Penning trap - Penning trap

Penning past je zařízení pro ukládání nabitých částic za použití homogenní axiální magnetické pole a nehomogenní kvadrupólové elektrické pole . Tento druh lapače je zvláště vhodný pro přesné měření vlastností iontů a stabilních subatomárních částic , jako je například hmotnost, výtěžky štěpení a poměry výtěžku izomerů . Dalším příkladem jsou atomy geonia , které byly vytvořeny a studovány tímto způsobem, pro měření elektronového magnetického momentu. V poslední době se tyto pasti používají při fyzické realizaci kvantových výpočtů a zpracování kvantových informací chycením qubits . Penning pasti se používají v mnoha laboratořích po celém světě, včetně CERN , k uchovávání antihmoty, jako jsou antiprotony .

Válcová verze Penningova sifonu s otevřenými konci umožňujícími průtok

Dějiny

Penningova past byla pojmenována po FM Penningovi (1894–1953) Hansem Georgem Dehmeltem (1922–2017), který postavil první past. Dehmelt se inspiroval vakuovým měřidlem postaveným společností FM Penning, kde je proud přes výbojku v magnetickém poli úměrný tlaku. Citace z autobiografie H. Dehmelta:

„Začal jsem se soustředit na magnetronovou/Penningovu výbojovou geometrii, která mě na Penningově iontovém měřidle zaujala už v Göttingenu a u Duka. V jejich práci na cyklotronové rezonanci na fotoelektronech ve vakuu Franken a Liebes hlásili nežádoucí frekvenční posuny způsobené náhodným zachycením elektronů. Jejich analýza mě přiměla uvědomit si, že v čistě elektrickém kvadrupólovém poli nebude posun záviset na umístění elektronu v pasti. To je důležitá výhoda oproti mnoha dalším pastím, které jsem se rozhodl využít. Magnetron past tohoto typu byla krátce probrána v knize JR Pierce z roku 1949 a já jsem vyvinul jednoduchý popis axiálních, magnetronových a cyklotronových pohybů elektronu v ní. S pomocí odborného foukače skla z katedry, Jakea Jonsona, v roce 1959 postavil svou první magnetickou past s vysokým vakuem a brzy byl schopen zachytit elektrony asi na 10 sekund a detekovat axiální, magnetronové a cyklotronové rezonance . “ - H. Dehmelt

H. Dehmelt sdílel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1989 za vývoj techniky iontové pasti.

Úkon

Penning Trap.svg

Penningové pasti používají silné homogenní axiální magnetické pole k radiálnímu omezení částic a kvadrupólové elektrické pole k axiálnímu omezení částic. Statický elektrický potenciál lze generovat pomocí sady tří elektrod : prstence a dvou koncových krytů. V ideální past na Penning jsou prsten a koncovky hyperboloidy revoluce. Pro zachycení kladných (záporných) iontů jsou elektrody koncových čepů udržovány na kladném (záporném) potenciálu vzhledem k prstenci. Tento potenciál vytváří sedlový bod ve středu pasti, který zachycuje ionty podél osového směru. Elektrické pole způsobuje, že ionty oscilují (harmonicky v případě ideální Penningovy pasti) podél osy pasti. Magnetické pole v kombinaci s elektrickým polem způsobí pohyb nabitých částic v radiální rovině pohybem, který vystopuje epitrochoid .

Orbitální pohyb iontů v radiální rovině se skládá ze dvou režimů na frekvencích, které se nazývají magnetronové a upravené cyklotronové frekvence. Tyto pohyby jsou podobné deferent a epicycle , v tomto pořadí, v Ptolemaic modelu sluneční soustavy.

Klasická trajektorie v radiální rovině pro

Součet těchto dvou frekvencí je cyklotronová frekvence, která závisí pouze na poměru elektrického náboje k hmotnosti a na síle magnetického pole . Tuto frekvenci lze měřit velmi přesně a lze ji použít k měření hmot nabitých částic. Mnoho z nejpřesnějších měření hmotnosti (hmotnosti elektronů , protonů , 2 H , 20 Ne a 28 Si ) pochází z Penningových pastí.

Chlazení nárazníkovým plynem , odporové chlazení a laserové chlazení jsou techniky k odebírání energie z iontů v Penningově pasti. Chlazení nárazníkovým plynem závisí na srážkách mezi ionty a neutrálními molekulami plynu, které přibližují energii iontů k energii molekul plynu. Při odporovém chlazení jsou náboje pohyblivého obrazu v elektrodách vyrobeny tak, aby fungovaly přes externí odpor a účinně odebíraly energii z iontů. Laserové chlazení lze použít k odstranění energie z některých druhů iontů v Penningových pastech. Tato technika vyžaduje ionty s vhodnou elektronickou strukturou . Radiační chlazení je proces, při kterém ionty ztrácejí energii vytvářením elektromagnetických vln na základě jejich zrychlení v magnetickém poli. Tento proces dominuje ochlazování elektronů v Penningových pastech, ale je velmi malý a u těžších částic je obvykle zanedbatelný.

