Ловушка Пеннинга — это устройство для хранения заряженных частиц с использованием однородного магнитного поля и квадрупольного электрического поля . Она в основном встречается в физических науках и смежных областях исследований как инструмент для точных измерений свойств ионов и стабильных субатомных частиц , таких как, например, масса, [1] выходы деления и изомерные отношения выхода . Одним из начальных объектов исследования были так называемые атомы геония, которые представляют собой способ измерения магнитного момента электрона путем хранения одного электрона. Эти ловушки использовались в 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 . [2] Основными преимуществами ловушек Пеннинга являются потенциально длительное время хранения и существование множества методов для манипулирования и неразрушающего обнаружения хранимых частиц. [3] [4] Это делает ловушки Пеннинга универсальными инструментами для исследования хранящихся частиц, а также для их отбора, подготовки или простого хранения.
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, построенного Ф. М. Пеннингом, в котором ток через разрядную трубку в магнитном поле пропорционален давлению. Цитата из автобиографии Х. Демельта: [5]
«Я начал сосредотачиваться на геометрии разряда магнетрона/Пеннинга, которая в ионном датчике Пеннинга привлекла мой интерес еще в Геттингене и Дьюке. В своей работе 1955 года по циклотронному резонансу фотоэлектронов в вакууме Франкен и Либес сообщили о нежелательных сдвигах частоты, вызванных случайным захватом электронов. Их анализ заставил меня понять, что в чистом электрическом квадрупольном поле сдвиг не будет зависеть от местоположения 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 аксиального, магнетронного и циклотронного движений электрона в ней. С помощью эксперта-стеклодува кафедры Джейка Джонсона я построил свою первую высоковакуумную магнетронную ловушку в 1959 году и вскоре смог захватывать электроны примерно на 10 секунд и обнаруживать аксиальный, магнетронный и циклотронный резонансы ». – Х. Демельт
Х. Демельт стал лауреатом Нобелевской премии по физике в 1989 году за разработку метода ионной ловушки.
Ловушки Пеннинга используют сильное однородное аксиальное магнитное поле для ограничения частиц в радиальном направлении и квадрупольное электрическое поле для ограничения частиц в аксиальном направлении. [6] Статический электрический потенциал может быть создан с помощью набора из трех электродов : кольца и двух торцевых крышек. В идеальной ловушке Пеннинга кольцо и торцевые крышки являются гиперболоидами вращения. Для улавливания положительных (отрицательных) ионов торцевые электроды поддерживаются под положительным (отрицательным) потенциалом относительно кольца. Этот потенциал создает седловую точку в центре ловушки, которая улавливает ионы вдоль аксиального направления. 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, которое описывает эпитрохоиду .
Орбитальное движение ионов в радиальной плоскости состоит из двух мод на частотах, которые называются магнетронной и модифицированной циклотронной частотами. Эти движения подобны деференту и эпициклу соответственно птолемеевой модели солнечной системы.
Сумма этих двух частот является циклотронной частотой, которая зависит только от отношения электрического заряда к массе и от силы магнитного поля . Эта частота может быть измерена очень точно и может быть использована для измерения масс заряженных частиц. Многие из самых точных измерений массы (массы электрона , протона , 2H , 20Ne и 28Si ) получены с помощью ловушек Пеннинга .
Охлаждение буферным газом , резистивное охлаждение и лазерное охлаждение — это методы удаления энергии из ионов в ловушке Пеннинга. Охлаждение буферным газом основано на столкновениях между ионами и нейтральными молекулами газа, которые приближают энергию ионов к энергии молекул газа. При резистивном охлаждении движущиеся заряды изображения в электродах заставляют выполнять работу через внешний резистор, эффективно удаляя энергию из ионов. Лазерное охлаждение может использоваться для удаления энергии из 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 своего ускорения в магнитном поле. Этот процесс доминирует в охлаждении электронов в ловушках Пеннинга, но он очень мал и обычно незначителен для более тяжелых частиц.
Использование ловушки Пеннинга может иметь преимущества по сравнению с радиочастотной ловушкой ( ловушкой Пола ). Во-первых, в ловушке Пеннинга применяются только статические поля, и поэтому нет микродвижения и результирующего нагрева ионов из-за динамических полей, даже для протяженных 2- и 3-мерных ионных кулоновских кристаллов. Кроме того, ловушку Пеннинга можно сделать больше, сохраняя при этом сильное удержание. Затем уловленный ион можно удерживать дальше от поверхностей электродов. Взаимодействие с потенциалами пятен на поверхностях электродов может быть ответственно за эффекты нагрева и декогеренции , и эти эффекты масштабируются как высокая степень обратного расстояния между ионом и электродом.
Масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса 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 фиксированном магнитном поле. [7] Ионы захватываются в ловушку Пеннинга, где они возбуждаются до большего циклотронного радиуса осциллирующим электрическим полем, перпендикулярным магнитному полю. Возбуждение также приводит к движению ионов в фазе (в пакете). Сигнал обнаруживается как ток изображения на паре пластин, мимо которых проходит пакет ионов, когда они циклотронны. 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 массового спектра .
Отдельные ионы можно исследовать в ловушке Пеннинга, поддерживаемой при температуре 4 К. Для этого кольцевой электрод сегментируется, а противоположные электроды подключаются к сверхпроводящей катушке и 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 отдельного электрона с LC-цепью. Таким образом, энергия в LC-цепи в резонансе с ионом медленно колеблется между множеством электронов (10000) в затворе полевого транзистора и отдельным электроном. Это можно обнаружить в сигнале на стоке полевого транзистора.
Атом геония — это псевдоатомная система, состоящая из одного электрона или иона, хранящегося в ловушке Пеннинга, которая «связана» с оставшейся Землей, отсюда и термин «геоний». [6] Название было придумано Х. Г. Демельтом . [8]
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 одной частице во внешнем поле, см. систему отсчета центра масс .
Свойства геония отличаются от свойств типичного атома. Заряд совершает циклотронное движение вокруг оси ловушки и колеблется вдоль оси. Неоднородное магнитное «поле бутылки» применяется для измерения квантовых свойств с помощью «непрерывной техники Штерна-Герлаха ». Уровни энергии и g-фактор частицы могут быть измерены с высокой точностью. [8] Ван Дайк и др. исследовали магнитное расщепление спектров геония в 1978 году и в 1987 году опубликовали высокоточные измерения g-факторов электронов и позитронов, которые ограничили радиус электрона. [ требуется ссылка ]
В ноябре 2017 года международная группа ученых изолировала один протон в ловушке Пеннинга, чтобы измерить его магнитный момент с самой высокой на сегодняшний день точностью. [9] Было обнаружено, что он2,792 847 344 62 (82) ядерных магнетонов . Значение CODATA 2018 соответствует этому. [10]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )