Peningova klopka

Антиматерија

Преглед

Анихилација

Уређаји

Античестице

Употреба

ПЕТ

Организације

Људи

edit

Peningova zamka ili Peningova klopka je uređaj za čuvanje naelektrisanih čestica pomoću homogenog, aksijalnog magnetnog polja i nehomogenog kvadrupolnog električnog polja. Ovakav tip zamke je posebno pogodan za precizna merenja karakteristika jona i stabilnih subatomskih čestica. Geonijum atom je stvoren i ispitivan pomoću ovog uređaja, u cilju određivanja magnetnog momenta elektrona.

U poslednje vreme, ove zamke se koriste u ostvarivanju Kvantnih računara i kvantne obrade podataka "hvatanjem" kvubita^[1]. Peningove zamke se koriste u mnogim laboratorijama širom sveta, na primer u CERNu se koristi za čuvanje antimaterije kao npr. antiprotona.

Istorija[уреди | уреди извор]

Peningova klopka je dobila ime po F. M. Peningu (1894–1953). Ime joj je dao Hans Georg Dehmelt (rođ 1922) koji je izgradio prvu klopku.U svojoj biografiji Dehmelt kaže:^[2]

"Počeo sam da se fokusiram na magnetron, koji mi je, u Peningovom jonskom metru, već privukao pažnju u Gotingenu i Duku. 1955-e, Franken and Liebes su istražujući ciklotronsku rezonanciju fotoelektrona u vakuumu zapazili nepoželjno pomeranje frekvencije izazvano slučajnim hvatanjem elektrona. Iz njihove analize sam zaključio da u čistom elektičnom polju kvadrupola pomeranje ne bi zavisilo od položaja elektrona u zamci. Ovo predstavlja značajnu prednost u odnosu na mnoge druige zamke koje sam ispitivao. Magnetronska zamka ovog tipa je bila ukratko razmatrana u J.R. Pirsovoj knjizi iz 1949-e, i ja sam razvio jednostavan opis aksijalnog, magnetronskog i ciklotronskog kretanja elektrona u njemu. Uz pomoć stručnog duvača stakla, Džejk Džonsona, izgradio sam moju prvu magnetronsku zamku visokog vakuuma 1959-e i ubrzo sam bio u mogućnosti da hvatam elektrone na oko 10 sek, kao ida uočim aksijalne, magnetronske i ciklotronske rezonance. " – H. Dehmelt

H. Dehmelt je 1989g osvojio deo Nobelove nagrade za Fiziku za razvoj tehnike hvatanja jona.

Opis rada[уреди | уреди извор]

Peningove klopke koriste snažno, homogeno, aksijalno magnetno polje kako bi sprečile radijalno kretanje čestica, i kvadrupolno električno polje da suzbiju aksijalno kretanje.^[3] Statički električni potencijal se može dobiti korišćenjem tri elektrode: jednu prstenastu i dve krajnje. U idealnoj klopci, prsten i krajnje elektrode su hiperboloidi obrtanja. Za hvatanje pozitivnih (negativnih) jona, krajnje elektrode se drže pozitivno (negativno) nalelektrisane u odnosu na prsten. Ovo potencijalno stvara tačku sedla u centru klopke, koje hvata jone u aksijalnom pravcu. Električno polje izaziva oscilacije jona (i to harmonične u slučaju idealne klopke) oko ose zamke. Kombinacija magnetnog i električnog polja primorava naelektrisane čestice da se kreću u radijalnoj ravni i izvan epitrokoida. Orbitalno kretanje jona u radijalnoj ravni se sastoji iz dva moda na frekvencijama koje su nazvane magnetronska $\omega _{-}$ i modifikovana ciklotronska $\omega _{+}$ frekvencija. Ova kretanja su slična deferentu i epiciklu, redom, u Ptolomejskom modelu sunčevog sistema.

Klasična putanja u radijalnoj ravni za $\omega _{+}/\omega _{-}=8$

Zbir ove dve frekvencije je ciklotronska frekvencija, koja zavisi od odnosa naelektrisanja i mase i od snage magnetnog polja. Ova frekvencija se može izmeriti vrlo tačno i može se koristiti za merenje mase naelektisanih čestica. Mnoge od izuzetno preciznih merenja mase (masa elektrona, protona, ²H, ²⁰Ne and ²⁸Si) su određeni pomoću Peningove klopke.

Za uklanjanje energije jona iz klopke, koriste se hlađenje gasom, rezistivno hlađenje, i lasersko hlađenje.

Hlađenje gasom se oslanja na sudaranje jona i neutralnih molekula gasa čime im se energetski sadržaj uravnotežava.