Použití Penningovy pasti může mít výhody oproti radiofrekvenční pasti ( Paul trap ). Za prvé, v Penningově pasti se aplikují pouze statická pole, a proto nedochází k žádnému mikropohybu a následnému zahřívání iontů v důsledku dynamických polí, a to ani u rozšířených 2- a 3-dimenzionálních iontových Coulombových krystalů. Penningovou past lze také zvětšit při zachování silného zachycení. Zachycený iont pak může být držen dále od povrchů elektrod. Interakce s potenciály patchů na površích elektrod může být zodpovědná za efekty ohřevu a dekoherence a tyto efekty se stupňují jako vysoký výkon inverzní vzdálenosti mezi iontem a elektrodou.

Hmotnostní spektrometrie s Fourierovou transformací

Hmotnostní spektrometrie s Fourierovou transformací iontové cyklotronové rezonance (také známá jako hmotnostní spektrometrie s Fourierovou transformací) je typ hmotnostní spektrometrie používaný ke stanovení poměru hmotnosti k náboji (m/z) iontů na základě cyklotronové frekvence iontů v pevné magnetické pole. Ionty jsou uvězněny v Penningově pasti, kde jsou excitovány do většího poloměru cyklotronu oscilačním elektrickým polem kolmým na magnetické pole. Buzení také vede k tomu, že se ionty pohybují ve fázi (v paketu). Signál je detekován jako obrazový proud na dvojici desek, kterým balíček iontů prochází blízko, když cyklotronují. Výsledný signál se nazývá volný indukční rozpad (fid), přechodový nebo interferogram, který se skládá ze superpozice sinusových vln . Užitečný signál je z těchto dat extrahován provedením Fourierovy transformace za vzniku hmotnostního spektra .

Jednotlivé ionty lze zkoumat v Penningově pasti udržované na teplotě 4 K. K tomu je prstencová elektroda segmentována a protilehlé elektrody jsou spojeny se supravodivou cívkou a zdrojem a hradlem tranzistoru s efektem pole . Cívka a parazitní kapacity obvodu tvoří LC obvod s Q asi 50 000. LC obvod je buzen externím elektrickým impulzem. Segmentované elektrody spojují pohyb jediného elektronu s LC obvodem. Energie v LC obvodu v rezonanci s iontem tedy pomalu osciluje mezi mnoha elektrony (10 000) v bráně tranzistoru s efektem pole a jediným elektronem. To lze zjistit v signálu na odtoku tranzistoru s efektem pole.

Atom geonia

Geonium atom , tak pojmenovaný protože je vázán k zemi, je pseudo-atomový systém vytvořený v pasti Penninga, užitečné pro měření základních parametrů částic.

V nejjednodušším případě se chycený systém skládá pouze z jedné částice nebo iontu . Takový kvantový systém je určen kvantovými stavy jedné částice , jako v atomu vodíku . Vodík se skládá ze dvou částic, jádra a elektronu, ale pohyb elektronů vzhledem k jádru je ekvivalentní jedné částici ve vnějším poli, viz rámeček těžiště .

Vlastnosti geonia se liší od typického atomu. Náboj prochází cyklotronovým pohybem kolem osy pasti a kmitá podél osy. K měření kvantových vlastností se používá nehomogenní magnetické „lahvové pole “ technikou „spojitého Stern-Gerlacha “. Energetické hladiny a faktor g částice lze měřit s vysokou přesností. Van Dyck, Jr a kol. zkoumal magnetické rozdělení geoniových spekter v roce 1978 a v roce 1987 publikoval vysoce přesná měření elektronových a pozitronových g-faktorů, která omezovala poloměr elektronů.

Jedna částice

V listopadu 2017 mezinárodní tým vědců izoloval jediný proton v Penningově pasti, aby změřil jeho magnetický moment s dosud nejvyšší přesností. Bylo zjištěno, že je2,792 847 344 62 (82)  jaderné magnetony . Tomu odpovídá i hodnota CODATA 2018.

Ve sci -fi

Díky jejich schopnosti zachytit nabité částice čistě elektromagnetickými silami se Penningove pasti používají ve sci -fi jako metoda pro ukládání velkého množství antihmoty. Ve skutečnosti by to vyžadovalo vakuum výrazně vyšší kvality, než je v současné době dosažitelné.

Reference

externí odkazy