Ловушка Пеннинга для удержания заряженных частиц

Введение

Устройство для хранения заряженных частиц

Ловушка Пеннинга – это устройство для хранения заряженных частиц, использующее однородное магнитное поле и квадрупольное электрическое поле. Она широко применяется в физических науках и смежных областях для точных измерений свойств ионов и стабильных субатомных частиц, таких как масса, выходы деления и отношения выходов изомерных состояний. Одним из первых объектов исследования были так называемые атомы геония, представляющие собой метод измерения магнитного момента электрона путем удержания одного электрона. Эти ловушки использовались в физической реализации квантовых вычислений и квантовой обработки информации путем захвата кубитов. Ловушки Пеннинга используются во многих лабораториях по всему миру, включая CERN, для хранения и изучения античастиц, таких как антипротоны. Основными преимуществами ловушек Пеннинга являются потенциально длительное время хранения и наличие множества методов для манипулирования и неразрушающего детектирования удерживаемых частиц. Это делает ловушки Пеннинга универсальными инструментами для исследования накопленных частиц, а также для их отбора, подготовки или простого хранения.

История

Ловушка Пеннинга была названа в честь Ф. М. Пеннинга (1894–1953) Гансом Георгом Демельтом (1922–2017), который построил первую ловушку. Демельт вдохновлялся вакуумным датчиком, разработанным Ф. М. Пеннингом, в котором ток через разрядную трубку в магнитном поле пропорционален давлению. Приводя цитату из автобиографии Х. Демельта: "Я начал сосредотачиваться на геометрии магнетрона/разряда Пеннинга, которая в ионном датчике Пеннинга уже привлекла мое внимание в Геттингене и в Дьюке. В своей работе 1955 года по циклотронному резонансу фотоэлектронов в вакууме Франкен и Либс сообщили о нежелательных сдвигах частоты, вызванных случайным захватом электронов. Их анализ заставил меня осознать, что в чистом электрическом квадрупольном поле сдвиг не будет зависеть от местоположения электрона в ловушке. Это важное преимущество перед многими другими ловушками, которое я решил использовать. Магнетронная ловушка этого типа была кратко описана в книге Дж. Р. Пирса 1949 года, и я разработал простое описание осевых, магнетронных и циклотронных движений электрона в ней. С помощью опытного стеклодува кафедры, Джейка Джонсона, я построил свою первую высокочастотную магнетронную ловушку в 1959 году и вскоре смог удерживать электроны около 10 секунд и обнаруживать осевые, магнетронные и циклотронные резонансы." – Х. Демельт.

Х. Демельт разделил Нобелевскую премию по физике в 1989 году за разработку метода ионной ловушки.

Операция

В ловушках Пеннинга используется сильное однородное осевое магнитное поле для радиального удержания частиц и квадрупольное электрическое поле для удержания частиц по оси. Статический электрический потенциал может быть создан с помощью набора из трех электродов: кольца и двух концевых крышек. В идеальной ловушке Пеннинга кольцо и концевые крышки являются гиперболоидами вращения. Для удержания положительных (отрицательных) ионов концевые электроды поддерживаются на положительном (отрицательном) потенциале относительно кольца. Этот потенциал создает седловую точку в центре ловушки, которая удерживает ионы вдоль осевого направления. Электрическое поле заставляет ионы колебаться (гармонически в случае идеальной ловушки Пеннинга) вдоль оси ловушки. Магнитное поле в сочетании с электрическим полем заставляет заряженные частицы двигаться в радиальной плоскости по траектории, описывающей эпитрохоиду. Орбитальное движение ионов в радиальной плоскости состоит из двух мод на частотах, называемых магнитронной и модифицированной циклотронной. Эти движения аналогичны деференту и эпициклу, соответственно, в птолемеевской модели Солнечной системы. Сумма этих двух частот равна циклотронной частоте, которая зависит только от отношения электрического заряда к массе и от напряженности магнитного поля. Эту частоту можно измерить с высокой точностью и использовать для измерения масс заряженных частиц. Многие из наиболее точных измерений массы (массы электрона, протона, 2H, 20Ne и 28Si) получены с использованием ловушек Пеннинга. Буферное газовое охлаждение, резистивное охлаждение и лазерное охлаждение – это методы удаления энергии из ионов в ловушке Пеннинга. Буферное газовое охлаждение основано на столкновениях между ионами и нейтральными молекулами газа, которые приближают энергию ионов к энергии молекул газа. При резистивном охлаждении движущиеся образные заряды в электродах совершают работу через внешний резистор, эффективно отводя энергию от ионов. Лазерное охлаждение может быть использовано для удаления энергии из некоторых видов ионов в ловушках Пеннинга. Для этого требуются ионы с подходящей электронной структурой. Радиационное охлаждение – это процесс, при котором ионы теряют энергию, излучая электромагнитные волны в результате своего ускорения в магнитном поле. Этот процесс доминирует в охлаждении электронов в ловушках Пеннинга, но он очень мал и обычно пренебрежимо мал для более тяжелых частиц. Использование ловушки Пеннинга может иметь преимущества перед радиочастотной ловушкой (пауль-ловушкой). Во-первых, в ловушке Пеннинга используются только статические поля, поэтому отсутствует микродвижение и, как следствие, нагрев ионов из-за динамических полей, даже для протяженных 2- и 3-мерных ионных кулоновских кристаллов. Кроме того, ловушку Пеннинга можно увеличить в размерах, сохраняя при этом эффективное удержание. Тогда захваченный ион может быть удержан дальше от поверхности электродов. Взаимодействие с поверхностными потенциалами на поверхности электродов может приводить к нагреву и декогерентности, и эти эффекты масштабируются как высокая степень обратной величины расстояния между ионом и электродом.

