Capcana lui Penning

Capcanele de blocare sunt dispozitive pentru stocarea particulelor încărcate care utilizează un câmp magnetic static omogen și un câmp electric static neomogen spațial. Acest tip de capcană este adecvat în special pentru măsurarea precisă a proprietăților ionilor și a particulelor subatomice stabile care au încărcare electrică . Recent, această capcană a fost utilizată în realizarea fizică a computerului cuantic , precum și în procesul de informare cuantică . Capcana Penning a fost de asemenea folosită la realizarea a ceea ce este cunoscut sub numele de atom de geoniu . Capcanele de scriere sunt utilizate în prezent în multe laboratoare din întreaga lume. De exemplu, la CERN sunt folosite pentru a stoca antiprotoni .

O versiune cilindrică a Capcanei Penniing, cu capete deschise pentru a permite trecerea unui flux

Istorie

Hans Georg Dehmelt, care a construit pentru prima dată capcana Penning, a denumit-o după FM Penning (1894-1953). Dehmelt a fost inspirat de manometrul construit de Penning, unde un curent care curge printr-un tub de descărcare într-un câmp magnetic este proporțional cu presiunea. În autobiografia H. Dehmelt citim:

„Am început să mă concentrez pe geometria de descărcare a magnetronului lui Penning, al cărui contor de ioni Penning îmi atrăsese deja interesul pentru Göttingen și Duke. În lucrările lor din 1955 asupra rezonanței ciclotronice pe fotoelectroni în vid, Franken și Liebes au raportat schimbări de frecvență nedorite cauzate de captarea accidentală a electronilor. Analiza lor m-a făcut să înțeleg că într-un câmp cvadrupol electric pur deplasarea nu ar depinde de poziția electronului prins. Acesta este un avantaj important pentru multe alte capcane pe care am decis să le exploatez. O capcană de magnetron de acest tip a fost ilustrată pe scurt în cartea lui JR Pierce din 1949 și am dezvoltat o descriere simplă a mișcărilor axiale, magnetronice și ciclotronice ale unui electron din ea. Cu ajutorul expertului în sticlă al departamentului, Jake Jonson, am construit prima mea capcană cu magnetron cu vid ridicat în 1959 și am reușit în curând să prind electronii timp de aproximativ 10 secunde și să detectez rezonanțe axiale, magnetronice și ciclotronice. "

( H. Dehmelt )

H. Dehmelt a împărtășit Premiul Nobel pentru fizică din 1989 pentru dezvoltarea tehnicii de captare a ionilor.

Principiul de funcționare

Principiul de funcționare al capcanei Penning: 1) câmp electric constant (în albastru); 2) cvadrupol (a: capace, b: inel) 3) câmp magnetic (în roșu) 4) generat de magnetul cilindric (c) 5) particula electrică din centru (aici pozitivă și în roșu) este prinsă în vid camera.

Capcanele folosind un câmp magnetic axial omogen puternic pentru a limita particulele radial și un câmp electric cvadrupolar pentru a limita particulele axial. Potențialul electrostatic poate fi generat folosind o serie de trei electrozi : un inel și două capace. Într-o capcană ideală Penning, inelul și capacele sunt hiperboloizi de revoluție. Pentru a prinde ioni pozitivi (negativi), electrozii învelișului sunt ținuți la un potențial pozitiv (negativ) față de inel. Acest potențial produce un punct de șa în centrul capcanei, care captează ioni de-a lungul direcției axiale. Câmpul electric face ca osii să oscileze (armonios în cazul unei capcane Penning ideale) de-a lungul axei capcanei. Câmpul magnetic în combinație cu câmpul electric permite particulelor să se deplaseze în plan radial cu o mișcare care urmărește un epitroid .

Mișcarea orbitală a ionilor în plan radial este compusă din două moduri la frecvențe care se numesc magnetronice $\omega _{-}$ ${\ displaystyle \ omega _ {-}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {-}}$ și ciclotronică modificată $\omega _{+}$ ${\ displaystyle \ omega _ {+}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {+}}$ . Aceste mișcări sunt similare, respectiv, cu epiciclul și diferențiate cu modelul ptolemeic al sistemului solar.

O traiectorie clasică în plan radial pentru

\omega _{+}/\omega _{-}=8

{\ displaystyle \ omega _ {+} / \ omega _ {-} = 8}

{\ displaystyle \ omega _ {+} / \ omega _ {-} = 8}

Suma acestor două frecvențe este frecvența ciclotronului , care depinde doar de relația dintre sarcina electrică și masă și de intensitatea câmpului magnetic . Această frecvență poate fi măsurată foarte precis și utilizată pentru a măsura masele particulelor încărcate. Multe dintre măsurătorile de înaltă precizie ale maselor (de electron , proton , ² H , ²⁰ Ne și ²⁸ Da ) provin din capcane Penning.

