Кіріспе

Зарядталған бөлшектерді тұтқындауға арналған құрылғы
газ фазасындағы иондар

Ион тұзағы – электрлік және/немесе магниттік өрістердің комбинациясы, зарядталған бөлшектерді – иондар деп аталатын – ұстау үшін қолданылады, көбінесе сыртқы ортадан оқшауланған жүйеде. Атомдық және молекулалық ион тұзақтары физика және химия салаларында дәлдікті массалық спектрометрия, атомдық жиілік стандарттарын жақсарту және кванттық есептеу сияқты көптеген қолдануларға ие. Нейтралды атомдарды тұтқындаумен салыстырғанда, ион тұзақтары тұтқындалған ионның ішкі электрондық құрылымына тәуелді емес, терең тұтқындау потенциалына (бірнеше электронвольтқа дейін) ие. Бұл ион тұзақтарын жеңіл-атомдық жүйелермен жарық өзара әрекеттесуін зерттеуге қолайлырақ етеді. Ион тұзақтарының ең көп таралған екі түрі – статикалық электр және магнит өрістерінің комбинациясы арқылы потенциал құрайтын Пеннинг тұзағы және статикалық және тербелісті электр өрістерінің комбинациясы арқылы потенциал құрайтын Пол тұзағы. Пенинг тұзақтары спектроскопияда дәл магниттік өлшеулер үшін қолданылады. Кванттық күйді басқаруды зерттеуде көбінесе Пол тұзағы қолданылады. Бұл иондық кванттық компьютерге алып келуі мүмкін, және әлемдегі ең дәл атомдық сағаттарды жасау үшін қолданылған. Электрондық тапаншалар (ЭКҚ-да қолданылатын жоғары жылдамдықты электрондарды шығаратын құрылғы) катодтың оң иондармен зақымдануын болдырмау үшін ион тұзағын пайдалана алады.

Тарих

Иондық тұзақтардың физикалық принциптері алғаш рет Ф. М. Пеннинг (1894–1953) зерттеді. Ол иондау вакуумдық өлшегіштің катодынан шыққан электрондардың жеткілікті күшті магнит өрісінде анодқа қарай ұзақ циклоидтық траекториямен қозғалатынын байқады. Магнит өрістерін қолданбай, зарядталған бөлшектерді үш өлшемде шектеу схемасын В. Пол төртполюстік массалық спектрометрлердегі жұмысына сүйене отырып жасады. 1958 жылға дейін, алюминийленген электронды сәуле түтігі (ЭСТ) беттері пайда болғанға дейін, иондық тұзақтар теледидар қабылдағыштарында фосфор экранын иондардан қорғау үшін қолданылды. Иондық тұзақты максималды жарықтыққа жету үшін мұқият реттеу қажет.

Теория

Кез келген зарядталған бөлшек, мысалы, ион, электр немесе магнит өрісінен күш сезінеді. Иондық тұзақтар осы күшті пайдаланып иондарды шағын, оқшауланған кеңістіктегі көлемге шектейді, осы арқылы оларды зерттеуге немесе манипуляциялауға болады. Кез келген статикалық (уақыт бойынша тұрақты) электромагниттік өріс ионға күш түсіргенімен, тек статикалық электр өрісін қолдану арқылы ионды шектеу мүмкін емес. Бұл – Эрншоу теоремасының салдары. Дегенмен, физиктер бұл теореманы еңсерудің әртүрлі жолдарын тапқан, олар статикалық магниттік және электр өрістерінің комбинацияларын (Пеннинг тұзағындағыдай) немесе осцилляциялық электр өрісі мен статикалық электр өрісін (Поль тұзағы) пайдаланады. Ионның тұзақтағы қозғалысы мен шектелуі көбінесе осьтік және радиалды компоненттерге бөлінеді, олар әдетте әртүрлі өрістермен жеке қарастырылады. Пол және Пеннинг тұзақтарының екеуінде де, осьтік ион қозғалысы статикалық электр өрісімен шектеледі. Поль тұзақтары ионды радиалды бағытта шектеу үшін осцилляциялық электр өрісін пайдаланады, ал Пеннинг тұзақтары радиалды шектеуді статикалық магнит өрісі арқылы қамтамасыз етеді.

Ион тұтқырлық массалық спектрометрлер

Иондық тұзақтың массалық спектрометріне Пеннинг тұзағы (Фурье түрлендіруі иондық циклотрондық резонанс), Пол тұзағы немесе Кингдон тұзағы кіруі мүмкін. 2005 жылы ұсынылған Orbitrap Кингдон тұзағының негізінде жұмыс істейді. Массалық спектрометрлердің басқа түрлері де сызықтық төртполюсті ион тұзақты таңдамалы массалық сүзгі ретінде қолдануы мүмкін.

