Электромагнитное устройство, используемое для удержания частиц одного знака заряда.
Ловушка Пеннинга-Мальмберга ( ловушка PM ), названная в честь Франса Пеннинга и Джона Малмберга , представляет собой электромагнитное устройство, используемое для удержания большого количества заряженных частиц одного знака заряда. Большой интерес к ловушкам Пеннинга-Мальмберга (PM) возникает из-за того, что если плотность частиц велика, а температура низкая, газ станет однокомпонентной плазмой. [1] В то время как удержание электрически нейтральной плазмы, как правило, затруднено, однокомпонентная плазма (пример ненейтральной плазмы ) может удерживаться в течение длительного времени в ловушках PM. Они являются методом выбора для изучения различных плазменных явлений. Они также широко используются для удержания античастиц, таких как позитроны (т. е. антиэлектроны) и антипротоны, для использования в исследованиях свойств антиматерии и взаимодействия античастиц с материей. [2]
Конструкция и эксплуатация
Схематическая конструкция ловушки ПМ показана на рис. 1. [1] [2] Заряженные частицы одного знака заряда удерживаются в вакууме внутри электродной структуры, состоящей из стопки полых металлических цилиндров. Прикладывается однородное аксиальное магнитное поле для подавления движения позитронов в радиальном направлении, а на концевые электроды накладываются напряжения для предотвращения потери частиц в направлении магнитного поля. Это похоже на расположение в ловушке Пеннинга , но с удлиненным удерживающим электродом для улавливания большого количества частиц (например, ).
Такие ловушки известны своими хорошими свойствами удержания. Это связано с тем, что при достаточно сильном магнитном поле канонический угловой момент зарядового облака (т.е. включая угловой момент, обусловленный магнитным полем B) в направлении поля приблизительно равен [3]
где — радиальное положение частицы th, — общее число частиц, — циклотронная частота , с массой частицы m и зарядом e. Если система не имеет магнитных или электростатических асимметрий в плоскости, перпендикулярной , то на плазме нет моментов сил; таким образом, является постоянным, и плазма не может расширяться. Как обсуждается ниже, эти плазмы расширяются из-за магнитных и/или электростатических асимметрий, которые, как считается, возникают из-за несовершенств конструкции ловушки.
Ловушки ПМ обычно заполняются с использованием источников заряженных частиц низкой энергии. В случае электронов это можно сделать с помощью горячей нити накала или электронной пушки . [4] Для позитронов можно использовать запечатанный радиоизотопный источник и «замедлитель» (последний используется для замедления позитронов до электрон-вольтных энергий). [2] Разработаны методы измерения длины, радиуса, температуры и плотности плазмы в ловушке, а также возбуждения плазменных волн и колебаний. [2] Часто бывает полезно сжимать плазму радиально, чтобы увеличить плотность плазмы и/или бороться с переносом, вызванным асимметрией. [5] Этого можно добиться, прикладывая крутящий момент к плазме с помощью вращающихся электрических полей [так называемая техника «вращающейся стенки» (RW) ], [6] [7] [8] или, в случае ионной плазмы, с помощью лазерного света. [9] С помощью этих методов можно достичь очень длительного времени удержания (часы или дни).
Охлаждение частиц часто необходимо для поддержания хорошего удержания (например, для смягчения нагрева от крутящих моментов RW). Это может быть достигнуто несколькими способами, например, с помощью неупругих столкновений с молекулярными газами, [2] или в случае ионов, с помощью лазеров. [9] [10] В случае электронов или позитронов, если магнитное поле достаточно сильное, частицы будут охлаждаться циклотронным излучением . [11]
История и использование
Удержание и свойства плазмы одного вида в (теперь известных как) ловушках PM впервые были изучены Джоном Малмбергом и Джоном ДеГрасси. [4] Было показано, что удержание превосходно по сравнению с удержанием нейтральной плазмы. Было также показано, что, хотя оно и хорошее, удержание не идеально, и есть потери частиц.
Ловушки Пеннинга-Малмберга использовались для изучения различных механизмов переноса. На рисунке 2 показано раннее исследование удержания в ловушке PM как функции фонового давления газообразного гелия . При более высоких давлениях перенос происходит из-за столкновений электронов с атомами, в то время как при более низких давлениях существует независимый от давления механизм потери частиц. Было показано, что последний механизм («аномальный перенос») обусловлен непреднамеренными магнитными и электростатическими асимметриями и эффектами захваченных частиц. [5] Имеются доказательства того, что удержание в ловушках PM улучшается, если основной удерживающий электрод (синий на рис. 1) заменяется серией коаксиальных цилиндров, смещенных для создания плавно изменяющейся потенциальной ямы («многокольцевая ловушка PM»). [12]
Одна плодотворная область исследований возникает из того факта, что плазма в ловушках ПМ может быть использована для моделирования динамики невязких двумерных потоков жидкости. [14] [15] [16] [17] Ловушки ПМ также являются предпочтительным устройством для накопления и хранения античастиц, таких как позитроны и антипротоны. [2] Удалось создать позитронную и антипротонную плазму [18] и изучить динамику электронно-лучевой позитронной плазмы. [19]
Чистая ионная плазма может быть охлаждена лазером до кристаллических состояний. [20] Криогенная чистая ионная плазма используется для изучения квантовой запутанности . [21] Ловушки ПМ также являются отличным источником для холодных позитронных пучков. Они использовались для точного изучения атомов позитрония (Ps) (связанное состояние позитрона и электрона, время жизни ≤ 0,1 мкс) и для создания и изучения молекулы позитрония (Ps , ). [22] [23] Недавно позитронные пучки на основе ловушек ПМ использовались для получения практических пучков атомов Ps. [24] [25] [26]
Антиводород — это связанное состояние антипротона и позитрона , а также простейший антиатом. Вложенные ловушки ПМ (одна для антипротонов и другая для позитронов) сыграли центральную роль в успешных попытках создания, захвата и сравнения свойств антиводорода со свойствами водорода. [27] [28] [29] Плазмы античастиц (и электронные плазмы, используемые для охлаждения антипротонов) тщательно настраиваются с помощью ряда недавно разработанных методов для оптимизации производства атомов антиводорода. [30] Затем эти нейтральные антиатомы заключаются в ловушку с минимальным магнитным полем. [31]
^ ab Dubin, Daniel HE; O'Neil, TM (1999). "Захваченные ненейтральные плазмы, жидкости и кристаллы (состояния теплового равновесия)". Reviews of Modern Physics . 71 (1): 87–172. Bibcode : 1999RvMP...71...87D. doi : 10.1103/RevModPhys.71.87. ISSN 0034-6861.
