Capcană de închidere
O capcană Penning este un dispozitiv care utilizează un câmp magnetic static uniform și un câmp electric neuniform din punct de vedere spațial pentru a stoca particulele încărcate. Acest tip de capcană este adesea folosit în măsurători precise ale proprietăților ionilor și ale particulelor subatomice stabile care au o sarcină electrică . În trecutul recent, o capcană similară a fost folosită cu succes în implementarea fizică a unui computer cuantic și a calculului cuantic . Capcanele Penning au fost, de asemenea, folosite pentru a crea așa-numitul „quasi-atom” - o stare legată a electronului, în care nucleul este identificat cu Pământul ( atomul de geonium ). La CERN , acestea sunt folosite pentru a stoca antiprotoni și alte antiparticule încărcate .
Istorie
Capcana este numită după F. M. Penning (1894–1953) de către Hans Georg Dehmelt , care a construit primul model funcțional. Dehmelt a dezvoltat ideea lui Penning, pe care a realizat-o într-un vacuometru, în care curentul care trece printr-o lampă cu descărcare în gaz în prezența unui câmp magnetic era proporțional cu presiunea. Din autobiografia lui H. Demelt:
„Am început să mă concentrez asupra geometriei magnetronului și a decalajului Penning, care, fiind implementate în tubul ionic Penning, mi-a atras atenția în timpul vizitei Göttingen și Duke. În lucrarea lor din 1955 despre rezonanța ciclotronilor și comportamentul fotoelectronilor în vid, Franken și Liebs au raportat o schimbare de frecvență parazită cauzată de capturi aleatorii de electroni. Analiza lor m-a condus la realizarea că în câmpul electric al unui cvadrupol pur, deplasarea nu ar trebui să depindă de poziția electronului în interiorul capcanei. Acesta este un avantaj important față de multe alte tipuri de capcane pe care mi-am dorit să le folosesc. O capcană de magnetron de acest tip a fost descrisă pe scurt într-o carte de J. R. Pierce publicată în 1949 și am creat o descriere simplă a oscilațiilor axiale, magnetronului și ciclotronului unui electron în interiorul ei. Cu ajutorul maestrului nostru de sticlă, Jake Johnson, am construit prima mea capcană de magnetron cu vid înalt în 1959 și în curând am reușit să rețin electroni timp de aproximativ 10 secunde, precum și să determin rezonanțe axiale, magnetronului și ciclotronului.” — H. Dehmelt
H. Demelt, printre trei coautori, a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1989 pentru dezvoltarea unei metode de limitare a ionilor unici.
Cum funcționează
Capcana Penning folosește un câmp magnetic vertical uniform puternic pentru a limita particulele pentru a limita mișcarea radială a particulelor și un câmp electric cvadrupol pentru a limita mișcarea verticală. Un potențial electric static poate fi creat folosind un sistem de trei electrozi: un inel și două capace. Într-o capcană Penning ideală, inelul și capacele sunt hiperboloizi ai revoluției. Pentru a capta ioni pozitivi (negativi), o tensiune negativă (pozitivă) este aplicată capacelor în raport cu inelul. Un astfel de potențial creează un punct de șa în centrul capcanei și limitează oscilațiile verticale ale ionilor. Câmpul electric face ca ionii să oscileze (în cazul unei capcane Penning ideale, armonic) de-a lungul axei verticale a capcanei. Împreună cu electricul, câmpul magnetic face ca ionii să se miște într-un plan orizontal de-a lungul unei traiectorii numite epitrohoid . Mișcarea orbitală a ionilor în plan orizontal constă în două oscilații normale cu frecvențe, care sunt numite frecvențe „magnetron” și „ciclotron modificat” . Aceste oscilații seamănă, respectiv, cu deferentul și epiciclul din modelul ptolemeic al sistemului solar .
