Penning fælde - Penning trap

En Penning -fælde er en enhed til opbevaring af ladede partikler ved hjælp af et homogent aksialt magnetisk felt og et inhomogent firrupol elektrisk felt . Denne form for fælde er særligt velegnet til præcisionsmålinger af egenskaber ved ioner og stabile subatomære partikler , f.eks. Masse, fissionsudbytter og isomere udbytteforhold . Et andet eksempel er geoniumatomer , som er blevet skabt og undersøgt på denne måde for at måle det elektronmagnetiske moment. For nylig er disse fælder blevet brugt til fysisk realisering af kvanteberegning og kvanteinformationsbehandling ved at fange qubits . Penningfælder bruges i mange laboratorier verden over, herunder CERN , til opbevaring af antimateriale såsom antiprotoner .

En cylindrisk version af Penning -fælden, med åbne ender, der tillader gennemstrømning

Historie

Penningfælden blev opkaldt efter FM Penning (1894–1953) af Hans Georg Dehmelt (1922–2017), der byggede den første fælde. Dehmelt fik inspiration fra vakuummåleren bygget af FM Penning, hvor en strøm gennem et udladningsrør i et magnetfelt er proportional med trykket. Med henvisning til H. Dehmelts selvbiografi:

"Jeg begyndte at fokusere på magnetron/Penning -afladningsgeometrien, som i Penning -ionmåleren allerede havde fanget min interesse i Göttingen og hos Duke. I deres 1955 cyclotronresonansarbejde på fotoelektroner i vakuum havde Franken og Liebes rapporteret uønskede frekvensskift forårsaget af utilsigtet elektronfangning. Deres analyse fik mig til at indse, at skiftet i et rent elektrisk firpolsfelt ikke ville afhænge af elektronens placering i fælden. Dette er en vigtig fordel i forhold til mange andre fælder, som jeg besluttede at udnytte. En magnetron denne type fælde var kort blevet diskuteret i JR Pierces bog fra 1949, og jeg udviklede en enkel beskrivelse af en elektrons aksiale, magnetron- og cyclotronbevægelser i den. Ved hjælp af ekspertglasblæseren fra afdelingen, Jake Jonson, I byggede min første højvakuum magnetronfælde i 1959 og kunne snart fange elektroner i cirka 10 sekunder og registrere aksial-, magnetron- og cyclotronresonanser . " - H. Dehmelt

H. Dehmelt delte Nobelprisen i fysik i 1989 for udviklingen af ionfældeteknikken.

Operation

Penningfælder bruger et stærkt homogent aksialt magnetisk felt til at begrænse partikler radielt og et firpolet elektrisk felt til at begrænse partiklerne aksialt. Det statiske elektriske potentiale kan genereres ved hjælp af et sæt af tre elektroder : en ring og to endehætter. I en ideel Penning -fælde er ringen og endehætter hyperboloider af revolution. Til indfangning af positive (negative) ioner holdes endehætteelektroderne på et positivt (negativt) potentiale i forhold til ringen. Dette potentiale frembringer et sadelpunkt i midten af fælden, som fanger ioner langs den aksiale retning. Det elektriske felt får ioner til at svinge (harmonisk i tilfælde af en ideel Penning -fælde) langs fældeaksen. Magnetfeltet i kombination med det elektriske felt får ladede partikler til at bevæge sig i det radiale plan med en bevægelse, der sporer et epitrochoid .

Ions kredsløb i radialplanet består af to tilstande ved frekvenser, der kaldes magnetronen og de modificerede cyclotronfrekvenser . Disse bevægelser ligner henholdsvis deferenten og epicyklen for den ptolemaiske model af solsystemet. ${\ displaystyle \ omega _ {-}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {+}}$

En klassisk bane i radialplanet for

{\ displaystyle \ omega _ {+}/\ omega _ {-} = 8}

Summen af disse to frekvenser er cyclotronfrekvensen , som kun afhænger af forholdet mellem elektrisk ladning og masse og af magnetfeltets styrke . Denne frekvens kan måles meget præcist og kan bruges til at måle masserne af ladede partikler. Mange af massemålingerne med den højeste præcision ( elektronmassen , protonen , ²H , ²⁰Ne og ²⁸Si ) kommer fra Penning-fælder.

Buffergaskøling , resistiv køling og laserkøling er teknikker til at fjerne energi fra ioner i en Penning -fælde. Buffergaskøling er afhængig af kollisioner mellem ionerne og neutrale gasmolekyler, der bringer ionenergien tættere på gasmolekylernes energi. Ved resistiv køling er ladninger i bevægeligt billede i elektroderne lavet til at udføre arbejde gennem en ekstern modstand, der effektivt fjerner energi fra ionerne. Laserkøling kan bruges til at fjerne energi fra nogle slags ioner i Penning -fælder. Denne teknik kræver ioner med en passende elektronisk struktur . Strålende køling er den proces, hvor ionerne mister energi ved at skabe elektromagnetiske bølger i kraft af deres acceleration i magnetfeltet. Denne proces dominerer køling af elektroner i Penning -fælder, men er meget lille og normalt ubetydelig for tungere partikler.

