Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Зарядталған бөлшектерді оқшаулауға арналған аппараттың түрі. Эксперименталды физикада төртполюс ион тұзағы немесе Пауль тұзағы – зарядталған бөлшектерді тұтқындау үшін динамикалық электр өрістерін пайдаланатын ион тұзағының бір түрі. Олар радиожиіліктік (RF) тұзақтар деп те аталады, немесе бұл құрылғыны ойлап тапқан және 1989 жылы осы жұмысы үшін физика саласындағы Нобель сыйлығын алған Вольфганг Паульдің құрметіне Пауль тұзақтары деп аталады. Ол массалық спектрометрдің немесе тұтқындалған иондық кванттық компьютердің құрамдас бөлігі ретінде қолданылады.
Type of apparatus for isolating charged particles
In experimental physics, a quadrupole ion trap or paul trap is a type of ion trap that uses dynamic electric fields to trap charged particles. They are also called radio frequency (RF) traps or Paul traps in honor of Wolfgang Paul, who invented the device and shared the Nobel Prize in Physics in 1989 for this work. It is used as a component of a mass spectrometer or a trapped ion quantum computer.
Шолу
Зарядталған бөлшек, мысалы, атомдық немесе молекулалық ион, электр өрісінен күш сезінеді. Зарядталған бөлшекті үш бағытта да тұрақты түрде ұстап тұратын электр өрістерінің статикалық конфигурациясын жасау мүмкін емес (бұл шектеу Ерншоу теоремасы деп аталады). Дегенмен, уақыт бойынша өзгеретін электр өрістерін пайдалану арқылы үш бағытта да орташа ұстау күшін жасауға болады. Мұны істеу үшін, бөлшектің тұзақтан шығу уақытынан жылдамдықпен ұстау және оған қарсы ұстау бағыттары ауыстырылады. Ауысу жиілігі көбінесе радиожиілік диапазонында болатындықтан, тұзақтар "радиожиілік" тұзақтары деп те аталады. Төртполюс – мұндай тұзақтарда қолданылатын ең қарапайым электр өрісі геометриясы, бірақ арнайы құрылғылар үшін күрделі геометриялар да қолданылуы мүмкін. Электр өрістері металл электродтардағы электр потенциалдары арқылы жасалады. Таза квадрополяр гиперболалық электродтардан жасалады, бірақ цилиндрлік электродтар өндіруді жеңілдету үшін жиі қолданылады. Электродтары жазықтықта орналасқан, ал тұзақтау аймағы жазықтықтың үстінде болатын микрофабрикатталған иондық тұзақтар да бар. Тұзақтардың екі негізгі классы бар, олар тербелісті өрістің үш немесе екі өлшемде ұстауды қамтамасыз етуіне байланысты. Екі өлшемді жағдайда ("сызықтық радиожиілік тұзақ") үшінші бағыттағы ұстауды статикалық электр өрістері қамтамасыз етеді.
A charged particle, such as an atomic or molecular ion, feels a force from an electric field. It is not possible to create a static configuration of electric fields that traps the charged particle in all three directions (this restriction is known as Earnshaw's theorem). It is possible, however, to create an average confining force in all three directions by use of electric fields that change in time. To do so, the confining and anti confining directions are switched at a rate faster than it takes the particle to escape the trap. The traps are also called "radio frequency" traps because the switching rate is often at a radio frequency. The quadrupole is the simplest electric field geometry used in such traps, though more complicated geometries are possible for specialized devices. The electric fields are generated from electric potentials on metal electrodes. A pure quadrupole is created from hyperbolic electrodes, though cylindrical electrodes are often used for ease of fabrication. Microfabricated ion traps exist where the electrodes lie in a plane with the trapping region above the plane. There are two main classes of traps, depending on whether the oscillating field provides confinement in three or two dimensions. In the two dimension case (a so called "linear RF trap"), confinement in the third direction is provided by static electric fields.
