Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
Пастка Пеннінга — пристрій для накопичення заряджених частинок, в якому використовується однорідне аксіальне магнітне поле та неоднорідне квадрупольне електричне поле. Такого роду пастки особливо ефективні при прецизійних вимірюваннях властивостей іонів та стабільних субатомних частинок. Вони дозволили створити та вивчати так звані «атоми геонію», а також з великою точністю виміряти магнітний момент електрона. Серед новітніх використань — фізична реалізація квантових обчислень та квантова обробка інформації, для чого у пастках накопичуються кубіти. Пастки Пеннінга працюють у багатьох лабораторіях світу. Наприклад, у ЦЕРНі вони служать для зберігання античастинок на зразок антипротонів.
Історія
Першу пастку Пеннінга збудував Ганс Демельт. Він назвав її на честь нідерландського фізика Франса Міхеля Пеннінга (1894–1953), ідею якого використав. Пеннінгу належить конструкція вимірювального приладу, в якому струм через газорозрядну трубку в магнітному полі пропорційний тиску.
1989 року Демельт розділив Нобелівську премію з фізики за розвиток технології іонних пасток.
Принцип дії
Пастка Пеннінга використовує сильне однорідне аксіальне магнітне поле, що обмежує радіальний рух частинок та квадрупольне електричне поле, що обмежує рух уздовж центральної осі. Статичний електричний потенціал створюється трьома електродами — центральним кільцем навколо камери та двома кінцевими. В ідеальній пастці Пеннінга кільце та кінцеві електроди є гіперболоїдами обертання. Для захоплення позитивних (негативних) іонів, на кінцеві електроди подається позитивна (негативна) напруга відносно кільця. Створений електростатичний потенціал утворює сідлову точку в центрі пастки, що утримує іони в осьовому напрямку. Електричне поле змушує іони коливатися (гармонічно у разі ідеальної пастки Пеннінга) вздовж осі. Магнітне поле в поєднанні з електричним змушує заряджені частинки рухатися в радіальній площині траєкторією, що відслідковує епітрохоїду.
Орбітальний рух іонів у радіальній площині складається з двох нормальних мод з частотами, які називають «магнетронною» 
та «модифікованою циклотронною» 
. Ці рухи аналогічні деференту та епіциклу птолемеєвої моделі сонячної системи.
Сума цих двох частот є циклотронною частотою, що залежить тільки від відношення електричного заряду до маси частинки та від напруженості магнітного поля. Цю частоту можна виміряти дуже точно, що можна використати для знаходження мас заряджених частинок. Багато високоточних вимірювань маси (мас електрона, протона, 2H, 20Ne та 28Si) отримано в пастках Пеннінга.
Енергію в іонів відбирають різними способами: охолодження буферним газом, резистивне охолодження та лазерне охолодження. Охолодження в буферному газі використовує зіткнення між іонами та молекулами нейтрального газу, в результаті яких енергії іонів та молекул газу вирівнюються. Резистивне охолодження використовує рух зарядів зображення у електродах у комбінації з зовнішнім опором, що ефективно відбирає енергію від іонів. Відбирати енергію від деяких видів іонів в пастці Пенніга можна також лазерним охолодженням. Цей метод вимагає відповідної електронної структури. Радіаційне охолодження є процесом, у якому іони втрачають енергію, випромінюючи електромагнітні хвилі внаслідок прискореного руху в магнітному полі. Для електронів цей процес домінує, але є дуже слабким для важчих частинок, і ним можна знехтувати.
Використання пастки Пеннінга може мати перевагу над радіочастотними пастками Пауля. По-перше, пастки Пеннінга використовують тільки статичні поля, а тому немає мікроруху та пов'язаного з ним нагрівання, викликані динамічними полями, навіть для протяжних 2- три 3-виміних кулонівських кристалів іонів. Крім того, пастки Пеннінга можна зробити більшими, зберігаючи міцне утримання. Спіймані в пастку іони можна тоді тримати далі від поверхонь електронів. Взаємодія з розривними потенціалами електродних поверхонь може спричинювати нагрівання та декогеренцію, а ці ефекти масштабуються як високий степінь оберненої відстані між іонами та електродами.
