Penning tuzağı - Penning trap

Bir Penning kapanı , homojen bir eksenel manyetik alan ve homojen olmayan bir dört kutuplu elektrik alanı kullanarak yüklü parçacıkların depolanması için bir cihazdır . Bu tür bir tuzak, örneğin kütle, fisyon verimleri ve izomerik verim oranları gibi iyonların ve kararlı atom altı parçacıkların özelliklerinin hassas ölçümleri için özellikle uygundur . Başka bir örnek , elektron manyetik momentini ölçmek için bu şekilde yaratılan ve incelenen geonyum atomlarıdır . Son zamanlarda bu tuzaklar, kuantum hesaplamanın fiziksel olarak gerçekleştirilmesi ve kübitleri yakalayarak kuantum bilgi işlemede kullanılmıştır . Penning tuzakları, antiprotonlar gibi antimaddeyi depolamak için CERN de dahil olmak üzere dünya çapında birçok laboratuvarda kullanılmaktadır .

Akışa izin vermek için açık uçlu Penning kapanının silindirik bir versiyonu

Tarih

Penning tuzağı, adını ilk tuzağı kuran Hans Georg Dehmelt ( 1922–2017) tarafından FM Penning'den (1894–1953) almıştır . Dehmelt, FM Penning tarafından üretilen, manyetik alandaki bir deşarj tüpünden geçen akımın basınçla orantılı olduğu vakum ölçerden ilham aldı. H. Dehmelt'in otobiyografisinden alıntı:

"Penning iyon göstergesinde zaten Göttingen ve Duke'de ilgimi çeken magnetron/Penning deşarj geometrisine odaklanmaya başladım. 1955'te vakumda fotoelektronlar üzerinde siklotron rezonans çalışmalarında Franken ve Liebes istenmeyen frekans kaymaları bildirmişti. tesadüfi elektron yakalamasından kaynaklanıyor. Analizleri, saf elektrik dört kutuplu bir alanda kaymanın elektronun tuzaktaki konumuna bağlı olmayacağını anlamamı sağladı. Bu, yararlanmaya karar verdiğim diğer birçok tuzağa göre önemli bir avantaj. bu tür tuzak JR Pierce'ın 1949 kitabında kısaca tartışılmıştı ve içindeki bir elektronun eksenel, magnetron ve siklotron hareketlerinin basit bir tanımını geliştirdim. 1959'da ilk yüksek vakumlu magnetron tuzağımı kurdum ve çok geçmeden elektronları yaklaşık 10 saniye boyunca yakalayabildi ve eksenel, magnetron ve siklotron rezonanslarını tespit edebildi ." – H. Dehmelt

H. Dehmelt , iyon tuzağı tekniğini geliştirdiği için 1989'da Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştı .

Operasyon

Penning tuzakları, parçacıkları radyal olarak sınırlamak için güçlü bir homojen eksenel manyetik alan ve parçacıkları eksenel olarak sınırlamak için dört kutuplu bir elektrik alanı kullanır. Statik elektrik potansiyeli, üç elektrot seti kullanılarak üretilebilir : bir halka ve iki uç kapak. İdeal bir Penning tuzağında halka ve uç kapaklar, devrin hiperboloidleridir . Pozitif (negatif) iyonların yakalanması için uç başlık elektrotları, halkaya göre pozitif (negatif) bir potansiyelde tutulur. Bu potansiyel , tuzağın merkezinde, iyonları eksenel yönde yakalayan bir eyer noktası üretir . Elektrik alanı, iyonların tuzak ekseni boyunca salınmasına (ideal bir Penning tuzağı durumunda harmonik olarak) neden olur. Elektrik alanla birlikte manyetik alan, yüklü parçacıkların bir epitrokoidin izini süren bir hareketle radyal düzlemde hareket etmesine neden olur .

Radyal düzlemdeki iyonların yörünge hareketi , magnetron ve modifiye siklotron frekansları olarak adlandırılan frekanslarda iki moddan oluşur . Bu hareketler , güneş sisteminin Ptolemaik modelinin sırasıyla farklı ve epicycle'ına benzer . ${\ Displaystyle \ omega _{-}}$ ${\ Displaystyle \ omega _{+}}$

Radyal düzlemde klasik bir yörünge

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

Bu iki frekansın toplamından oluşur siklotron sadece oranına bağlıdır frekansı, elektrik yükü için kütle ve gücüne manyetik alan . Bu frekans çok hassas bir şekilde ölçülebilir ve yüklü parçacıkların kütlelerini ölçmek için kullanılabilir. En yüksek duyarlıklı kütle ölçümlerinin (kitlelerinin çoğu elektron , proton , ²H , ²⁰Ne ve ²⁸Si ) Penning'in tuzakları gelir.

Tampon gazla soğutma, dirençli soğutma ve lazerle soğutma , Penning tuzağındaki iyonlardan enerjiyi uzaklaştırmak için kullanılan tekniklerdir. Tampon gaz soğutması, iyon enerjisini gaz moleküllerinin enerjisine yaklaştıran iyonlar ve nötr gaz molekülleri arasındaki çarpışmalara dayanır. Dirençli soğutmada, elektrotlardaki hareketli görüntü yükleri , iyonlardan enerjiyi etkin bir şekilde kaldırarak, harici bir direnç aracılığıyla iş yapmak için yapılır. Penning tuzaklarındaki bazı iyon türlerinden enerjiyi uzaklaştırmak için lazer soğutma kullanılabilir. Bu teknik, uygun bir elektronik yapıya sahip iyonlar gerektirir . Radyasyonlu soğutma, iyonların manyetik alandaki ivmeleri sayesinde elektromanyetik dalgalar oluşturarak enerji kaybetmeleri işlemidir . Bu süreç, Penning tuzaklarındaki elektronların soğumasında baskındır, ancak çok küçüktür ve daha ağır parçacıklar için genellikle ihmal edilebilir.