^ abcdefg Danielson, JR; Dubin, DHE; Greaves, RG; Surko, CM (2015). «Плазменные и ловушковые методы для науки с позитронами». Reviews of Modern Physics . 87 (1): 247–306. Bibcode : 2015RvMP...87..247D. doi : 10.1103/RevModPhys.87.247 . ISSN 0034-6861.
^ О'Нил, ТМ (1980). «Теорема ограничения для ненейтральной плазмы». Physics of Fluids . 23 (11): 2216–2218. Bibcode : 1980PhFl...23.2216O. doi : 10.1063/1.862904. ISSN 0031-9171.
^ Danielson, JR; Surko, CM (2006). "Радиальное сжатие и сбалансированные по крутящему моменту стационарные состояния однокомпонентной плазмы в ловушках Пеннинга–Малмберга". Physics of Plasmas . 13 (5): 055706. Bibcode : 2006PhPl...13e5706D. doi : 10.1063/1.2179410. ISSN 1070-664X.
^ ab Jelenković, BM; Newbury, AS; Bollinger, JJ; Itano, WM; Mitchell, TB (2003). "Симпатически охлажденная и сжатая позитронная плазма". Physical Review A. 67 ( 6): 063406. Bibcode : 2003PhRvA..67f3406J. doi : 10.1103/PhysRevA.67.063406. ISSN 1050-2947.
^ Боллинджер, Дж. Дж.; Уайнленд, Д. Дж.; Дубин, Дэниел Х. Э. (1994). «Ненейтральная ионная плазма и кристаллы, лазерное охлаждение и атомные часы*». Физика плазмы . 1 (5): 1403–1414. Bibcode : 1994PhPl....1.1403B. doi : 10.1063/1.870690. ISSN 1070-664X.
^ О'Нил, ТМ (1980). «Охлаждение чистой электронной плазмы циклотронным излучением». Physics of Fluids . 23 (4): 725–731. Bibcode : 1980PhFl...23..725O. doi : 10.1063/1.863044. ISSN 0031-9171.
^ Мохамед, Тарек (2009). «Экспериментальные исследования удержания электронной плазмы в многокольцевой ловушке». Plasma Devices and Operations . 17 (4): 250–256. Bibcode : 2009PlDO...17..250M. doi : 10.1080/10519990903043748. ISSN 1051-9998. S2CID 120949167.
^ Schecter, DA; Dubin, DHE; Fine, KS; Driscoll, CF (1999). «Вихревые кристаллы из двумерного потока Эйлера: эксперимент и моделирование». Physics of Fluids . 11 (4): 905–914. Bibcode : 1999PhFl...11..905S. doi : 10.1063/1.869961. ISSN 1070-6631.
^ Schecter, David A.; Dubin, Daniel HE (2001). «Теория и моделирование двумерного вихревого движения, вызванного фоновым градиентом завихренности». Physics of Fluids . 13 (6): 1704–1723. Bibcode : 2001PhFl...13.1704S. doi : 10.1063/1.1359763. ISSN 1070-6631.
^ Hurst, NC; Danielson, JR; Dubin, DHE; Surko, CM (2018). «Экспериментальное исследование устойчивости и динамики двумерного идеального вихря под действием внешней деформации». Journal of Fluid Mechanics . 848 : 256–287. Bibcode : 2018JFM...848..256H. doi : 10.1017/jfm.2018.311. ISSN 0022-1120. S2CID 125910068.
^ Мичишио, К.; Киари, Л.; Танака, Ф.; Ошима, Н.; Нагасима, И. (2019). «Высококачественная и настраиваемая по энергии система пучка позитрония, использующая позитронный пучок на основе ловушки». Обзор научных приборов . 90 (2): 023305. Bibcode : 2019RScI...90b3305M. doi : 10.1063/1.5060619. ISSN 0034-6748. PMID 30831693. S2CID 73497181.
^ Кэссиди, Дэвид Б. (2018). «Экспериментальный прогресс в физике позитрониевого лазера». The European Physical Journal D. 72 ( 3): 53. Bibcode : 2018EPJD...72...53C. doi : 10.1140/epjd/e2018-80721-y . ISSN 1434-6060.