Мас-спектроскопія з перетворенням Фур'є
Мас-спектроскопія іонного циклотронного резонансу з перетворенням Фур'є є різновидом мас-спектрометрії, що визначає відношення маси до заряду (m/z) іонів на основі вимірювання циклотронної частоти їхнього руху в магнітному полі. Іони захоплюються в пастку Пеннінга, де їх збуджують на циклотронні орбіти з більшим радіусом змінним електричним полем, перпендикулярним до магнітного. Результатом цього збудження є також рух іонів у фазі (в пакеті). Сигнал детектується як струм зображення на парі пластин, повз які пакет іонів проходить, рухаючись циклотронною орбітою. Отриманий сигнал називають затуханням вільної індукції, перехідним або інтерферогамою. Він складається із суперпозиції синусоїд. Перетворення Фур'є дозволяє отримати спектр мас.
Одинокі іони можна вивчати в пастці Пеннінга при температурі 4 K. Для цього електрод-кільце розділяється на сегменти, і протилежні електроди з'єднуються з надпровідною котушкою та затвор польового транзистора. Котушка та паразитичні ємності електричного кола утворюють коливальний контур з добротністю приблизно 50 000. Коливальний контур збуджується зовнішнім електричним імпульсом. Сегменти електрода встановлюють зв'язок між рухом іона та коливальним контуром. Енергія коливального контуру в резонансі з іоном повільно осцилює між багатьма електронами (10000) затвора та одиноким іоном. Це можна детектувати в струмі, що протікає через стік транзистора.
Атом геонію
Атом геонію, що отримав свою назву завдяки своєму зв'язку з Землею, є псевдоатомна система, що виникає в пастці Пеннінга і є корисною для вимірювання фундаментальних параметрів частинок. У найпростішому випадку, пастка містить тільки одну частинку, тобто один іон. Така квантова система визначається тільки квантовими станами однієї частинки, як і атом водню. Атом водню насправді складається з двох частинок: ядра та електрона, але рух електрона відносно ядра (у системі відліку центру мас) еквівалентний одній частинці в зовнішньому полі.
Властивості геонію відрізняються від властивостей типового атома. Заряд рухається циклотронною орбітою навколо осі пастки й осцилює вздовж осі. Для вимірювання квантових властивостей методом «неперервного Штерна-Герлаха» створюється спеціальне «пляшкоподібне поле». Можливо з високою точністю виміряти енергетичні рівні та g-фактор частинки. Ван Дік молодший з колегами у 1978-му та 1987-му дослідили розщеплення спектру геонію в магнітному полі й опублікували результати дуже точних g-факторів електрона та позитрона, що наклало нові обмеження на гіпотетичний радіус електрона.
Виноски
- Brown, L.S.; Gabrielse, G. (1986). (PDF). Reviews of Modern Physics. 58: 233. Bibcode:1986RvMP...58..233B. doi:10.1103/RevModPhys.58.233. Архів оригіналу (PDF) за 13 березня 2017. Процитовано 9 червня 2017.
- Marshall, A. G.; Hendrickson, C. L.; Jackson, G. S., Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: a primer. Mass Spectrom Rev 17, 1-35.
- Dehmelt, Hans (1988). A Single Atomic Particle Forever Floating at Rest in Free Space: New Value for Electron Radius. Physica Scripta. T22: 102—110. Bibcode:1988PhST...22..102D. doi:10.1088/0031-8949/1988/T22/016.