Зарядталған бөлшектерді сақтау құрылғысы: Пеннинг тұзағы
Penning trap
Зарядталған бөлшектерді сақтау құрылғысы – Пеннинг тұзағы. Иондар, антибөлшектерді зерттеуге, кванттық есептеуге қолданылады. Дәл өлшемдер үшін өте тиімді!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Зарядталған бөлшектерді сақтау құрылғысы
Device for storing charged particles
Пеннинг тұзағы – біртекті магнит өрісі және төртполюс электр өрісін пайдалана отырып зарядталған бөлшектерді сақтауға арналған құрылғы. Ол негізінен физикалық ғылымдар мен оған қатысты зерттеу салаларында иондар мен тұрақты субатомдық бөлшектердің (мысалы, масса, бөліну нәтижелері және изомерлік шығымдар қатынасы сияқты) қасиеттерін жоғары дәлдікпен өлшеу құралы ретінде қолданылады. Алғаш зерттелген нысандардың бірі – геоний атомдары, олар бір электронды сақтау арқылы электронның магниттік моментін өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл тұзақтар кубиттерді тұтқындау арқылы кванттық есептеулерді және кванттық ақпаратты өңдеуді жүзеге асыру үшін пайдаланылған. Пеннинг тұзақтары әлемнің көптеген зертханаларында, соның ішінде CERN-де антибөлшектерді, мысалы антипротондарды сақтау және зерттеу үшін қолданылады. Пеннинг тұзақтарының негізгі артықшылықтары – ұзақ сақталу уақыты және сақталған бөлшектерді бұзбай манипуляциялауға және анықтауға арналған көптеген техникалардың болуы. Бұл Пеннинг тұзақтарын сақталған бөлшектерді зерттеу, сондай-ақ оларды іріктеу, дайындау немесе жай ғана сақтау үшін әмбебап құралдарға айналдырады.
A Penning trap is a device for the storage of charged particles using a homogeneous magnetic field and a quadrupole electric field. It is mostly found in the physical sciences and related fields of study as a tool for precision measurements of properties of ions and stable subatomic particles, like for example mass, fission yields and isomeric yield ratios. One initial object of study were the so called geonium atoms, which represent a way to measure the electron magnetic moment by storing a single electron. These traps have been used in the physical realization of quantum computation and quantum information processing by trapping qubits. Penning traps are in use in many laboratories worldwide, including CERN, to store and investigate anti particles such as antiprotons. The main advantages of Penning traps are the potentially long storage times and the existence of a multitude of techniques to manipulate and non destructively detect the stored particles. This makes Penning traps versatile tools for the investigation of stored particles, but also for their selection, preparation or mere storage.
Тарих
Пеннинг тұзағы алғашқы тұзақты жасаған Ханс Георг Демельт (1922–2017) Ф. М. Пеннингтің (1894–1953) есімімен атады. Демельт Ф. М. Пеннинг жасаған вакуумдық өлшегіштен шабыттанды, онда магнит өрісіндегі разряд түтігі арқылы өтетін ток қысымға пропорционалды. Х. Демельттің автобиографиясынан үзінді: «Мен магнетрон/Пеннинг разряд геометриясына назар аудара бастадым, ол Пеннинг иондық өлшегіші арқылы Геттинген мен Дьюкте маған қызығушылық тудырған еді. 1955 жылы Франкен мен Либс вакуумдағы фотоэлектрондардағы циклотрондық резонанс жұмысында электрондардың кездейсоқ тұтқындалуынан туындаған жиіліктердің қате ауысуларын хабарлады. Олардың талдауы таза электрлік квадрупольдік өрісте ауысу электронның тұзақтағы орналасуына тәуелді емес екенін түсінуге көмектесті. Бұл мені көптеген басқа тұзақтардан басымдыққа ие етуге шешім қабылдаған маңызды артықшылық. Осы типтегі магнитрон тұзағы туралы 1949 жылы J. R. Пирс кітабында қысқаша айтылған, мен электронның осілік, магнитрон және циклотрондық қозғалысының қарапайым сипаттамасын жасадым. Департаменттің тәжірибелі әйнек үрлеушісі Джейк Джонсонның көмегімен 1959 жылы мен бірінші жоғары вакуумды магнитрон тұзағын жасадым және көп ұзамай электрондарды шамамен 10 секундқа тұтқындап, осілік, магнитрон және циклотрондық резонанстарды анықтауға қол жеткіздім». – Х. Демельт.
