Введение

Тип аппарата для изоляции заряженных частиц

В экспериментальной физике квадрупольная ионная ловушка, или ловушка Пауля, – это тип ионной ловушки, использующий динамические электрические поля для удержания заряженных частиц. Они также называются радиочастотными (РЧ) ловушками или ловушками Пола в честь Вольфганга Пауля, который изобрел это устройство и разделил Нобелевскую премию по физике в 1989 году за эту работу. Она используется как компонент масс-спектрометра или квантового компьютера с захваченными ионами.

Обзор

Заряженная частица, такая как атомный или молекулярный ион, испытывает силу со стороны электрического поля. Невозможно создать статическую конфигурацию электрических полей, которая удерживала бы заряженную частицу во всех трех направлениях (это ограничение известно как теорема Эрншоу). Однако возможно создать усредненную удерживающую силу во всех трех направлениях, используя электрические поля, изменяющиеся во времени. Для этого удерживающие и антиудерживающие направления переключаются с частотой, превышающей время, необходимое частице для выхода из ловушки. Такие ловушки также называют "радиочастотными", поскольку частота переключения часто лежит в радиочастотном диапазоне. Квадруполь – это простейшая геометрия электрического поля, используемая в подобных ловушках, хотя для специализированных устройств возможны и более сложные геометрии. Электрические поля генерируются электрическими потенциалами на металлических электродах. Чистый квадруполь создается гиперболическими электродами, хотя для упрощения изготовления часто используются цилиндрические электроды. Существуют микроизготовленные ионные ловушки, в которых электроды расположены в плоскости, а область удержания – над ней. Выделяют два основных класса ловушек, в зависимости от того, обеспечивает ли осциллирующее поле удержание в трех или двух измерениях. В двухмерном случае (так называемая "линейная радиочастотная ловушка") удержание в третьем направлении обеспечивается статическими электрическими полями.

Теория

Сама 3D-ловушка обычно состоит из двух гиперболических металлических электродов, сфокусированных друг на друга, и гиперболического кольцевого электрода, расположенного посередине между двумя другими электродами. Ионы удерживаются в пространстве между этими тремя электродами переменными (колеблющимися) и постоянными электрическими полями. Если требуется ионное возбуждение, радиочастотное напряжение переменного тока колеблется между двумя гиперболическими металлическими концевыми электродами, а управляющее напряжение переменного тока подается на кольцевой электрод. Сначала ионы перемещаются вверх и вниз по оси, одновременно испытывая радиальное выталкивание. Затем ионы вытягиваются радиально и вталкиваются осево (сверху и снизу). Таким образом, ионы совершают сложное движение, при котором облако ионов обычно становится вытянутым и узким, а затем коротким и широким, попеременно, колеблясь между этими состояниями. С середины 1980-х годов в большинстве 3D-ловушек (ловушек Поля) используется около 1 мТор гелия. Использование демпфирующего газа и режим нестабильности, селективный по массе, разработанный Стаффордом и соавторами, привели к созданию первых коммерческих 3D-ионных ловушек. Квадропольная ионная ловушка имеет две основные конфигурации: трехмерную форму, описанную выше, и линейную форму, состоящую из 4 параллельных электродов. Также используется упрощенная прямоугольная конфигурация. Преимущество линейной конструкции заключается в ее большей емкости хранения (особенно для ионов, охлажденных доплеровским способом) и простоте, однако это накладывает определенные ограничения на ее моделирование. Ловушка Поля предназначена для создания седлообразного поля для удержания заряженного иона, но в случае квадрополя это седлообразное электрическое поле нельзя вращать вокруг иона в центре. Оно может лишь "переворачиваться" вверх и вниз. По этой причине движение одиночного иона в ловушке описывается уравнениями Матье, которые можно решить только численно с помощью компьютерного моделирования. Интуитивное объяснение и приближение первого порядка аналогичны сильной фокусировке в физике ускорителей. Поскольку поле влияет на ускорение, положение отстает (в первом приближении на половину периода). Таким образом, частицы находятся в точках дефокусировки, когда поле фокусирует, и наоборот. Находясь дальше от центра, они испытывают более сильное поле при фокусировке, чем при дефокусировке.

Линейная ионная ловушка

Линейная ионная ловушка использует набор квадрупольных стержней для радиального удержания ионов и статический электрический потенциал на концевых электродах для осевого удержания ионов. Линейная форма ловушки может использоваться как селективный масс-фильтр или как настоящая ловушка, создавая потенциальную яму для ионов вдоль оси электродов. Преимущества конструкции линейной ловушки – повышенная емкость хранения ионов, более быстрое время сканирования и простота конструкции (хотя выравнивание квадрупольных стержней критически важно, что добавляет требование контроля качества к их производству. Это требование также присутствует в требованиях к механической обработке 3D-ловушки).

Цилиндрическая ионная ловушка

Ионные ловушки с цилиндрическим, а не гиперболическим кольцевым электродом были разработаны и изготовлены в виде массивов для создания миниатюрных масс-спектрометров, предназначенных для химического детектирования в медицинской диагностике и других областях.

Плоскостная ионная ловушка

Квадропольные ловушки также могут быть "развернуты" для достижения того же эффекта, используя набор плоских электродов. Такая геометрия ловушки может быть реализована с помощью стандартных методов микрофабрикации, включая металлический слой в стандартном CMOS-процессе микроэлектроники, и является ключевой технологией для масштабирования квантовых компьютеров на основе захваченных ионов до количества кубитов, необходимого для практических применений.

Комбинированная радиочастотная ловушка

Комбинированная радиочастотная ловушка – это комбинация ионной ловушки Пауля и ловушки Пеннинга. Одной из основных проблем четырехполюсной ионной ловушки является то, что она способна удерживать только одно заряженное вещество или несколько веществ с близкими массами. Однако в некоторых приложениях, таких как производство антиводорода, важно удерживать два вида заряженных частиц с существенно различающимися массами. Для достижения этой цели в осевом направлении четырехполюсной ионной ловушки добавляется однородное магнитное поле.

Цифровая ионная ловушка

Цифровая ионная ловушка (DIT) – это квадрупольная ионная ловушка (линейная или 3D), отличающаяся от традиционных ловушек управляющим сигналом. DIT управляется цифровыми сигналами, как правило, прямоугольными импульсами, генерируемыми быстрым переключением между дискретными уровнями напряжения. Основными преимуществами DIT являются его универсальность и практически неограниченный массовый диапазон. Цифровая ионная ловушка была разработана преимущественно как масс-анализатор.