Пенинг иондық тұзақ

Пеннинг тұзағы зарядталған бөлшектерді радиалды ұстау үшін күшті біртекті осьтік магнит өрісін, ал бөлшектерді осьтік бағытта ұстау үшін төртполярлы электр өрісін пайдалана отырып сақтайды. Пеннинг тұзақтары иондар мен тұрақты зарядталған субатомдық бөлшектердің қасиеттерін өлшеуге өте ыңғайлы. Демельт және басқалар жүргізген электронның магниттік моментіне қатысты жоғары дәлдікті зерттеулер қазіргі физикадағы маңызды тақырыптардың бірі болып табылады. Пеннинг тұзақтары кванттық есептеулер мен кванттық ақпаратты өңдеуде қолданылуы мүмкін, сондай-ақ CERN-де антиматерияны сақтау үшін пайдаланылады. Пеннинг тұзақтары иондардың массасы мен заряды арақатынасын анықтау үшін Фурье түрлендіріліміне негізделген иондық циклотрон резонанстық массалық спектрометрияның негізін құрайды. Пеннинг тұзағын Франс Мишель Пеннинг пен Ханс Георг Демельт ойлап тапты, олар 1950 жылдары алғашқы тұзақты жасады.

Пауль ион тұзағы

Пол тұзағы — иондарды тұтқындау үшін статикалық тұрақты ток (DC) және радиожиіліктік (RF) тербелісті электр өрістерін пайдаланатын төртполярлы ион тұзағының бір түрі. Пауль тұзақтары көбінесе массалық спектрометрдің құрамдас бөліктері ретінде қолданылады. 3D төртполярлы ион тұзағының өзі Вольфганг Паульдің өнертабысы болып саналады, ол осы жұмысы үшін 1989 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Тұзақ екі гиперболалық металл электродтан тұрады, олардың фокустары бір-біріне қарама-қарсы орналасқан, ал гиперболалық сақина тәрізді электрод осы екі электродтың арасында, ортасында жайғасқан. Иондар осы үш электрод арасындағы кеңістікте тербелісті және статикалық электр өрістерінің әсерімен тұтқындалады.

Кингдон тұзағы және орбитрап

Кингдон тұзағы – жіңішке орталық сымнан, сыртқы цилиндрлі электродтан және екі шетіндегі оқшауланған ұштық электродтардан құралған. Статикалық қолданған кернеудің нәтижесінде электродтар арасында радиалды логарифмдік потенциал пайда болады. Кингдон тұзағында иондарды сақтауға арналған потенциалдық минимум жоқ; алайда олар орталық сымға қатысты белгілі бір бұрыштық импульспен сақталады, ал құрылғыдағы қолданылатын электр өрісі иондардың траекториясының тұрақтылығын қамтамасыз етеді. 1981 жылы Найт иондарды тұзақ осінде шектейтін осьтік төртполюс мүшесін қамтитын өзгертілген сыртқы электродты ұсынды. Динамикалық Кингдон тұзағында зарядталған бөлшектерді тұрақты сақтау үшін күшті дефокусқа қолданылатын қосымша айнымалы ток кернеуі бар. Динамикалық Кингдон тұзағы тұтқындалған иондардың жіпке қатысты бұрыштық импульсын қажет етпейді. Орбитрап – бұл массалық спектрометрияда қолданылатын Кингдон тұзағының модификацияланған түрі. Бұл идея ұсынылып, компьютерлік модельдеулер жүргізілгенімен, Кингдон немесе Найт конфигурациялары массалық спектрлерді шығара алмағаны хабарланды, себебі модельдеулер массалық ажыратымдылықтың қиындықтар тудыратынын көрсетті.

Тұтқынға түскен иондық кванттық компьютер

Кейбір эксперименталды жұмыстар кванттық компьютерлерді жасау үшін тұтқынға түскен иондарды пайдаланады. Кванттық ақпараттың бірліктері – кубиттер, олар әрбір ионның тұрақты электрондық күйінде сақталады. Кванттық ақпарат иондардың бірлескен квантталған қозғалысы арқылы өңделеді және беріледі, олар Кулон күшімен өзара әрекеттеседі. Лазерлер кубит күйлері арасында байланыс тудыру үшін (жеке кубит операциялары үшін) немесе ішкі кубит күйлері мен сыртқы қозғалыс күйлері арасында (кубиттер арасындағы байланыс үшін) қолданылады.