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Pastka Penninga pristrij dlya nakopichennya zaryadzhenih chastinok v yakomu vikoristovuyetsya odnoridne aksialne magnitne pole ta neodnoridne kvadrupolne elektrichne pole Takogo rodu pastki osoblivo efektivni pri precizijnih vimiryuvannyah vlastivostej ioniv ta stabilnih subatomnih chastinok Voni dozvolili stvoriti ta vivchati tak zvani atomi geoniyu a takozh z velikoyu tochnistyu vimiryati magnitnij moment elektrona Sered novitnih vikoristan fizichna realizaciya kvantovih obchislen ta kvantova obrobka informaciyi dlya chogo u pastkah nakopichuyutsya kubiti Pastki Penninga pracyuyut u bagatoh laboratoriyah svitu Napriklad u CERNi voni sluzhat dlya zberigannya antichastinok na zrazok antiprotoniv IstoriyaPershu pastku Penninga zbuduvav Gans Demelt Vin nazvav yiyi na chest niderlandskogo fizika Fransa Mihelya Penninga 1894 1953 ideyu yakogo vikoristav Penningu nalezhit konstrukciya vimiryuvalnogo priladu v yakomu strum cherez gazorozryadnu trubku v magnitnomu poli proporcijnij tisku 1989 roku Demelt rozdiliv Nobelivsku premiyu z fiziki za rozvitok tehnologiyi ionnih pastok Princip diyiShematichne zobrazhennya konfiguraciyi poliv u pastci Penninga Verhnij ta nizhnij elektrodi naspravdi yedine kilce Pastka Penninga vikoristovuye silne odnoridne aksialne magnitne pole sho obmezhuye radialnij ruh chastinok ta kvadrupolne elektrichne pole sho obmezhuye ruh uzdovzh centralnoyi osi Statichnij elektrichnij potencial stvoryuyetsya troma elektrodami centralnim kilcem navkolo kameri ta dvoma kincevimi V idealnij pastci Penninga kilce ta kincevi elektrodi ye giperboloyidami obertannya Dlya zahoplennya pozitivnih negativnih ioniv na kincevi elektrodi podayetsya pozitivna negativna napruga vidnosno kilcya Stvorenij elektrostatichnij potencial utvoryuye sidlovu tochku v centri pastki sho utrimuye ioni v osovomu napryamku Elektrichne pole zmushuye ioni kolivatisya garmonichno u razi idealnoyi pastki Penninga vzdovzh osi Magnitne pole v poyednanni z elektrichnim zmushuye zaryadzheni chastinki ruhatisya v radialnij ploshini trayektoriyeyu sho vidslidkovuye epitrohoyidu Orbitalnij ruh ioniv u radialnij ploshini skladayetsya z dvoh normalnih mod z chastotami yaki nazivayut magnetronnoyu w displaystyle omega ta modifikovanoyu ciklotronnoyu w displaystyle omega Ci ruhi analogichni deferentu ta epiciklu ptolemeyevoyi modeli sonyachnoyi sistemi Klasichna trayektoriya v radialnij ploshini dlya w w 8 displaystyle omega omega 8 Suma cih dvoh chastot ye ciklotronnoyu chastotoyu sho zalezhit tilki vid vidnoshennya elektrichnogo zaryadu do masi chastinki ta vid napruzhenosti magnitnogo polya Cyu chastotu mozhna vimiryati duzhe tochno sho mozhna vikoristati dlya znahodzhennya mas zaryadzhenih chastinok Bagato visokotochnih vimiryuvan masi mas elektrona protona 2H 20Ne ta 28Si otrimano v pastkah Penninga Energiyu v ioniv vidbirayut riznimi sposobami oholodzhennya bufernim gazom rezistivne oholodzhennya ta lazerne oholodzhennya Oholodzhennya v bufernomu gazi vikoristovuye zitknennya mizh ionami ta molekulami nejtralnogo gazu v rezultati yakih energiyi ioniv ta molekul gazu virivnyuyutsya Rezistivne oholodzhennya vikoristovuye ruh zaryadiv zobrazhennya u elektrodah u kombinaciyi z zovnishnim oporom sho efektivno vidbiraye energiyu vid ioniv Vidbirati energiyu vid deyakih vidiv ioniv v pastci Penniga mozhna takozh lazernim oholodzhennyam Cej metod vimagaye vidpovidnoyi elektronnoyi strukturi Radiacijne oholodzhennya ye procesom u yakomu ioni vtrachayut energiyu viprominyuyuchi elektromagnitni hvili vnaslidok priskorenogo ruhu v magnitnomu poli Dlya elektroniv cej proces dominuye ale ye duzhe slabkim dlya vazhchih chastinok i nim mozhna znehtuvati Vikoristannya pastki Penninga mozhe mati perevagu nad radiochastotnimi pastkami Paulya Po pershe pastki Penninga vikoristovuyut tilki statichni polya a tomu nemaye mikroruhu ta pov yazanogo z nim nagrivannya viklikani dinamichnimi polyami navit dlya protyazhnih 2 tri 