Răcirea cu gaz tampon , răcirea rezistivă și răcirea cu laser sunt tehnici care vă permit să eliminați energia din ioni într-o capcană Penning.
Răcirea gazului tampon se bazează pe coliziuni între ioni și molecule de gaz neutru, ceea ce aduce energia ionilor mai aproape de energia moleculelor de gaz.
La răcirea rezistivă, sarcinile de imagine care se deplasează între electrozi sunt făcute să funcționeze printr-un rezistor extern, eliminând astfel energia din ioni.
Răcirea cu laser poate fi utilizată pentru a elimina energia din anumite tipuri de ioni din capcanele Penning. Această tehnică necesită ioni cu o structură electronică adecvată, cum ar fi cea a metalelor alcaline.
Răcirea radiativă este procesul prin care ionii pierd energie prin crearea undelor electromagnetice în virtutea accelerării lor în câmpul magnetic. Acest proces este dominant în răcirea electronilor în capcanele Penning, dar este foarte mic și de obicei neglijabil pentru particulele mai grele.

Utilizarea capcanei Penning poate avea avantaje față de capcana de radiofrecvență ( capcana lui Paul ). În primul rând, numai câmpurile statice sunt aplicate în capcana Penning și, prin urmare, nu există micro-mișcare și încălzirea consecventă a ionilor datorită câmpurilor dinamice. În plus, capcana Penning poate fi mărită, păstrând în același timp o putere de captare puternică. Ionii prinși pot fi apoi ținuți departe de suprafețele electrodului. Interacțiunea cu potențialul de pe suprafețele electrodului poate fi responsabilă pentru efectele de încălzire și decoerență și aceste efecte acționează cu o funcție exponențial ridicată a inversului distanței dintre ion și electrod.

Spectrometrie de masă transformată Fourier

Același subiect în detaliu: analizor de rezonanță a ionului ciclotronic transformat Fourier .

Spectrometria de masă cu rezonanță ciclotronică transformată Fourier (mai cunoscută sub numele de spectrometrie de masă transformată Fourier) este un tip de spectrometrie de masă utilizat pentru a determina raportul masă-sarcină (m / z) al ionilor pe baza frecvenței ciclotronice a ionilor într-un magnet fix camp. ^[1] Ionii sunt prinși într-o capcană Penning unde sunt excitați să se miște într-o rază ciclotronică mai mare printr-un câmp electric oscilant perpendicular pe câmpul magnetic. Excitația determină, de asemenea, mișcarea ionilor în fază între ei (într-un pachet). Semnalul este detectat ca un curent de imagine pe o pereche de plăci lângă care tranzitează pachetul de ioni în timp ce se află în ciclotron. Semnalul rezultat se numește decadere de inducție liberă (FID = Free Induction Decay), tranzitorie sau interferogramă, constând dintr-o suprapunere a undelor sinusoidale . Semnalul util este extras din date prin efectuarea unei transformate Fourier care produce un spectru de masă .

Ionii simpli pot fi studiați într-o capcană Penning menținută la o temperatură de 4 grade K. Pentru aceasta, electrodul inelar este segmentat în timp ce electrozii opuși sunt conectați la o bobină supraconductoare și la sursa și poarta unui tranzistor de efect de câmp . Bobina și capacitățile parazite ale circuitului formează un circuit LC cu un Q de aproximativ 50.000. Circuitul LC este excitat de un impuls electric extern. Electrozii segmentați cuplează mișcarea electronului unic cu circuitul LC. Astfel, energia din circuitul LC în rezonanță cu ionul oscilează încet între mulți electroni (10000) din poarta tranzistorului cu efect de câmp și electronul unic. Acest lucru poate fi detectat în semnal cu amortizarea tranzistorului cu efect de câmp.

Notă

^(EN) Marshall, AG; Hendrickson, CL; Jackson, GS, spectrometrie de masă cu rezonanță ciclotronică transformată de Fourier: un primer. Mass Spectrom Rev 17 , 1-35.

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Capcana lui Penning

linkuri externe

( EN ) Premiul Nobel pentru fizică 1989 , pe nobelprize.org .
( RO ) Spectrometrul de masă cu capcană de înaltă precizie SMILETRAP din Stockholm, Suedia , pe atom.physto.se . Adus la 4 mai 2010 (arhivat din original la 18 iulie 2011) .

[1] (EN) Marshall, AG; Hendrickson, CL; Jackson, GS, spectrometrie de masă cu rezonanță ciclotronică transformată de Fourier: un primer. Mass Spectrom Rev 17 , 1-35.

[1]

V · D · M Antimateria
Antiparticule	Antineutron · Antiproton · Positron
Atomi de antimaterie	Anti-heliu · Anti-hidrogen
Anihilare	Anihilarea electron-pozitroni
Producția de antimaterie	Accelerator de particule
Depozitarea antimateriei	Capcana lui Penning
Aplicații	Tomografie cu emisie de pozitroni · Combustibil
Grupuri de cercetare	CERN · ALPHA · ATHENA · ATRAP · ASACUSA
oameni	Paul Dirac · Carl David Anderson · Emilio Segrè · Andrej Sakharov