Suma acestor două frecvențe se numește „frecvența ciclotronului”. Frecvența ciclotronului depinde doar de raportul dintre sarcina electrică și masă , precum și de mărimea câmpului magnetic. Această frecvență poate fi măsurată cu o precizie foarte mare, ceea ce face posibilă determinarea masei particulelor încărcate. Multe dintre experimentele de determinare a masei de înaltă precizie ( electron , proton , 2H , 20Ne și 28Si ) au fost efectuate folosind capcane Penning . Răcirea cu gaz tampon , răcirea rezistivă sau răcirea cu laser sunt utilizate pentru a elimina energia din ionii din interiorul capcanei Penning . Răcirea gazului tampon se bazează pe ciocniri între ioni și moleculele de gaz neutre, în care o parte din energia ionilor este transferată moleculelor de gaz. Cu răcirea rezistivă, sarcinile oglinzilor care se mișcă de-a lungul electrozilor funcționează pe un rezistor extern, eliminând eficient energia ionilor. Răcirea cu laser poate ajuta la răcirea anumitor tipuri de ioni, dar aceștia trebuie să aibă o structură specială de înveliș de electroni pentru a face acest lucru . Răcirea are loc și atunci când ionii emit unde electromagnetice, ceea ce are loc în timpul mișcării lor accelerate într-un câmp magnetic. Acest proces este dominant pentru electroni, dar pentru particulele mai grele contribuția sa la răcirea totală este neglijabil de mică.
Utilizarea capcanei Penning are o serie de avantaje față de capcana RF Paul . În primul rând, în capcana Penning sunt utilizate doar câmpuri statice, deci nu există oscilații microscopice și încălzirea ionilor într-un câmp alternativ ca atare. De asemenea, capcana Penning poate fi mărită în timp ce își păstrează capacitatea de a reține ionii. Ionul prins poate fi menținut la o distanță mai mare de suprafețele electrozilor. Interacțiunile cu potențialele de margine de la suprafața electrozilor pot provoca încălzire și decoerență , iar aceste efecte cresc într-o lege de putere cu un exponent mare pe măsură ce distanța dintre ion și electrod scade.
Spectrometrie de masă cu transformată Fourier
Spectrometria de masă prin rezonanță ion-ciclotron cu transformată Fourier este un tip de spectrometrie de masă utilizată pentru a determina raportul sarcină-masă al ionilor pe baza măsurării frecvenței ciclotronului ionilor într-un anumit câmp magnetic. [1] Ionii sunt capturați de o capcană Penning, în interiorul căreia oscilațiile lor sunt excitate cu ajutorul unui câmp electric oscilant și a unui câmp magnetic perpendicular pe acesta. Un efect secundar al excitației este că ionii încep să se miște în fază (fascicul). Semnalul este determinat de curentul indus de la o pereche de plăci între care trece traiectoria fasciculului ionic. Semnalul rezultat se numește dezintegrare prin inducție liberă, impuls sau interferogramă, care este o suprapunere a mai multor sinusoide . Un semnal util este extras din aceste date folosind o transformată Fourier , rezultând un spectru de masă .
Ionii unici pot fi studiați într-o capcană Penning la 4K. Pentru a face acest lucru, electrodul inel este împărțit în mai multe segmente, iar segmentele opuse sunt conectate la o bobină supraconductoare și la sursa și poarta unui tranzistor cu efect de câmp . Bobina și capacitățile parazite din circuit formează un circuit LC oscilant cu un factor de calitate de aproximativ 50 000. Acest circuit este excitat de un impuls electric extern. Electrozii segmentați conectează mișcarea unui singur electron cu oscilațiile circuitului. Astfel, energia din circuit în rezonanță cu ionul oscilează lent între electronii multipli (10.000) din poarta tranzistorului și un singur electron. Acest lucru poate fi văzut din semnalul de la drenul FET-ului. [2]
Note
- ↑ Marshall, A.G.; Hendrickson, C.L.; Jackson, GS, spectrometrie de masă de rezonanță ciclotronică cu transformare Fourier: un primer. Spectrom de masă Rev 17 , 1-35. . Preluat la 3 octombrie 2017. Arhivat din original la 12 mai 2007.
- ↑ Münster_Physik_Kolloquium_2009_04_23_Abstract_Blaum . Data accesului: 4 iulie 2010. Arhivat din original pe 26 februarie 2015.