3 viminih kulonivskih kristaliv ioniv Krim togo pastki Penninga mozhna zrobiti bilshimi zberigayuchi micne utrimannya Spijmani v pastku ioni mozhna todi trimati dali vid poverhon elektroniv Vzayemodiya z rozrivnimi potencialami elektrodnih poverhon mozhe sprichinyuvati nagrivannya ta dekogerenciyu a ci efekti masshtabuyutsya yak visokij stepin obernenoyi vidstani mizh ionami ta elektrodami Mas spektroskopiya z peretvorennyam Fur yeDokladnishe Mas spektroskopiya ionnogo ciklotronnogo rezonansu z peretvorennyam Fur ye ye riznovidom mas spektrometriyi sho viznachaye vidnoshennya masi do zaryadu m z ioniv na osnovi vimiryuvannya ciklotronnoyi chastoti yihnogo ruhu v magnitnomu poli Ioni zahoplyuyutsya v pastku Penninga de yih zbudzhuyut na ciklotronni orbiti z bilshim radiusom zminnim elektrichnim polem perpendikulyarnim do magnitnogo Rezultatom cogo zbudzhennya ye takozh ruh ioniv u fazi v paketi Signal detektuyetsya yak strum zobrazhennya na pari plastin povz yaki paket ioniv prohodit ruhayuchis ciklotronnoyu orbitoyu Otrimanij signal nazivayut zatuhannyam vilnoyi indukciyi perehidnim abo interferogamoyu Vin skladayetsya iz superpoziciyi sinusoyid Peretvorennya Fur ye dozvolyaye otrimati spektr mas Odinoki ioni mozhna vivchati v pastci Penninga pri temperaturi 4 K Dlya cogo elektrod kilce rozdilyayetsya na segmenti i protilezhni elektrodi z yednuyutsya z nadprovidnoyu kotushkoyu ta zatvor polovogo tranzistora Kotushka ta parazitichni yemnosti elektrichnogo kola utvoryuyut kolivalnij kontur z dobrotnistyu priblizno 50 000 Kolivalnij kontur zbudzhuyetsya zovnishnim elektrichnim impulsom Segmenti elektroda vstanovlyuyut zv yazok mizh ruhom iona ta kolivalnim konturom Energiya kolivalnogo konturu v rezonansi z ionom povilno oscilyuye mizh bagatma elektronami 10000 zatvora ta odinokim ionom Ce mozhna detektuvati v strumi sho protikaye cherez stik tranzistora Atom geoniyuAtom geoniyu sho otrimav svoyu nazvu zavdyaki svoyemu zv yazku z Zemleyu ye psevdoatomna sistema sho vinikaye v pastci Penninga i ye korisnoyu dlya vimiryuvannya fundamentalnih parametriv chastinok U najprostishomu vipadku pastka mistit tilki odnu chastinku tobto odin ion Taka kvantova sistema viznachayetsya tilki kvantovimi stanami odniyeyi chastinki yak i atom vodnyu Atom vodnyu naspravdi skladayetsya z dvoh chastinok yadra ta elektrona ale ruh elektrona vidnosno yadra u sistemi vidliku centru mas ekvivalentnij odnij chastinci v zovnishnomu poli Vlastivosti geoniyu vidriznyayutsya vid vlastivostej tipovogo atoma Zaryad ruhayetsya ciklotronnoyu orbitoyu navkolo osi pastki j oscilyuye vzdovzh osi Dlya vimiryuvannya kvantovih vlastivostej metodom neperervnogo Shterna Gerlaha stvoryuyetsya specialne plyashkopodibne pole Mozhlivo z visokoyu tochnistyu vimiryati energetichni rivni ta g faktor chastinki Van Dik molodshij z kolegami u 1978 mu ta 1987 mu doslidili rozsheplennya spektru geoniyu v magnitnomu poli j opublikuvali rezultati duzhe tochnih g faktoriv elektrona ta pozitrona sho naklalo novi obmezhennya na gipotetichnij radius elektrona VinoskiBrown L S Gabrielse G 1986 PDF Reviews of Modern Physics 58 233 Bibcode 1986RvMP 58 233B doi 10 1103 RevModPhys 58 233 Arhiv originalu PDF za 13 bereznya 2017 Procitovano 9 chervnya 2017 Marshall A G Hendrickson C L Jackson G S Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry a primer Mass Spectrom Rev 17 1 35 Dehmelt Hans 1988 A Single Atomic Particle Forever Floating at Rest in Free Space New Value for Electron Radius Physica Scripta T22 102 110 Bibcode 1988PhST 22 102D doi 10 1088 0031 8949 1988 T22 016