пеннинг (1936). «Die glimmentladung bei niedrigem druck zwischen koaxisen zylindern in einem axisen Magneticfeld». Физика . 3 (9): 873. дои : 10.1016/S0031-8914(36)80313-9.
7. Хартсон, Тед (2004). «Как мир изменил телевидение» (PDF) . Получено 13 октября 2008 г.
8. Магнит для ионных ловушек с электронно-лучевой трубкой
9. Ионная ловушка для электронно-лучевой трубки
10. Фут, Кристофер (2005). Атомная физика . Нью-Йорк: Oxford University Press. стр. 259. ISBN 0198506961.
11. Фут, Кристофер (2005). Атомная физика . Нью-Йорк: Oxford University Press. стр. 273. ISBN 0198506961.
12. Блаум, Клаус (2006). «Высокоточная масс-спектрометрия с сохраненными ионами». Physics Reports . 425 (1): 1–78. Bibcode : 2006PhR...425....1B. doi : 10.1016/j.physrep.2005.10.011.
13. Дуглас, DJ; Фрэнк, AJ; Мао, DM (2005). «Линейные ионные ловушки в масс-спектрометрии». Mass Spectrometry Reviews . 24 (1): 1–29. Bibcode : 2005MSRv...24....1D. doi : 10.1002/mas.20004. PMID  15389865.
14. Kingdon KH (1923). «Метод нейтрализации пространственного заряда электронов путем положительной ионизации при очень низких давлениях газа». Physical Review . 21 (4): 408–418. Bibcode : 1923PhRv...21..408K. doi : 10.1103/PhysRev.21.408.
15. Ху, QZ; Нолл, RJ; Ли, HY; Макаров, A; Хардман, M; Кукс, RG (2005). «Орбитрап: новый масс-спектрометр». Журнал масс-спектрометрии . 40 (4): 430–443. Bibcode : 2005JMSp...40..430H. doi : 10.1002/jms.856. PMID  15838939.
16. Brown, LS; Gabrielse, G. (1986). "Теория геония: физика одного электрона или иона в ловушке Пеннинга" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 58 (1): 233–311. Bibcode :1986RvMP...58..233B. doi :10.1103/RevModPhys.58.233. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-03-13 . Получено 2014-08-09 .
17. Хаффнер, Хартмут, Кристиан Ф. Роос и Райнер Блатт. «Квантовые вычисления с захваченными ионами». Physics Reports 469.4 (2008): 155–203.
18. Маршалл, АГ; Хендриксон, КЛ; Джексон, GS (1998). "Фурье-преобразование ионно-циклотронной резонансной масс-спектрометрии: учебник". Обзоры масс-спектрометрии . 17 (1): 1–35. doi :10.1002/(SICI)1098-2787(1998)17:1<1::AID-MAS1>3.0.CO;2-K. PMID  9768511.
19. "Hans G. Dehmelt – Biographical". Нобелевская премия. 1989. Получено 1 июня 2014 .
20. Пол В., Стейнведель Х. (1953). «Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld». RZeitschrift für Naturforschung A 8 (7): 448–450
21. DE 944900  "Verfahren zur Trennung bzw. zum getrennten Nachweis von Ionen verschiedener spezifischer Ladung", В. Пауль и Х. Штайнведель, подано 24 декабря 1953 г., приоритет 23 декабря 1953 г.
22. Major, Fouad G. (2005). Ловушки заряженных частиц: физика и методы поля заряженных частиц . Springer . ISBN 3-540-22043-7.
23. Найт, РД (1981). «Хранение ионов из лазерно-производимой плазмы». Applied Physics Letters . 38 (4): 221–223. Bibcode : 1981ApPhL..38..221K. doi : 10.1063/1.92315.
24. Блюмель, Р. (1995). "Динамическая ловушка Кингдона". Physical Review A. 51 ( 1): R30–R33. Bibcode : 1995PhRvA..51...30B. doi : 10.1103/PhysRevA.51.R30. PMID  9911663.
25. Оксман, Пентти (1995-01-10). "Времяпролетный масс-спектрометр с преобразованием Фурье. Расчетный подход SIMION". Международный журнал масс-спектрометрии и ионных процессов . 141 (1): 67–76. Bibcode : 1995IJMSI.141...67O. doi : 10.1016/0168-1176(94)04086-M.

Внешние ссылки

• VIAS Science Cartoons Необычный вид ионной ловушки...
• Пол ловушка