Penning tuzağını kullanmanın radyo frekansı tuzağına ( Paul tuzağı ) göre avantajları olabilir . İlk olarak, Penning tuzağında sadece statik alanlar uygulanır ve bu nedenle, genişletilmiş 2 ve 3 boyutlu iyon Coulomb kristalleri için bile, dinamik alanlardan dolayı iyonların mikro hareket ve sonuçtaki ısınması yoktur. Ayrıca Penning tuzağı, güçlü yakalama korunurken büyütülebilir. Yakalanan iyon daha sonra elektrot yüzeylerinden daha uzakta tutulabilir. Elektrot yüzeylerindeki yama potansiyelleri ile etkileşim, ısıtma ve dekoherans etkilerinden sorumlu olabilir ve bu etkiler, iyon ile elektrot arasındaki ters mesafenin yüksek gücü olarak ölçeklenir.

Fourier dönüşümü kütle spektrometrisi

Fourier dönüşümü iyon siklotron rezonans kütle spektrometrisi (Fourier dönüşümü kütle spektrometrisi olarak da bilinir), sabit bir iyonların siklotron frekansına dayalı olarak iyonların kütle-yük oranını (m/z) belirlemek için kullanılan bir tür kütle spektrometrisidir. manyetik alan. İyonlar, manyetik alana dik salınımlı bir elektrik alanı tarafından daha büyük bir siklotron yarıçapına uyarıldıkları bir Penning tuzağına hapsolur. Uyarma ayrıca iyonların fazda (bir pakette) hareket etmesine neden olur. Sinyal, iyon paketinin siklotron olarak yakınından geçtiği bir çift plaka üzerinde bir görüntü akımı olarak algılanır. Ortaya çıkan sinyal, sinüs dalgalarının bir süperpozisyonundan oluşan bir serbest indüksiyon bozunumu (fid), geçici veya interferogram olarak adlandırılır . Bir kütle spektrumu vermek için bir Fourier dönüşümü gerçekleştirerek bu verilerden yararlı sinyal çıkarılır .

4 K sıcaklıkta tutulan bir Penning tuzağında tek iyonlar incelenebilir. Bunun için halka elektrot bölümlere ayrılmıştır ve zıt elektrotlar süper iletken bir bobine ve bir alan etkili transistörün kaynağına ve kapısına bağlanır . Bobin ve devrenin parazitik kapasitanslar bir formu bir LC devresini LC devresi, bir dış elektrik atımı ile uyarılırsa 000 yaklaşık 50 arasında bir Q ile. Parçalı elektrotlar, tek elektronun hareketini LC devresine bağlar. Böylece, iyonla rezonans halindeki LC devresindeki enerji, alan etkili transistör kapısındaki birçok elektron (10000) ile tek elektron arasında yavaşça salınır. Bu, alan etkili transistörün boşalmasındaki sinyalde tespit edilebilir.

Geonyum atomu

Yere bağlı olduğu için bu şekilde adlandırılan bir geonium atomu , parçacıkların temel parametrelerini ölçmek için yararlı olan bir Penning tuzağında oluşturulmuş sözde atomlu bir sistemdir.

En basit durumda, kapana kısılmış sistem yalnızca bir parçacık veya iyondan oluşur . Böyle bir kuantum sistemi , hidrojen atomunda olduğu gibi , bir parçacığın kuantum durumları tarafından belirlenir . Hidrojen , çekirdek ve elektron olmak üzere iki parçacıktan oluşur , ancak çekirdeğe göre elektron hareketi, harici bir alandaki bir parçacığa eşdeğerdir, bkz . kütle merkezi çerçevesi .

Geoniumun özellikleri tipik bir atomdan farklıdır. Yük, tuzak ekseni etrafında siklotron hareketine maruz kalır ve eksen boyunca salınır. Kuantum özelliklerini "sürekli Stern-Gerlach " tekniği ile ölçmek için homojen olmayan bir manyetik "şişe alanı" uygulanır . Parçacığın enerji seviyeleri ve g faktörü yüksek hassasiyetle ölçülebilir. Van Dyck, Jr ve ark. 1978'de geonium spektrumlarının manyetik bölünmesini araştırdı ve 1987'de elektron yarıçapını kısıtlayan elektron ve pozitron g-faktörlerinin yüksek hassasiyetli ölçümlerini yayınladı.

Tek parçacık

Kasım 2017'de, uluslararası bir bilim adamları ekibi , manyetik momentini bugüne kadarki en yüksek hassasiyetle ölçmek için bir Penning tuzağında tek bir protonu izole etti. olduğu bulundu2.792 847 344 62 (82) nükleer magneton . CODATA 2018 değeri bununla eşleşir.

bilimkurguda

Penning tuzakları, yüklü parçacıkları tamamen elektromanyetik kuvvetlerle yakalama yetenekleri nedeniyle, Bilim Kurgu'da büyük miktarlarda antimadde depolamak için bir yöntem olarak kullanılır. Bunu gerçekte yapmak, şu anda elde edilebilenden çok daha yüksek kalitede bir boşluk gerektirecektir.

Languages

In other projects