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.

Массовая спектрометрия с трансформацией Фурье

Фурье-трансформационная циклотронная резонансная масс-спектрометрия (также известная как масс-спектрометрия с преобразованием Фурье) – это тип масс-спектрометрии, используемый для определения отношения массы к заряду (m/z) ионов на основе циклотронной частоты ионов в фиксированном магнитном поле. Ионы захватываются в ловушку Пеннинга, где они возбуждаются до большего радиуса циклотрона колеблющимся электрическим полем, перпендикулярным магнитному полю. Возбуждение также приводит к тому, что ионы двигаются синфазно (в виде пакета). Сигнал регистрируется как ток изображения на паре пластин, мимо которых проходит пакет ионов во время циклотронного движения. Полученный сигнал называется свободным индукционным затуханием (FID), переходным процессом или интерферограммой, который состоит из суперпозиции синусоидальных волн. Полезный сигнал извлекается из этих данных путем выполнения преобразования Фурье для получения масс-спектра. Отдельные ионы могут быть исследованы в ловушке Пеннинга, поддерживаемой при температуре 4 К. Для этого кольцевой электрод сегментирован, а противоположные электроды соединены со сверхпроводящей катушкой и истоком и затвором полевого транзистора. Катушка и паразитные емкости цепи образуют LC-контур с добротностью около 50 000. LC-контур возбуждается внешним электрическим импульсом. Сегментированные электроды связывают движение отдельного электрона с LC-контуром. Таким образом, энергия в LC-контуре, находящемся в резонансе с ионом, медленно колеблется между множеством электронов (10 000) в затворе полевого транзистора и одиночным электроном. Это можно обнаружить в сигнале на стоке полевого транзистора.

Атом геония

Атом геония — это псевдоатомная система, состоящая из одного электрона или иона, удерживаемого в ловушке Пеннинга и "связанного" с остальной частью Земли, отсюда и термин "геоний". Название было предложено Г. Г. Демельтом. Ван Дайк и др. исследовали магнитное расщепление спектров геония в 1978 году, а в 1987 году опубликовали высокоточные измерения g-факторов электрона и позитрона, которые позволили ограничить радиус электрона.

Одиночная частица

В ноябре 2017 года международная группа ученых изолировала отдельный протон в ловушке Пеннинга для измерения его магнитного момента с наивысшей точностью на сегодняшний день. Результат составил 2,79284734462. Значение, рекомендованное CODATA 2018, совпадает с этим результатом.

В научной фантастике

Из-за способности удерживать заряженные частицы исключительно электромагнитными силами, ловушки Пеннинга используются в научной фантастике как способ хранения больших объемов антиматерии. Реализация этого в действительности потребовала бы вакуума значительно более высокого качества, чем достижимого на данный момент.