Теория
3D тұзақтың өзі әдетте бір-біріне қарама-қарсы орналасқан ошақтары бар екі гиперболалық металл электродтан және осы екі электродтың арасында орналасқан гиперболалық сақина тәрізді электродтан тұрады. Иондар осы үш электрод арасындағы кеңістікте AC (осцилляциялық) және DC (статикалық) электр өрістерімен ұсталады. Егер ионды қоздыру қажет болса, AC радиожиіліктік кернеу екі гиперболалық металл қақпақ электродтары арасында тербеледі; иондарды қоздыру үшін AC кернеуі сақина тәрізді электродқа қолданылады. Алдымен иондар радиалды бағытта итеріліп, ось бойымен жоғары және төмен тартылады. Содан кейін иондар радиалды бағытта тартылып, ось бойымен итеріледі (жоғарыдан және төменнен). Осылайша иондар күрделі қозғалыс жасайды, ол әдетте иондар бұлтының ұзын және тар, содан кейін қысқа және кең болуын, алға-артқа қозғалысын және екі күй арасында тербелуін қамтиды. 1980 жылдардың ортасынан бері көптеген 3D тұзақтар (Пол тұзақтары) ~1 мТор гелий қолданды. Стаффорд және авторлар әзірлеген демпферлік газды пайдалану және массалық селективті тұрақсыздық режимі алғашқы коммерциялық 3D ион тұзақтарының пайда болуына әкелді. Квадрупольді ион тұзақтың екі негізгі конфигурациясы бар: жоғарыда сипатталған үш өлшемді форма және 4 параллель электродтан тұратын сызықтық форма. Сондай-ақ, қарапайым тік сызықты конфигурация да қолданылады. Сызықтық конструкцияның артықшылығы – оның үлкен сақтау сыйымдылығы (әсіресе Доплер салқындатылған иондар үшін) және қарапайымдылығы, бірақ бұл оның модельдеуіне ерекше шектеулер қояды. Пол тұзағы зарядталған ионды ұстау үшін аттың ішкі бөлігі тәрізді өріс құруға арналған, бірақ квадрупольмен бұл аттың ішкі бөлігі тәрізді электр өрісін ортадағы ионның айналасында бұру мүмкін емес. Ол тек өрісті жоғары және төмен қарай "қозғалта" алады. Осы себепті тұзақтағы бір ионның қозғалысы Матье теңдеулерімен сипатталады, оларды компьютерлік модельдеу арқылы ғана сандық түрде шешуге болады. Интуитивті түсіндірме және ең төменгі дәрежедегі жуықтау, үдеткіш физикасындағы күшті фокустаумен бірдей. Өріс үдеуге әсер ететіндіктен, позиция кешігеді (ең төменгі дәрежеде жарты периодқа). Сондықтан бөлшектер өріс фокустағанда дефокус жағдайында болады және керісінше. Ортадан алшақтағандықтан, олар өріс фокустағанда емес, дефокус жағдайында күштірек өріске ұшырайды.
The 3D trap itself generally consists of two hyperbolic metal electrodes with their foci facing each other and a hyperbolic ring electrode halfway between the other two electrodes. The ions are trapped in the space between these three electrodes by AC (oscillating) and DC (static) electric fields. The AC radio frequency voltage oscillates between the two hyperbolic metal end cap electrodes if ion excitation is desired; the driving AC voltage is applied to the ring electrode. The ions are first pulled up and down axially while being pushed in radially. The ions are then pulled out radially and pushed in axially (from the top and bottom). In this way the ions move in a complex motion that generally involves the cloud of ions being long and narrow and then short and wide, back and forth, oscillating between the two states. Since the mid 1980s most 3D traps (Paul traps) have used ~1 mTorr of helium. The use of damping gas and the mass selective instability mode developed by Stafford et al. led to the first commercial 3D ion traps. The quadrupole ion trap has two main configurations: the three dimensional form described above and the linear form made of 4 parallel electrodes. A simplified rectilinear configuration is also used. The advantage of the linear design is its greater storage capacity (in particular of Doppler cooled ions) and its simplicity, but this leaves a particular constraint on its modeling. The Paul trap is designed to create a saddle shaped field to trap a charged ion, but with a quadrupole, this saddle shaped electric field cannot be rotated about an ion in the centre. It can only 'flap' the field up and down. For this reason, the motions of a single ion in the trap are described by Mathieu equations, which can only be solved numerically by computer simulations. The intuitive explanation and lowest order approximation is the same as strong focusing in accelerator physics. Since the field affects the acceleration, the position lags behind (to lowest order by half a period). So the particles are at defocused positions when the field is focusing and vice versa. Being farther from center, they experience a stronger field when the field is focusing than when it is defocusing.
