Войти
A Ловушка Пеннинга - это устройство для хранения заряженных частиц с помощью однородного осевого магнитное поле и неоднородное квадрупольное электрическое поле. Этот вид ловушки особенно хорошо подходит для прецизионных измерений свойств ионов и стабильных субатомных частиц. Атомы геония были созданы и исследованы таким образом для измерения магнитного момента электрона. Недавно эти ловушки использовались в физической реализации квантовых вычислений и обработки квантовой информации путем захвата кубитов. Ловушки Пеннинга используются во многих лабораториях по всему миру, включая ЦЕРН, для хранения антивещества, такого как антипротоны.
Цилиндрическая версия ловушки Пеннинга с открытыми концами для прохождения потока Ловушка Пеннинга была названа в честь Ф. М. Пеннинг (1894–1953) Ганс Георг Демельт (1922–2017), построивший первую ловушку. Демельт черпал вдохновение из вакуумметра, построенного Ф. М. Пеннингом, в котором ток через разрядную трубку в магнитном поле пропорционален давлению. Цитата из автобиографии Х. Демельта:
«Я начал сосредотачиваться на геометрии разряда магнетрона / Пеннинга, которая в ионном датчике Пеннинга привлекла мой интерес уже в Геттингене и в Дьюке. В их циклотроне 1955 Резонансная работа на фотоэлектронах в вакууме Франкен и Либес сообщили о нежелательных частотных сдвигах, вызванных случайным захватом электронов. Их анализ заставил меня понять, что в чисто электрическом квадрупольном поле сдвиг не будет зависеть от положения электрона в ловушке. является важным преимуществом перед многими другими ловушками, которые я решил использовать. Магнетронная ловушка этого типа была кратко обсуждена в книге Дж. Р. Пирса 1949 года, и я разработал простое описание осевого, магнетронного и циклотронного движений электрона в ней. С помощью опытного стеклодува из отдела Джейка Джонсона я построил свою первую высоковакуумную магнетронную ловушку в 1959 году и вскоре смог улавливать электроны в течение примерно 10 секунд и обнаруживать аксиальные, магнетронные и 37>циклотронные резонансы. "- Х. Демельт
Х. Демельт разделил Нобелевскую премию по физике в 1989 году за разработку метода ионной ловушки.
Ловушки Пеннинга используют сильную однородную осевое магнитное поле для ограничения частиц в радиальном направлении и квадрупольное электрическое поле для ограничения частиц в осевом направлении. Статический электрический потенциал может быть создан с использованием набора из трех электродов : кольцо и две заглушки. В идеальной ловушке Пеннинга кольцо и заглушки имеют гиперболоиды вращения. Для захвата положительных (отрицательных) ионов электроды концевых колпачков имеют положительный (отрицательный) потенциал относительно Этот потенциал создает в центре ловушки седловую точку , которая захватывает ионы в осевом направлении. Электрическое поле заставляет ионы колебаться (гармонически в случае идеальной ловушки Пеннинга) вдоль ловушки. оси. Магнитное поле в сочетании с электрическим полем заставляет заряженные частицы двигаться в радиальной плоскости с am Схема, которая отслеживает эпитрохоид.
. Орбитальное движение ионов в радиальной плоскости состоит из двух мод на частотах, которые называются магнетроном 
Классическая траектория в радиальной плоскости для 
Сумма этих двух частот равна циклотронная частота, которая зависит только от отношения электрического заряда к массе и от напряженности магнитного поля. Эта частота может быть измерена очень точно и может использоваться для измерения масс заряженных частиц. Многие из высокоточных измерений массы (массы электрона, протона, H, Ne и Si ) производятся ловушками Пеннинга.
Охлаждение буферным газом, резистивное охлаждение и лазерное охлаждение - это методы отвода энергии от ионов в ловушке Пеннинга. Охлаждение буферного газа основано на столкновениях между ионами и молекулами нейтрального газа, которые приближают энергию ионов к энергии молекул газа. При резистивном охлаждении движущиеся заряды изображения в электродах заставляют работать через внешний резистор, эффективно снимая энергию с ионов. Лазерное охлаждение можно использовать для удаления энергии из некоторых видов ионов в ловушках Пеннинга. Для этого метода требуются ионы с соответствующей электронной структурой. Радиационное охлаждение - это процесс, при котором ионы теряют энергию из-за создания электромагнитных волн в силу их ускорения в магнитном поле. Этот процесс преобладает над охлаждением электронов в ловушках Пеннинга, но очень мал и обычно незначителен для более тяжелых частиц.
