Пенингова клопка

Антиматерија
Преглед
Анихилација
Уређаји
Античестице
Употреба
Организације
Људи
едит

Пенингова замка или Пенингова клопка је уређај за чување наелектрисаних честица помоћу хомогеног, аксијалног магнетног поља и нехомогеног квадруполног електричног поља. Овакав тип замке је посебно погодан за прецизна мерења карактеристика јона и стабилних субатомских честица. Геонијум атом је створен и испитиван помоћу овог уређаја, у циљу одређивања магнетног момента електрона.

У последње време, ове замке се користе у остваривању Квантних рачунара и квантне обраде података "хватањем" квубита[1]. Пенингове замке се користе у многим лабораторијама широм света, на пример у ЦЕРНу се користи за чување антиматерије као нпр. антипротона.

Историја уреди

Пенингова клопка је добила име по Ф. M. Пенингу (1894–1953). Име јој је дао Ханс Георг Дехмелт (рођ 1922) који је изградио прву клопку.У својој биографији Дехмелт каже:[2]

"Почео сам да се фокусирам на магнетрон, који ми је, у Пенинговом јонском метру, већ привукао пажњу у Готингену и Дуку. 1955-е, Франкен анд Лиебес су истражујући циклотронску резонанцију фотоелектрона у вакууму запазили непожељно померање фреквенције изазвано случајним хватањем електрона. Из њихове анализе сам закључио да у чистом електичном пољу квадрупола померање не би зависило од положаја електрона у замци. Ово представља значајну предност у односу на многе друиге замке које сам испитивао. Магнетронска замка овог типа је била укратко разматрана у Ј.Р. Пирсовој књизи из 1949-е, и ја сам развио једноставан опис аксијалног, магнетронског и циклотронског кретања електрона у њему. Уз помоћ стручног дувача стакла, Џејк Џонсона, изградио сам моју прву магнетронску замку високог вакуума 1959-е и убрзо сам био у могућности да хватам електроне на око 10 сек, као ида уочим аксијалне, магнетронске и циклотронске резонанце. " – Х. Дехмелт

Х. Дехмелт је 1989г освојио део Нобелове награде за Физику за развој технике хватања јона.

Опис рада уреди

 

Пенингове клопке користе снажно, хомогено, аксијално магнетно поље како би спречиле радијално кретање честица, и квадруполно електрично поље да сузбију аксијално кретање.[3] Статички електрични потенцијал се може добити коришћењем три електроде: једну прстенасту и две крајње. У идеалној клопци, прстен и крајње електроде су хиперболоиди обртања. За хватање позитивних (негативних) јона, крајње електроде се држе позитивно (негативно) налелектрисане у односу на прстен. Ово потенцијално ствара тачку седла у центру клопке, које хвата јоне у аксијалном правцу. Електрично поље изазива осцилације јона (и то хармоничне у случају идеалне клопке) око осе замке. Комбинација магнетног и електричног поља приморава наелектрисане честице да се крећу у радијалној равни и изван епитрокоида. Орбитално кретање јона у радијалној равни се састоји из два мода на фреквенцијама које су назване магнетронска   и модификована циклотронска   фреквенција. Ова кретања су слична деференту и епициклу, редом, у Птоломејском моделу сунчевог система.

 
Класична путања у радијалној равни за  

Збир ове две фреквенције је циклотронска фреквенција, која зависи од односа наелектрисања и масе и од снаге магнетног поља. Ова фреквенција се може измерити врло тачно и може се користити за мерење масе наелектисаних честица. Многе од изузетно прецизних мерења масе (маса електрона, протона, 2Х, 20Не анд 28Си) су одређени помоћу Пенингове клопке.

За уклањање енергије јона из клопке, користе се хлађење гасом, резистивно хлађење, и ласерско хлађење.

Хлађење гасом се ослања на сударање јона и неутралних молекула гаса чиме им се енергетски садржај уравнотежава.

Код резистивног хлађења, померањем наелектрисања кроз електроде, морају да раде насупрот спољном отпорнику, што за последицу има уклањање енергије с јона.

Ласерско хлађење се може користити за уклањање енергије са неких врста јона у клопци. За ово су потребни јони са одговарајућом електронском структуром.

Хлађење зрачењем је процес при ком јони губе енергију стварајући електромагнетне таласе услед њиховог убрзавања у магнетном пољу. Овај процес доминира хлађењем електрона у клопци, али је исувише мали, и углавном занемарљив код тежих честица.

Коришћење Пенингове замке може да има предности у односу на радио-фреквенциону клопку (Полову клопку). Пре свега у Пенинговој клопци се користе само статичка поља и отуда нема микро кретања и резултујућег загревања јона услед динамичких поља, чак и за прошрене дво- и три- димензионалне јоне Кулонових кристала. Такође, Пенингова клопка може знатно да се увећа, а да не изгуби способност хватања. Ухваћени јон се затим може држати и подаље од површине електроде. Интеракције између јона и површине електроде могу да изазову загревање и декохерентне ефекте, и ови ефекти опадају како расте растојање од електроде.

Фуријеова трансформација масене спектрометрије уреди

Фуријеова трансформација јон циклотронске резонанце масене спектрометрије (још позната као Фуријеова трансформација масене спектроскопије), је облик масене спектроскопије који се користи за одређивање односа масе и наелектрисања (м/з) јона и базирана је на циклотронској фреквенцији јона у магнетном пољу.[4] јони заробљени у Пенинговој клопци где су побуђени до већег циклотронској радијуса осцилацијама електричног поља управног на магнетно поље. Побуђивање такође резултира да се јони крећу у фази (као пакет). Сигнал се детектује као струја на пару плоча близу којих пакет пролази док циклотронира. Резултујући сигнал се зове Слободан индуктивни распад, транзиент или интерферограм и састојисе се од суперпонираних синусних таласа. Користан сигнал се еxтрахује из ових података применом Фуријеове трансформације да би се добио масени спектрум.

Један јон може да се истражује у Пениговој клопци која се одржава на температури од 4 К. За овако нешто потребно је прстенасту електроду поделити, а друге две електроде повезати суперпроводним намотајем, и са извором и гатом транзистора с ефектом поља. Намотај и капацитанце ЛЦ кола са Q од око 50 000. ЛЦ коло је побуђено спољним електричним пулсом. Подељене електроде прате кретање јединственог електрона до ЛЦ кола. Тако је енергија ЛЦ кола у резонанцији са јоном који лагано осцилује међу бројним електронима (10000) у гату ефекта поља транзистора.

Види још уреди

Референце уреди