Penning csapda
A Penning-csapda olyan eszköz, amely egyenletes statikus mágneses teret és térben nem egyenletes elektromos teret használ a töltött részecskék tárolására. Ezt a típusú csapdát gyakran használják az ionok és az elektromos töltéssel rendelkező stabil szubatomi részecskék tulajdonságainak pontos mérésére . A közelmúltban egy hasonló csapdát sikeresen alkalmaztak a kvantumszámítógép és a kvantumszámítógép fizikai megvalósításában . Penning csapdákat is használtak az úgynevezett "kvázi atom" létrehozására - az elektron kötött állapotára, amelyben az atommagot a Földdel azonosítják ( geonium atom ). A CERN -ben antiprotonok és más töltött antirészecskék tárolására szolgálnak .
Történelem
A csapda F. M. Penning (1894–1953) nevéhez fűződik Hans Georg Dehmelt , aki az első működő modellt építette. Dehmelt kidolgozta Penning ötletét, amelyet egy vákuummérőben valósított meg, ahol a gázkisüléses lámpán átfolyó áram mágneses tér jelenlétében arányos volt a nyomással. H. Demelt önéletrajzából:
„Elkezdtem a magnetron geometriájára és a Penning-résre koncentrálni, ami a Penning-ioncsőben megvalósítva felkeltette a figyelmemet Göttingen és Duke látogatása során. A ciklotronrezonanciáról és a fotoelektronok vákuumban való viselkedéséről szóló 1955-ös cikkében Franken és Liebs az elektronok véletlenszerű befogása által okozott parazita frekvenciaeltolódásról számolt be. Elemzésük arra a felismerésre vezetett, hogy egy tiszta kvadrupólus elektromos mezőjében az elmozdulás nem függhet a csapdában lévő elektron helyzetétől. Ez fontos előny sok más típusú csapdával szemben, amelyeket használni akartam. Egy ilyen típusú magnetroncsapdát röviden leírt J. R. Pierce 1949-ben megjelent könyve, és elkészítettem egy egyszerű leírást a benne lévő elektron axiális, magnetron és ciklotron oszcillációjáról. Karunk üvegfúvómestere, Jake Johnson segítségével 1959-ben megépítettem első nagyvákuum-magnetroncsapdámat, és hamarosan körülbelül 10 másodpercig képes voltam megtartani az elektronokat, valamint meghatározni axiális, magnetron és ciklotron rezonanciákat.” — H. Dehmelt
H. Demelt, három társszerző közül , 1989 -ben fizikai Nobel-díjat kapott az egyes ionok behatárolására szolgáló módszer kidolgozásáért.
Hogyan működik
A Penning csapda erős, egyenletes függőleges mágneses mezőt használ a részecskék behatárolására, hogy korlátozza a részecskék sugárirányú mozgását, és egy kvadrupól elektromos mezőt a függőleges mozgás korlátozására. Statikus elektromos potenciált lehet létrehozni három elektróda rendszerével: egy gyűrűből és két sapkából. Egy ideális Penning-csapdában a gyűrű és a sapkák a forradalom hiperboloidjai . A pozitív (negatív) ionok rögzítéséhez negatív (pozitív) feszültséget kapcsolunk a kupakokra a gyűrűhöz képest. Az ilyen potenciál nyeregpontot hoz létre a csapda közepén, és korlátozza az ionok függőleges oszcillációit. Az elektromos tér hatására az ionok (ideális Penning-csapda esetén harmonikusan) a csapda függőleges tengelye mentén oszcillálnak. Az elektromos térrel együtt a mágneses tér hatására az ionok vízszintes síkban mozognak egy epitrochoidnak nevezett pálya mentén . Az ionok keringési mozgása a vízszintes síkban két normál frekvenciájú rezgésből áll , amelyeket "magnetron" és "módosított ciklotron" frekvenciáknak nevezünk. Ezek az oszcillációk a Naprendszer Ptolemaioszi modelljének deferensére , illetve epiciklusára hasonlítanak .
