Penning-Falle - Penning trap

Eine Penning-Falle ist eine Vorrichtung zur Speicherung geladener Teilchen , die ein homogenes axiales Magnetfeld und ein inhomogenes elektrisches Quadrupolfeld verwendet . Diese Art von Falle eignet sich besonders gut für Präzisionsmessungen von Eigenschaften von Ionen und stabilen subatomaren Teilchen , wie zB Masse, Spaltausbeuten und Isomerenausbeuteverhältnisse . Ein weiteres Beispiel sind Geoniumatome , die auf diese Weise erzeugt und untersucht wurden, um das magnetische Moment des Elektrons zu messen. Kürzlich wurden diese Fallen bei der physikalischen Realisierung von Quantenberechnungen und Quanteninformationsverarbeitung durch Einfangen von Qubits verwendet . Penningfallen werden in vielen Labors weltweit, einschließlich CERN , verwendet, um Antimaterie wie Antiprotonen zu speichern .

Eine zylindrische Version der Penning-Falle mit offenen Enden, um den Durchfluss zu ermöglichen

Geschichte

Die Penning-Falle wurde nach FM Penning (1894–1953) von Hans Georg Dehmelt (1922–2017) benannt, der die erste Falle baute. Dehmelt ließ sich von dem von FM Penning gebauten Vakuummeter inspirieren, bei dem ein Strom durch eine Entladungsröhre in einem Magnetfeld proportional zum Druck ist. Zitat aus der Autobiographie von H. Dehmelt:

„Ich begann auf dem Magnetron / Penning Entladungsgeometrie zu konzentrieren, die in dem Penning - Ionenmesser, hatten mein Interesse bereits an der Universität Göttingen gefangen und an der Duke. In ihrem 1955 - Zyklotron - Resonanz - Arbeit an Photoelektronen im Vakuum Franken und Liebes hatte unerwünschte Frequenzverschiebungen gemeldet durch versehentliches Einfangen von Elektronen verursacht. Ihre Analyse hat mir klar gemacht, dass die Verschiebung in einem rein elektrischen Quadrupolfeld nicht von der Position des Elektrons in der Falle abhängt. Dies ist ein wichtiger Vorteil gegenüber vielen anderen Fallen, die ich ausnutzen wollte. Ein Magnetron Fallen dieses Typs waren in JR Pierces Buch von 1949 kurz diskutiert worden, und ich entwickelte eine einfache Beschreibung der axialen, Magnetron- und Zyklotronbewegungen eines Elektrons darin.Mit Hilfe des Glasbläsers der Abteilung, Jake Jonson, I baute 1959 meine erste Hochvakuum-Magnetronfalle und war bald in der Lage, Elektronen für etwa 10 Sekunden einzufangen und Axial-, Magnetron- und Zyklotronresonanzen zu detektieren .“ – H. Dehmelt

H. Dehmelt erhielt 1989 den Nobelpreis für Physik für die Entwicklung der Ionenfallentechnik.

Betrieb

Penning Trap.svg

Penningfallen verwenden ein starkes homogenes axiales Magnetfeld , um Partikel radial einzuschließen, und ein elektrisches Quadrupolfeld , um die Partikel axial einzuschließen. Das statische elektrische Potential kann mit einem Satz von drei Elektroden erzeugt werden : einem Ring und zwei Endkappen. In einer idealen Penning-Falle sind der Ring und die Endkappen Rotationshyperboloide . Zum Einfangen positiver (negativer) Ionen werden die Endkappenelektroden relativ zum Ring auf einem positiven (negativen) Potential gehalten. Dieses Potential erzeugt einen Sattelpunkt in der Mitte der Falle, der Ionen entlang der axialen Richtung einfängt. Das elektrische Feld bewirkt, dass Ionen entlang der Fallenachse schwingen (im Fall einer idealen Penningfalle harmonisch). Das Magnetfeld in Kombination mit dem elektrischen Feld bewirkt, dass sich geladene Teilchen in der Radialebene mit einer Bewegung bewegen, die einem Epitrochoiden folgt .

Die Orbitalbewegung von Ionen in der Radialebene besteht aus zwei Moden bei Frequenzen, die als Magnetron- und die modifizierten Zyklotronfrequenzen bezeichnet werden. Diese Bewegungen ähneln den Deferenten bzw. Epizykeln des ptolemäischen Modells des Sonnensystems.

Eine klassische Trajektorie in der Radialebene für

Die Summe dieser beiden Frequenzen ist die Zyklotronfrequenz , die nur vom Verhältnis von elektrischer Ladung zu Masse und von der Stärke des Magnetfeldes abhängt . Diese Frequenz kann sehr genau gemessen werden und kann verwendet werden, um die Massen geladener Teilchen zu messen. Viele der höchstpräzisen Massenmessungen (Massen des Elektrons , Protons , 2 H , 20 Ne und 28 Si ) stammen von Penningfallen.

Puffergaskühlung , Widerstandskühlung und Laserkühlung sind Techniken, um Energie aus Ionen in einer Penningfalle zu entfernen. Die Puffergaskühlung beruht auf Kollisionen zwischen den Ionen und neutralen Gasmolekülen, die die Ionenenergie der Energie der Gasmoleküle näher bringen. In resistive Kühlung Bewegungsbild - Ladungen in den Elektroden sind aus der Arbeit durch einen externen Widerstand zu machen, effektiv Energie aus den Ionen entfernt wird . Laserkühlung kann verwendet werden, um einigen Arten von Ionen in Penningfallen Energie zu entziehen. Diese Technik erfordert Ionen mit einer entsprechenden elektronischen Struktur . Strahlungskühlung ist der Prozess, bei dem die Ionen Energie verlieren, indem sie elektromagnetische Wellen aufgrund ihrer Beschleunigung im Magnetfeld erzeugen. Dieser Prozess dominiert die Abkühlung von Elektronen in Penningfallen, ist aber sehr klein und für schwerere Teilchen normalerweise vernachlässigbar.