The Penning trap was named after F. M. Penning (1894–1953) by Hans Georg Dehmelt (1922–2017) who built the first trap. Dehmelt got inspiration from the vacuum gauge built by F. M. Penning where a current through a discharge tube in a magnetic field is proportional to the pressure. Citing from H. Dehmelt's autobiography: "I began to focus on the magnetron/Penning discharge geometry, which, in the Penning ion gauge, had caught my interest already at Göttingen and at Duke. In their 1955 cyclotron resonance work on photoelectrons in vacuum Franken and Liebes had reported undesirable frequency shifts caused by accidental electron trapping. Their analysis made me realize that in a pure electric quadrupole field the shift would not depend on the location of the electron in the trap. This is an important advantage over many other traps that I decided to exploit. A magnetron trap of this type had been briefly discussed in J. R. Pierce's 1949 book, and I developed a simple description of the axial, magnetron, and cyclotron motions of an electron in it. With the help of the expert glassblower of the Department, Jake Jonson, I built my first high vacuum magnetron trap in 1959 and was soon able to trap electrons for about 10 sec and to detect axial, magnetron and cyclotron resonances." – H. Dehmelt
Х. Демельт 1989 жылы иондық тұтқырлау техникасын жасағаны үшін физика саласындағы Нобель сыйлығын бөлісті.
H. Dehmelt shared the Nobel Prize in Physics in 1989 for the development of the ion trap technique.
Операция
Пенинг тұзақтары бөлшектерді радиалды шектеуге күшті біртекті осьтік магнит өрісін және бөлшектерді осьтік шектеуге төртполюсті электр өрісін пайдаланады. Статикалық электр потенциалын үш электродтың жиынтығын: сақина мен екі ұштық қақпақты пайдалану арқылы жасауға болады. Идеалдық Пенинг тұзағында сақина мен ұштық қақпалар айналу гиперболоидтары болып табылады. Оң (терс) иондарды тұтқындау үшін ұштық электродтар сақинаға қатысты оң (терс) потенциалда ұсталады. Бұл потенциал тұзақтың ортасында иондарды осьтік бағытта тұтқындап тұратын тұяқ нүктесін жасайды. Электр өрісі иондардың тұзақ осі бойымен тербелісін (идеалдық Пенинг тұзағы үшін гармониялық) тудырады. Магниттік өріс электр өрісімен бірігіп, зарядталған бөлшектердің радиалды жазықтықта эпитрохоиданы құрайтын қозғалысын қамтамасыз етеді. Радиалды жазықтықтағы иондардың орбиталық қозғалысы магнетрондық және модификацияланған циклотрондық жиіліктер деп аталатын екі режимнен тұрады. Бұл қозғалыстар Күн жүйесінің Птолемейлік моделіндегі деферент пен эпициклге ұқсас. Бұл екі жиіліктің қосындысы циклотрондық жиілікке тең, ол электр заряды мен массаның қатынасына және магнит өрісінің күшіне ғана байланысты. Бұл жиілікті өте дәл өлшеуге болады және зарядталған бөлшектердің массасын өлшеу үшін қолдануға болады. Көптеген жоғары дәлдікті өлшеулер (электрон, протон, 2H, 20Ne және 28Si массалары) Пенинг тұзақтарынан алынған. Буферлік газды салқындату, кедергілік салқындату және лазерлік салқындату – Пенинг тұзағындағы иондардан энергияны алу әдістері. Буферлік газды салқындату иондар мен бейтарап газ молекулалары арасындағы соқтығысуларға негізделген, бұл иондардың энергиясын газ молекулаларының энергиясына жақындатады. Кедергілік салқындату кезінде электродтардағы қозғалмалы бейне зарядтары сыртқы кедергі арқылы жұмыс істейді, иондардан энергияны тиімді түрде алып тастайды. Лазерлік салқындату Пенинг тұзақтарындағы иондардың кейбір түрлерінен энергияны алу үшін қолданылуы мүмкін. Бұл әдіс үшін тиісті электрондық құрылымы бар иондар қажет. Сәулелену салқындатуы – иондардың магнит өрісінде үдеуі нәтижесінде электромагниттік толқындар жасап, энергиясын жоғалту процесі. Бұл процесс Пенинг тұзақтарында электрондардың салқындауына басымдық береді, бірақ ауыр бөлшектер үшін өте кішкентай және көбінесе елеусіз болады. Пенинг тұзағын қолдану радиожиілік тұзағына (Пол тұзағына) қарағанда артықшылықтарға ие болуы мүмкін. Біріншіден, Пенинг тұзағында тек статикалық өрістер қолданылады, сондықтан динамикалық өрістерге байланысты иондардың микроқозғалысы мен одан туындайтын қызу болмайды, тіпті кеңейтілген 2 және 3 өлшемді иондық Кулон кристалдары үшін де. Сонымен қатар, Пенинг тұзағын күшті тұтқындауды сақтай отырып, үлкен етуге болады. Тұтқынға түскен ионды электрод бетінен алыстатуға болады. Электрод бетіндегі жапсырма потенциалдарымен өзара әрекеттесу қызу мен декогеренттік әсерлерге себеп болуы мүмкін, ал бұл әсерлер ион мен электрод арасындағы қашықтықтың кері квадратына пропорционалды түрде өседі.