E két frekvencia összegét ciklotronfrekvenciának nevezzük. A ciklotron frekvenciája csak az elektromos töltés és a tömeg arányától, valamint a mágneses tér nagyságától függ. Ez a frekvencia nagyon nagy pontossággal mérhető, ami lehetővé teszi a töltött részecskék tömegének meghatározását. Sok nagy pontosságú tömegmeghatározási kísérletet ( elektron , proton , 2H , 20Ne és 28Si ) Penning csapdákkal végeztek . A puffergázos hűtést , az ellenállásos hűtést vagy a lézeres hűtést arra használják, hogy eltávolítsák az energiát a Penning-csapdában lévő ionokból . A puffergáz hűtése ionok és semleges gázmolekulák ütközésein alapul, melynek során az ionok energiájának egy része a gázmolekulákba kerül. Az ellenállásos hűtéssel az elektródák mentén mozgó tükörtöltések egy külső ellenálláson dolgoznak, hatékonyan eltávolítva az ionok energiáját. A lézeres hűtés segíthet bizonyos típusú ionok hűtésében, de ehhez speciális elektronhéjszerkezettel kell rendelkezniük . Lehűlés akkor is bekövetkezik, amikor az ionok elektromágneses hullámokat bocsátanak ki, ami a mágneses térben való felgyorsult mozgásuk során következik be. Ez a folyamat domináns az elektronok esetében, de a nehezebb részecskék esetében a teljes hűtéshez való hozzájárulása elhanyagolhatóan csekély.
A Penning csapda használata számos előnnyel jár az RF Paul csapdával szemben . Először is, a Penning-csapdában csak statikus mezőket használnak, így nincs mikroszkopikus oszcilláció és az ionok felmelegedése egy váltakozó mezőben. Ezenkívül a Penning csapda nagyítható, miközben megtartja az ionok visszatartó képességét. A beszorult ion nagyobb távolságban tartható az elektródák felületétől. Az elektródák felületén lévő élpotenciálokkal való kölcsönhatások felmelegedést és dekoherenciát okozhatnak , és ezek a hatások egy nagy kitevővel rendelkező hatványtörvényben nőnek, ahogy az ion és az elektróda közötti távolság csökken.
Fourier transzformációs tömegspektrometria
A Fourier-transzformációs ion-ciklotron rezonancia tömegspektrometria a tömegspektrometria egy olyan típusa, amelyet az ionok töltés-tömeg arányának meghatározására használnak az ionok ciklotronfrekvenciájának mérése alapján egy adott mágneses térben. [1] Az ionokat egy Penning-csapda fogja be, amelyben rezgéseiket egy rezgő elektromos tér és egy rá merőleges mágneses tér segítségével gerjesztik. A gerjesztés mellékhatása, hogy az ionok fázisban (nyalábban) kezdenek mozogni. A jelet egy olyan lemezpár indukált árama határozza meg, amelyek között az ionsugár pályája áthalad. A kapott jelet szabad indukciós csillapításnak, impulzusnak vagy interferogramnak nevezzük, amely több szinuszos szuperpozíciója . Ezekből az adatokból egy hasznos jelet vonunk ki egy Fourier-transzformáció segítségével , ami tömegspektrumot eredményez .
Az egyes ionok Penning-csapdában 4K-on vizsgálhatók. Ehhez a gyűrűs elektródát több szegmensre osztják, és az ellentétes szegmenseket egy szupravezető tekercshez, valamint egy térhatású tranzisztor forrásához és kapujához csatlakoztatják . A tekercs és az áramkörben lévő parazita kapacitások oszcilláló LC áramkört alkotnak , amelynek minőségi tényezője körülbelül 50 000. Ezt az áramkört egy külső elektromos impulzus gerjeszti. A szegmentált elektródák egyetlen elektron mozgását kapcsolják össze az áramkör oszcillációival. Így az áramkörben az ionnal rezonanciában lévő energia lassan ingadozik a tranzisztor kapujában lévő több elektron (10 000) és egyetlen elektron között. Ez látható a FET leeresztőjénél lévő jelből. [2]
Jegyzetek
- ↑ Marshall, A.G.; Hendrickson, C. L.; Jackson, GS, Fourier-transzformációs ionciklotron-rezonancia tömegspektrometria: primer. Mass Spectrom Rev 17 , 1-35. . Letöltve: 2017. október 3. Az eredetiből archiválva : 2007. május 12.
- ↑ Münster_Physik_Kolloquium_2009_04_23_Abstract_Blaum . Hozzáférés dátuma: 2010. július 4. Az eredetiből archiválva : 2015. február 26.