Die Verwendung der Penning-Falle kann Vorteile gegenüber der Hochfrequenzfalle ( Paul-Falle ) haben. Erstens werden in der Penning-Falle nur statische Felder angelegt und daher gibt es auch bei ausgedehnten 2- und 3-dimensionalen Ionen-Coulomb-Kristallen keine Mikrobewegung und daraus resultierende Erwärmung der Ionen aufgrund der dynamischen Felder. Außerdem kann die Penning-Falle größer gemacht werden, während gleichzeitig ein starker Fang beibehalten wird. Das eingefangene Ion kann dann weiter von den Elektrodenoberflächen entfernt gehalten werden. Die Wechselwirkung mit Patch-Potentialen auf den Elektrodenoberflächen kann für Erwärmungs- und Dekohärenzeffekte verantwortlich sein , und diese Effekte skalieren als eine hohe Potenz des inversen Abstands zwischen dem Ion und der Elektrode.

Fourier-Transformations-Massenspektrometrie

Hauptartikel: Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz

Die Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz- Massenspektrometrie (auch bekannt als Fourier-Transformations-Massenspektrometrie) ist eine Art Massenspektrometrie, die zur Bestimmung des Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses (m/z) von Ionen basierend auf der Zyklotronfrequenz der Ionen in einem festen Magnetfeld. Die Ionen werden in einer Penning-Falle gefangen, wo sie durch ein oszillierendes elektrisches Feld senkrecht zum Magnetfeld zu einem größeren Zyklotronradius angeregt werden. Die Anregung führt auch dazu, dass sich die Ionen in Phase (in einem Paket) bewegen. Das Signal wird als Bildstrom auf einem Plattenpaar erfasst, an dem das Ionenpaket beim Zyklotron vorbeiläuft. Das resultierende Signal wird als freier Induktionszerfall (fid), Transient oder Interferogramm bezeichnet, das aus einer Überlagerung von Sinuswellen besteht . Aus diesen Daten wird das Nutzsignal extrahiert, indem eine Fourier-Transformation durchgeführt wird , um ein Massenspektrum zu erhalten .

Einzelne Ionen können in einer bei 4 K gehaltenen Penning-Falle untersucht werden. Dazu wird die Ringelektrode segmentiert und gegenüberliegende Elektroden mit einer supraleitenden Spule sowie Source und Gate eines Feldeffekttransistors verbunden . Die Spule und die parasitären Kapazitäten der Schaltung bilden einen LC-Kreis mit einem Q von etwa 50 000. Der LC-Kreis wird durch einen externen elektrischen Impuls erregt. Die segmentierten Elektroden koppeln die Bewegung des einzelnen Elektrons an den LC-Kreis. Somit oszilliert die Energie im LC-Kreis in Resonanz mit dem Ion langsam zwischen den vielen Elektronen (10000) im Gate des Feldeffekttransistors und dem einzelnen Elektron. Dies ist im Signal am Drain des Feldeffekttransistors erkennbar.

Geonium-Atom

Ein Geonium-Atom , das so genannt wird, weil es an die Erde gebunden ist, ist ein pseudo-atomares System, das in einer Penning-Falle erzeugt wird und für die Messung grundlegender Parameter von Teilchen nützlich ist.

Im einfachsten Fall besteht das gefangene System nur aus einem Teilchen oder Ion . Ein solches Quantensystem wird durch Quantenzustände eines Teilchens bestimmt , wie im Wasserstoffatom . Wasserstoff besteht aus zwei Teilchen, dem Kern und dem Elektron, aber die Elektronenbewegung relativ zum Kern entspricht einem Teilchen in einem äußeren Feld, siehe Schwerpunktsystem .

Die Eigenschaften von Geonium unterscheiden sich von einem typischen Atom. Die Ladung erfährt eine Zyklotronbewegung um die Fallenachse und schwingt entlang der Achse. Ein inhomogenes magnetisches „Flaschenfeld“ wird angelegt, um die Quanteneigenschaften nach der „kontinuierlichen Stern-Gerlach “-Technik zu messen . Energieniveaus und g-Faktor des Partikels können mit hoher Präzision gemessen werden. Van Dyck, Jr. et al. erforschten 1978 die magnetische Aufspaltung von Geoniumspektren und veröffentlichten 1987 hochpräzise Messungen von Elektron- und Positronen-g-Faktoren, die den Elektronenradius einschränkten.

Einzelpartikel

Im November 2017 isolierte ein internationales Wissenschaftlerteam ein einzelnes Proton in einer Penning-Falle, um dessen magnetisches Moment mit der bisher höchsten Präzision zu messen . Es wurde festgestellt, dass2.792 847 344 62 (82)  Kernmagnetone . Der Wert von CODATA 2018 stimmt damit überein.

In Science-Fiction

Aufgrund ihrer Fähigkeit, geladene Teilchen rein mit elektromagnetischen Kräften einzufangen, werden Penningfallen in Science Fiction als Methode verwendet, um große Mengen Antimaterie zu speichern. Dies würde in der Realität ein Vakuum von deutlich höherer Qualität erfordern, als es derzeit erreichbar ist.

Verweise

Externe Links