Penning fælde

En Penning-fælde  er en enhed, der bruger et ensartet statisk magnetfelt og et rumligt uensartet elektrisk felt til at lagre ladede partikler. Denne type fælde bruges ofte til præcise målinger af egenskaberne af ioner og stabile subatomære partikler , der har en elektrisk ladning . I den seneste tid er en lignende fælde med succes blevet brugt i den fysiske implementering af en kvantecomputer og kvanteberegning . Penning-fælder blev også brugt til at skabe det såkaldte "kvasi-atom" - en bundet tilstand af elektronen, hvor kernen er identificeret med Jorden ( geonium atom ). PÅCERN bruger dem til at opbevare antiprotoner og andre ladede antipartikler .

Historie

Fælden er opkaldt efter F. M. Penning (1894–1953) af Hans Georg Dehmelt , der byggede den første arbejdsmodel. Dehmelt udviklede Pennings idé, som han realiserede i en vakuummåler, hvor strømmen, der strømmede gennem en gasudladningslampe i nærvær af et magnetfelt, var proportional med trykket. Fra H. Demelts selvbiografi:

"Jeg begyndte at koncentrere mig om geometrien af ​​magnetronen og Penning-gabet, som, der blev implementeret i Penning-ionrøret, fangede min opmærksomhed, mens jeg besøgte Göttingen og Duke. I deres papir fra 1955 om cyklotronresonans og opførsel af fotoelektroner i vakuum rapporterede Franken og Liebs et parasitisk frekvensskift forårsaget af tilfældige indfangninger af elektroner. Deres analyse førte mig til den erkendelse, at i det elektriske felt af en ren quadrupol, bør forskydningen ikke afhænge af placeringen af ​​elektronen inde i fælden. Dette er en vigtig fordel i forhold til mange andre typer fælder, som jeg har ønsket at bruge. En magnetronfælde af denne type blev kort beskrevet i en bog af J. R. Pierce udgivet i 1949, og jeg lavede en simpel beskrivelse af de aksiale, magnetron- og cyklotronsvingninger af en elektron inde i den. Med hjælp fra vores fakultetsmesterglaspuster, Jake Johnson, byggede jeg min første højvakuummagnetronfælde i 1959 og var snart i stand til at holde elektroner i omkring 10 sekunder, samt bestemme aksial-, magnetron- og cyklotronresonanser." — H. Dehmelt

H. Demelt, blandt tre medforfattere, modtog Nobelprisen i fysik i 1989 for udviklingen af ​​en metode til at begrænse enkelte ioner.

Sådan virker det

Penning-fælden bruger et stærkt ensartet lodret magnetfelt til at begrænse partikler for at begrænse radial bevægelse af partiklerne, og et quadrupol elektrisk felt til at begrænse lodret bevægelse. Et statisk elektrisk potentiale kan skabes ved hjælp af et system med tre elektroder: en ring og to hætter. I en ideel Penning-fælde er ringen og hætterne revolutionshyperboloider . For at fange positive (negative) ioner påføres en negativ (positiv) spænding på hætterne i forhold til ringen. Et sådant potentiale skaber et sadelpunkt i midten af ​​fælden og begrænser ionernes lodrette svingninger. Det elektriske felt får ionerne til at oscillere (i tilfælde af en ideel Penning-fælde, harmonisk) langs fældens lodrette akse. Sammen med det elektriske får magnetfeltet ionerne til at bevæge sig i et vandret plan langs en bane kaldet en epitrochoid . Ionernes orbitale bevægelse i det vandrette plan består af to normale svingninger med frekvenser, som kaldes "magnetron" og "modificeret cyklotron" frekvenser. Disse oscillationer ligner henholdsvis den deferente og epicyklus fra den ptolemæiske model af solsystemet .