Сызықтық ион тұзақ
Сызықтық ион тұзағы иондарды радиалды шектеу үшін төртполюс тағандар жиынтығын, ал иондарды осьтік бағытта шектеу үшін ұштық электродтардағы статикалық электр потенциалын пайдаланады. Тұзақтың сызықтық түрі таңдамалы массалық сүзгі ретінде немесе электродтар осі бойында иондар үшін потенциалдық құдық құру арқылы нағыз тұзақ ретінде қолданылуы мүмкін. Сызықтық тұзақ дизайнының артықшылықтары – жоғары ион сақтау сыйымдылығы, жылдам сканерлеу уақыты және құрылымның қарапайымдылығы (бірақ төртполюс тағандардың дұрыс орналасуы маңызды, бұл олардың өндірісіне сапаны бақылау талаптарын қосады. Бұл талап 3D тұзақтың өңдеу талаптарында да кездеседі).
The linear ion trap uses a set of quadrupole rods to confine ions radially and a static electrical potential on end electrodes to confine the ions axially. The linear form of the trap can be used as a selective mass filter, or as an actual trap by creating a potential well for the ions along the axis of the electrodes. Advantages of the linear trap design are increased ion storage capacity, faster scan times, and simplicity of construction (although quadrupole rod alignment is critical, adding a quality control constraint to their production. This constraint is additionally present in the machining requirements of the 3D trap).
Цилиндрлі ион тұзақ
Цилиндрлік, гиперболалық емес сақиналы электродтары бар иондық тұзақтар жасалды және медициналық диагностика және басқа да салалардағы химиялық анықтау үшін миниатюралық массалық спектрометрлерді жасау мақсатында массивтерде микроөндірілді.
Ion traps with a cylindrical rather than a hyperbolic ring electrode have been developed and microfabricated in arrays to develop miniature mass spectrometers for chemical detection in medical diagnosis and other fields.
Жазық ион тұзақ
Төртполюсті тұзақтарды жазық электродтар жиынтығын қолдана отырып да "ашуға" болады, бұл бірдей эффектіні қамтамасыз етеді. Мұндай тұзақ геометриясын стандартты микроөндіріс әдістерімен жасауға болады, оның ішінде стандартты CMOS микроэлектроника процесіндегі жоғарғы металл қабаты да солардың қатарында. Бұл, тұтқынға түскен иондық кванттық компьютерлерді пайдалы кубиттер санына дейін кеңейтудің маңызды технологиясы болып табылады.
Quadrupole traps can also be "unfolded" to create the same effect using a set of planar electrodes. This trap geometry can be made using standard micro fabrication techniques, including the top metal layer in a standard CMOS microelectronics process, and is a key technology for scaling trapped ion quantum computers to useful numbers of qubits.
Комбинияланған радиожиілік тұзақ
Комбинированная радиожиілік тұзақ – Пауль ион тұзағы мен Пеннинг тұзағының үйлесімі. Төртполюсті ион тұзағының негізгі кемшіліктерінің бірі – ол тек бір зарядталған түрді немесе бірдей массаға жақын бірнеше түрді ғана ұстай алады. Бірақ антигидроген өндірісі сияқты кейбір жағдайларда, массалары күрт өзгеше зарядталған бөлшектердің екі түрін ұстау қажет. Бұл мақсатқа жету үшін төртполюсті ион тұзағының осі бойына біртекті магнит өрісі қосылады.
A combined radio frequency trap is a combination of a Paul ion trap and a Penning trap. One of the main bottlenecks of a quadrupole ion trap is that it can confine only single charged species or multiple species with similar masses. But in certain applications like antihydrogen production it is important to confine two species of charged particles of widely varying masses. To achieve this objective, a uniform magnetic field is added in the axial direction of the quadrupole ion trap.
Цифрлық ион тұзақ
Цифрлық ион тұзағы (DIT) – төртполюсті ион тұзағы (сызықтық немесе 3D), ол дәстүрлі тұзақтардан басқару толқын формасымен ерекшеленеді. DIT цифрлық сигналдармен басқарылады, әдетте тікбұрышты толқын формалары арқылы, олар дискретті кернеу деңгейлері арасында жылдам ауысу арқылы жасалады. DIT-тің негізгі артықшылықтары – оның әмбебаптығы және дерлік шексіз массалық диапазоны. Цифрлық ион тұзағы негізінен масса анализаторы ретінде жасалған.
The digital ion trap (DIT) is a quadrupole ion trap (linear or 3D) that differs from conventional traps by the driving waveform. A DIT is driven by digital signals, typically rectangular waveforms that are generated by switching rapidly between discrete voltage levels. Major advantages of the DIT are its versatility and virtually unlimited mass range. The digital ion trap has been developed mainly as a mass analyzer.