Brug af Penning -fælden kan have fordele i forhold til radiofrekvensfælden ( Paul -fælden ). For det første påføres i Penning-fælden kun statiske felter, og derfor er der ingen mikrobevægelse og resulterende opvarmning af ionerne på grund af de dynamiske felter, selv for forlængede 2- og 3-dimensionelle ion-Coulomb-krystaller. Penningfælden kan også gøres større, samtidig med at der opretholdes en stærk fangst. Den fangede ion kan derefter holdes længere væk fra elektrodeoverfladerne. Interaktion med patchpotentialer på elektrodeoverfladerne kan være ansvarlig for varme- og dekoherenseffekter , og disse effekter skaleres som en høj effekt af den inverse afstand mellem ion og elektrode.

Fourier transformerer massespektrometri

Fourier-transform-ion-cyclotron-resonans -massespektrometri (også kendt som Fourier-transform-massespektrometri) er en type massespektrometri, der bruges til at bestemme masse-til-ladningsforholdet (m/z) af ioner baseret på ionernes cyclotronfrekvens i en fast magnetfelt. Ionerne er fanget i en Penning -fælde, hvor de ophidses til en større cyklotronradius af et oscillerende elektrisk felt vinkelret på magnetfeltet. Excitationen resulterer også i, at ionerne bevæger sig i fase (i en pakke). Signalet detekteres som en billedstrøm på et par plader, som pakken med ioner passerer tæt på, når de cyklotron. Det resulterende signal kaldes et frit induktionsforfald (fid), forbigående eller interferogram, der består af en superposition af sinusbølger . Det nyttige signal ekstraheres fra disse data ved at udføre en Fourier -transformering for at give et massespektrum .

Enkeltioner kan undersøges i en Penning-fælde, der holdes ved en temperatur på 4 K. Til dette er ringelektroden segmenteret, og modsatte elektroder er forbundet til en superledende spole og kilden og porten til en felt-effekt-transistor . Spolen og de parasitære kapacitanser i kredsløbet danner et LC -kredsløb med et Q på omkring 50 000. LC -kredsløbet exciteres af en ekstern elektrisk puls. De segmenterede elektroder kobler bevægelsen af den enkelte elektron til LC -kredsløbet. Således svinger energien i LC -kredsløbet i resonans med ion langsomt mellem de mange elektroner (10000) i porten til felteffekttransistoren og den enkelte elektron. Dette kan detekteres i signalet ved afløbet af felteffekttransistoren.

Geoniumatom

Et geoniumatom , så navngivet, fordi det er bundet til jorden, er et pseudo-atomært system skabt i en Penning-fælde, nyttigt til måling af grundlæggende parametre for partikler.

I det enkleste tilfælde består det fangede system kun af en partikel eller ion . Et sådant kvantesystem bestemmes af kvantetilstande for en partikel , ligesom i hydrogenatomet . Hydrogen består af to partikler, kernen og elektronen, men elektronbevægelsen i forhold til kernen svarer til en partikel i et eksternt felt, se center-of-mass frame .

Geoniums egenskaber adskiller sig fra et typisk atom. Ladningen undergår cyklotronbevægelse omkring fældeaksen og svinger langs aksen. Et inhomogent magnetisk "flaskefelt" påføres for at måle kvanteegenskaberne ved hjælp af "kontinuerlig Stern-Gerlach " -teknik. Energiniveauer og g-faktor for partiklen kan måles med høj præcision. Van Dyck, Jr et al. udforskede den magnetiske opdeling af geoniumspektre i 1978 og offentliggjorde i 1987 højpræcisionsmålinger af elektron- og positron-g-faktorer, som begrænsede elektronradius.

Enkelt partikel

I november 2017 isolerede et internationalt team af forskere en enkelt proton i en Penning -fælde for at måle dens magnetiske moment til den hidtil højeste præcision. Det viste sig at være2.792 847 344 62 (82) atommagnetoner . CODATA 2018 -værdien matcher dette.

I science fiction

På grund af deres evne til at fange ladede partikler rent med elektromagnetiske kræfter, bruges Penning -fælder i Science Fiction som en metode til at lagre store mængder antimateriale. At gøre det i virkeligheden ville kræve et vakuum af betydeligt højere kvalitet end det, der i øjeblikket kan opnås.

Languages

In other projects