Использование ловушки Пеннинга может иметь преимущества перед радиочастотной ловушкой (ловушка Пола ). Во-первых, в ловушке Пеннинга применяются только статические поля, поэтому микродвижение и результирующий нагрев ионов из-за динамических полей отсутствуют даже для протяженных 2- и 3-мерных ионных кулоновских кристаллов. Кроме того, ловушку Пеннинга можно увеличить, сохраняя при этом надежную ловушку. После этого захваченный ион может удерживаться дальше от поверхностей электродов. Взаимодействие с патч-потенциалами на поверхности электродов может быть причиной нагрева и эффектов декогеренции, и эти эффекты масштабируются как высокая степень обратного расстояния между ионом и электродом.
ионно-циклотронный резонанс с преобразованием Фурье масс-спектрометрия (также известная как масс-спектрометрия с преобразованием Фурье) является разновидностью масс-спектрометрии используется для определения отношения массы к заряду (m / z) ионов на основе циклотронной частоты ионов в фиксированном магнитном поле. Ионы попадают в ловушку Пеннинга, где они возбуждаются на больший циклотронный радиус осциллирующим электрическим полем, перпендикулярным магнитному полю. Возбуждение также приводит к движению ионов синфазно (пакетом). Сигнал обнаруживается как ток изображения на паре пластин, через которые пакет ионов проходит близко к циклотрону. Результирующий сигнал называется свободным индукционным затуханием (fid), переходным процессом или интерферограммой, которая состоит из суперпозиции синусоидальных волн. Полезный сигнал извлекается из этих данных путем выполнения преобразования Фурье для получения масс-спектра.
Отдельные ионы могут быть исследованы в ловушке Пеннинга, выдерживаемой при температуре 4 К. Для этого кольцевой электрод сегментирован, а противоположные электроды подключены к сверхпроводящей катушке, истоку и затвору полевого транзистора . Катушка и паразитные емкости цепи образуют LC-цепь с добротностью около 50 000. LC-цепь возбуждается внешним электрическим импульсом. Сегментированные электроды связывают движение одиночного электрона с LC-контуром. Таким образом, энергия в LC-контуре, находящемся в резонансе с ионом, медленно колеблется между множеством электронов (10000) в затворе полевого транзистора и одиночным электроном. Это можно обнаружить по сигналу на стоке полевого транзистора.
A атом геония, названный так потому, что он привязан к Земле, представляет собой псевдоатомную систему, созданную в ловушке Пеннинга, полезную для измерения фундаментальных параметров частиц.
В простейшем случае захваченная система состоит только из одной частицы или иона. Такая квантовая система определяется квантовыми состояниями одной частицы, как в атоме водорода. Водород состоит из двух частиц, ядра и электрона, но движение электрона относительно ядра эквивалентно движению одной частицы во внешнем поле, см. рамка центра масс.
Свойства геония отличаются от обычного атома. Заряд совершает циклотронное движение вокруг оси ловушки и колеблется вдоль оси. Неоднородное магнитное "поле бутылки" применяется для измерения квантовых свойств методом "непрерывного Штерна-Герлаха ". Уровни энергии и g-фактор частицы можно измерить с высокой точностью. Ван Дайк младший и др. исследовал магнитное расщепление спектров геония в 1978 году, а в 1987 году опубликовал высокоточные измерения g-факторов электронов и позитронов, которые ограничивали радиус электрона.
В ноябре 2017 года международная группа ученых изолировала одиночный протон в ловушке Пеннинга, чтобы измерить его магнитный момент с высочайшей точностью на сегодняшний день. Оказалось, что это 2,79284734462 (82) ядерных магнетонов. Значение CODATA 2018 соответствует этому.