Penning traps use a strong homogeneous axial magnetic field to confine particles radially and a quadrupole electric field to confine the particles axially. The static electric potential can be generated using a set of three electrodes: a ring and two endcaps. In an ideal Penning trap the ring and endcaps are hyperboloids of revolution. For trapping of positive (negative) ions, the endcap electrodes are kept at a positive (negative) potential relative to the ring. This potential produces a saddle point in the centre of the trap, which traps ions along the axial direction. The electric field causes ions to oscillate (harmonically in the case of an ideal Penning trap) along the trap axis. The magnetic field in combination with the electric field causes charged particles to move in the radial plane with a motion which traces out an epitrochoid. The orbital motion of ions in the radial plane is composed of two modes at frequencies which are called the magnetron and the modified cyclotron frequencies. These motions are similar to the deferent and epicycle, respectively, of the Ptolemaic model of the solar system. The sum of these two frequencies is the cyclotron frequency, which depends only on the ratio of electric charge to mass and on the strength of the magnetic field. This frequency can be measured very accurately and can be used to measure the masses of charged particles. Many of the highest precision mass measurements (masses of the electron, proton, 2H, 20Ne and 28Si) come from Penning traps. Buffer gas cooling, resistive cooling, and laser cooling are techniques to remove energy from ions in a Penning trap. Buffer gas cooling relies on collisions between the ions and neutral gas molecules that bring the ion energy closer to the energy of the gas molecules. In resistive cooling, moving image charges in the electrodes are made to do work through an external resistor, effectively removing energy from the ions. Laser cooling can be used to remove energy from some kinds of ions in Penning traps. This technique requires ions with an appropriate electronic structure. Radiative cooling is the process by which the ions lose energy by creating electromagnetic waves by virtue of their acceleration in the magnetic field. This process dominates the cooling of electrons in Penning traps, but is very small and usually negligible for heavier particles. Using the Penning trap can have advantages over the radio frequency trap (Paul trap). Firstly, in the Penning trap only static fields are applied and therefore there is no micro motion and resultant heating of the ions due to the dynamic fields, even for extended 2 and 3 dimensional ion Coulomb crystals. Also, the Penning trap can be made larger whilst maintaining strong trapping. The trapped ion can then be held further away from the electrode surfaces. Interaction with patch potentials on the electrode surfaces can be responsible for heating and decoherence effects and these effects scale as a high power of the inverse distance between the ion and the electrode.
Фурье трансформациясы бойынша массалық спектрометрия
Фурье трансформациясы иондық циклотрон резонанстық массалық спектрометриясы (Фурье трансформациялық массалық спектрометрия деп те аталады) – иондардың масса-заряд қатынасын (m/z) белгілі магнит өрісіндегі олардың циклотрон жиілігі арқылы анықтауға қолданылатын массалық спектрометрияның бір түрі. Иондар Пэннинг тұзағына түсіріледі, онда олар магнит өрісіне перпендикуляр осцилляциялық электр өрісі арқылы үлкен циклотрон радиусына дейін қоздырылады. Бұл қоздыру иондардың фазада (пакетте) қозғалуына да әкеледі. Сигнал циклотронмен қозғалғанда иондар пакеті жақын өтетін екі пластинадағы бейне тогы ретінде тіркеледі. Нәтижеде пайда болатын сигнал – еркін индукциялық ыдырау (FID), уақытша немесе интерферограмма деп аталады, ол синус толқындарының суперпозициясынан тұрады. Пайдалы сигнал осы деректерге Фурье түрлендіруін қолдану арқылы алынады, нәтижесінде массалық спектр пайда болады. Жеке иондарды 4 К температурада ұсталатын Пэннинг тұзағында зерттеуге болады. Мұнда сақина тәрізді электрод сегменттелген, ал қарама-қарсы электродтар суперөткізгіш катушкаға және өріс эффектілі транзистордың көзі мен қақпасына қосылған. Катушка мен тізбектің паразиттік сыйымдылықтары шамамен 50 000 Q мәніне ие LC тізбегін құрайды. LC тізбегі сыртқы электр импульсімен қоздырылады. Сегменттелген электродтар жеке электронның қозғалысын LC тізбегімен байланыстырады. Осылайша, LC тізбегіндегі ионмен резонанстағы энергия өріс эффектілі транзистордың қақпасындағы көптеген электрондармен (10000) және жалғыз электронмен арасында баяу ауысады. Бұл сигналды өріс эффектілі транзистордың дренажында тіркеуге болады.
Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (also known as Fourier transform mass spectrometry) is a type of mass spectrometry used for determining the mass to charge ratio (m/z) of ions based on the cyclotron frequency of the ions in a fixed magnetic field. The ions are trapped in a Penning trap where they are excited to a larger cyclotron radius by an oscillating electric field perpendicular to the magnetic field. The excitation also results in the ions moving in phase (in a packet). The signal is detected as an image current on a pair of plates which the packet of ions passes close to as they cyclotron. The resulting signal is called a free induction decay (fid), transient or interferogram that consists of a superposition of sine waves. The useful signal is extracted from this data by performing a Fourier transform to give a mass spectrum. Single ions can be investigated in a Penning trap held at a temperature of 4 K. For this the ring electrode is segmented and opposite electrodes are connected to a superconducting coil and the source and the gate of a field effect transistor. The coil and the parasitic capacitances of the circuit form a LC circuit with a Q of about 50 000. The LC circuit is excited by an external electric pulse. The segmented electrodes couple the motion of the single electron to the LC circuit. Thus the energy in the LC circuit in resonance with the ion slowly oscillates between the many electrons (10000) in the gate of the field effect transistor and the single electron. This can be detected in the signal at the drain of the field effect transistor.
Геоний атомы
Геоний атомы – қалған Жерге «байланған» Пеннинг тұзағында сақталатын жалғыз электроннан немесе ионнан тұратын псевдоатомдық жүйе, содан барып осыған «геоний» деп ат қойылған. Бұл атауды Г.Г. Демельт енгізген. Ван Дайк және авторлар тобы 1978 жылы геоний спектрінің магниттік айырылуын зерттеді, ал 1987 жылы электрон мен позитронның g факторларын жоғары дәлдікпен өлшеу нәтижелерін жариялады, бұл электрон радиусын шектеуге мүмкіндік берді.
A geonium atom is a pseudo atomic system that consists of a single electron or ion stored in a Penning trap which is 'bound' to the remaining Earth, hence the term 'geonium'. The name was coined by H. G. Dehmelt. Van Dyck, et al. explored the magnetic splitting of geonium spectra in 1978 and in 1987 published high precision measurements of electron and positron g factors, which constrained the electron radius.
Бір бөлшегі
2017 жылдың қараша айында халықаралық ғалымдар тобы ең жоғары дәлдікпен магниттік моментін өлшеу мақсатында Пенинг тұзағында бір протонды бөліп алды. Оның мәні 2,79284734462 құрады. CODATA 2018 дерегі осы мәнмен сәйкес келеді.
In November 2017, an international team of scientists isolated a single proton in a Penning trap in order to measure its magnetic moment to the highest precision to date. It was found to be 2.79284734462. The CODATA 2018 value matches this.
Ғылыми фантастикада
Зарядталған бөлшектерді электромагниттік күштермен ғана ұстау қабілетіне байланысты, Пеннинг тұзақтары ғылыми фантастикада үлкен мөлшерде антиматерияны сақтау тәсілі ретінде қолданылады. Бірақ, мұны іс жүзінде іске асыру үшін қазіргі қол жетімді деңгейден әлдеқайда жоғары сапалы вакуум қажет болады.
Due to their ability to trap charged particles purely with electromagnetic forces, Penning traps are used in science fiction as a method to store large quantities of antimatter. Doing so in reality would require a vacuum of significantly higher quality than currently achievable.