Kod rezistivnog hlađenja, pomeranjem naelektrisanja kroz elektrode, moraju da rade nasuprot spoljnom otporniku, što za posledicu ima uklanjanje energije s jona.

Lasersko hlađenje se može koristiti za uklanjanje energije sa nekih vrsta jona u klopci. Za ovo su potrebni joni sa odgovarajućom elektronskom strukturom.

Hlađenje zračenjem je proces pri kom joni gube energiju stvarajući elektromagnetne talase usled njihovog ubrzavanja u magnetnom polju. Ovaj proces dominira hlađenjem elektrona u klopci, ali je isuviše mali, i uglavnom zanemarljiv kod težih čestica.

Korišćenje Peningove zamke može da ima prednosti u odnosu na radio-frekvencionu klopku (Polovu klopku). Pre svega u Peningovoj klopci se koriste samo statička polja i otuda nema mikro kretanja i rezultujućeg zagrevanja jona usled dinamičkih polja, čak i za prošrene dvo- i tri- dimenzionalne jone Kulonovih kristala. Takođe, Peningova klopka može znatno da se uveća, a da ne izgubi sposobnost hvatanja. Uhvaćeni jon se zatim može držati i podalje od površine elektrode. Interakcije između jona i površine elektrode mogu da izazovu zagrevanje i dekoherentne efekte, i ovi efekti opadaju kako raste rastojanje od elektrode.

Furijeova transformacija masene spektrometrije[уреди | уреди извор]

Furijeova transformacija jon ciklotronske rezonance masene spektrometrije (još poznata kao Furijeova transformacija masene spektroskopije), je oblik masene spektroskopije koji se koristi za određivanje odnosa mase i naelektrisanja (m/z) jona i bazirana je na ciklotronskoj frekvenciji jona u magnetnom polju.^[4] joni zarobljeni u Peningovoj klopci gde su pobuđeni do većeg ciklotronskoj radijusa oscilacijama električnog polja upravnog na magnetno polje. Pobuđivanje takođe rezultira da se joni kreću u fazi (kao paket). Signal se detektuje kao struja na paru ploča blizu kojih paket prolazi dok ciklotronira. Rezultujući signal se zove Slobodan induktivni raspad, tranzient ili interferogram i sastojise se od superponiranih sinusnih talasa. Koristan signal se extrahuje iz ovih podataka primenom Furijeove transformacije da bi se dobio maseni spektrum.

Jedan jon može da se istražuje u Penigovoj klopci koja se održava na temperaturi od 4 K. Za ovako nešto potrebno je prstenastu elektrodu podeliti, a druge dve elektrode povezati superprovodnim namotajem, i sa izvorom i gatom tranzistora s efektom polja. Namotaj i kapacitance LC kola sa Q od oko 50 000. LC kolo je pobuđeno spoljnim električnim pulsom. Podeljene elektrode prate kretanje jedinstvenog elektrona do LC kola. Tako je energija LC kola u rezonanciji sa jonom koji lagano osciluje među brojnim elektronima (10000) u gatu efekta polja tranzistora.

Vidi još[уреди | уреди извор]

Reference[уреди | уреди извор]

^ http://stahl-electronics.com/quantum-computing.html
^ „Hans G. Dehmelt - Biographical”. Nobel Prize. 1989. Приступљено 1. 06. 2014.
^ Brown, L.S.; Gabrielse, G. (1986). „Geonium theory: Physics of a single electron or ion in a Penning trap” (PDF). Reviews of Modern Physics. 58: 233. Bibcode:1986RvMP...58..233B. doi:10.1103/RevModPhys.58.233. Архивирано из оригинала (PDF) 13. 03. 2017. г. Приступљено 26. 02. 2015.
^ Marshall, A. G.; Hendrickson, C. L.; Jackson, G. S., Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: a primer. Mass Spectrom Rev 17, 1-35.

[1] ttp://stahl-electronics.com/quantum-computing.html

[2] „Hans G. Dehmelt - Biographical”. Nobel Prize. 1989. Приступљено 1. 06. 2014.

[3] Brown, L.S.; Gabrielse, G. (1986). „Geonium theory: Physics of a single electron or ion in a Penning trap” (PDF). Reviews of Modern Physics. 58: 233. Bibcode:1986RvMP...58..233B. doi:10.1103/RevModPhys.58.233. Архивирано из оригинала (PDF) 13. 03. 2017. г. Приступљено 26. 02. 2015.

[4] Marshall, A. G.; Hendrickson, C. L.; Jackson, G. S., Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: a primer. Mass Spectrom Rev 17, 1-35.

[1]

[2]

[3]

[4]