Summen af ​​disse to frekvenser kaldes "cyklotronfrekvensen". Cyklotronfrekvensen afhænger kun af forholdet mellem elektrisk ladning og masse såvel som af magnetfeltets størrelse. Denne frekvens kan måles med meget høj nøjagtighed, hvilket gør det muligt at bestemme massen af ​​ladede partikler. Mange af massebestemmelseseksperimenterne med høj præcision ( elektron , proton , 2H , 20Ne og 28Si ) er blevet udført ved hjælp af Penning-fælder . Buffergaskøling , resistiv køling eller laserkøling bruges til at fjerne energi fra ionerne inde i Penning-fælden . Afkølingen af ​​buffergassen er baseret på kollisioner mellem ioner og neutrale gasmolekyler, hvor en del af ionernes energi overføres til gasmolekylerne. Med resistiv køling virker spejlladninger , der bevæger sig langs elektroderne , på en ekstern modstand, hvilket effektivt fjerner ionernes energi. Laserkøling kan hjælpe med at afkøle visse slags ioner, men de skal have en speciel elektronskalstruktur for at gøre det . Afkøling sker også, når ionerne udsender elektromagnetiske bølger, som opstår under deres accelererede bevægelse i et magnetfelt. Denne proces er dominerende for elektroner, men for tungere partikler er dens bidrag til den totale afkøling ubetydeligt lille.

Brugen af ​​Penning-fælden har en række fordele i forhold til RF Paul-fælden . For det første bruges der kun statiske felter i Penning-fælden, så der er ingen mikroskopiske svingninger og opvarmning af ioner i et vekselfelt som sådan. Penning-fælden kan også forstørres, mens den bevarer sin evne til at tilbageholde ioner. Den fangede ion kan holdes i større afstand fra elektrodeoverfladerne. Interaktioner med kantpotentialer ved overfladen af ​​elektroder kan forårsage opvarmning og dekohærens , og disse effekter øges i en magtlov med en stor eksponent, efterhånden som afstanden mellem ionen og elektroden falder.

Fourier-transformation massespektrometri

Fourier transformation ion-cyclotron resonans massespektrometri er en type massespektrometri, der bruges til at bestemme ladning-masseforholdet af ioner baseret på måling af cyklotronfrekvensen af ​​ioner i et givet magnetfelt. [1] Ioner fanges af en Penning-fælde, hvori deres svingninger exciteres ved hjælp af et oscillerende elektrisk felt og et magnetfelt vinkelret på det. En bivirkning af excitation er, at ionerne begynder at bevæge sig i fase (stråle). Signalet bestemmes af den inducerede strøm fra et par plader, mellem hvilke ionstrålebanen passerer. Det resulterende signal kaldes et frit induktionshenfald, impuls eller interferogram, som er en superposition af flere sinusoider . Et nyttigt signal udvindes fra disse data ved hjælp af en Fourier-transformation , hvilket resulterer i et massespektrum .

Enkelte ioner kan studeres i en Penning-fælde ved 4K. For at gøre dette er ringelektroden opdelt i flere segmenter, og de modsatte segmenter er forbundet til en superledende spole og til kilden og porten til en felteffekttransistor . Spolen og de parasitære kapacitanser i kredsløbet danner et oscillerende LC-kredsløb med en kvalitetsfaktor på omkring 50.000. Dette kredsløb exciteres af en ekstern elektrisk impuls. Segmenterede elektroder forbinder bevægelsen af ​​en enkelt elektron med kredsløbets svingninger. Således svinger energien i kredsløbet i resonans med ionen langsomt mellem de multiple elektroner (10.000) i transistorens gate og en enkelt elektron. Dette kan ses på signalet ved afløbet af FET. [2]

Noter

  1. ↑ Marshall, A.G.; Hendrickson, C.L.; Jackson, GS, Fourier transformation ion cyclotron resonans massespektrometri: en primer. Massespektrum rev . 17 , 1-35. . Hentet 3. oktober 2017. Arkiveret fra originalen 12. maj 2007.
  2. ↑ Münster_Physik_Kolloquium_2009_04_23_Abstract_Blaum . Dato for adgang: 4. juli 2010. Arkiveret fra originalen 26. februar 2015.

Links