Квадрупольная ионная ловушка: принцип работы и применение.
Quadrupole ion trap
Ионные ловушки (Paul traps): принцип работы, применение в масс-спектрометрии и квантовых компьютерах. Динамические поля для удержания заряженных частиц.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип аппарата для изоляции заряженных частиц
Type of apparatus for isolating charged particles
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.
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.
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.
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
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.
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.
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).
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.