bélyegkép|Nyílt végű henger alakú Penning-csapda a tengely-hozzáférhetőséghez. B-vel a mágneses, E-fel a középen történő részecsketárolásra használt elektromos mező. A Penning-csapda töltött részecskék tárolására használt homogén mágneses mezővel és kvadrupólusos elektromos mezőt használó eszköz. Elsősorban a fizika ágaiban és hasonló, ionok és stabil szubatomi részecskék jellemzőinek, például tömegének, hasadási termékei és izomertermékei arányának mérésére használják. Az egyik első velük tanulmányozott részecske a geónium volt, melyet az elektron mágneses momentuma mérésére használtak 1 elektron tárolásával. A kvantumszámítógépek és a kvantum-információfeldolgozás fizikai megvalósításában is használták kvantumbitek csapdázásával. Világszerte sok laboratórium – például a CERN is – használ Penning-csapdákat antirészecskék, például antiprotonok tárolására. Fő előnyei a hosszú tárolási idő és a tárolt részecskék befolyásolásának és bontás nélküli észlelésének sokféle módszere. Így a Penning-csapda a tárolt részecskék vizsgálata, kiválasztása, előkészítése vagy egyszerű tárolása terén sokoldalúan használható. Történet A Penning-csapda névadója Frans Michel Penning, és Hans Georg Dehmelt nevezte el, aki az első Pennnig-csapdát építette. Dehmeltet a Penning által épített vákuumcső inspirálta, ahol a csövön áthaladó áram arányos a nyomással. Dehmelt önéletrajza alapján: bélyegkép|t|Sectional view of a hyperbolic Penning trap as used by Dehmelt, with electric and magnetic field lines indicated.
Dehmelt kapta megosztva az 1989-es fizikai Nobel-díjat az ioncsapda-technika fejlesztéséért. Működés A Penning-csapdák erős homogén axiális mágneses mezővel radiálisan, kvadrupólusos elektromos mezővel axiálisan rögzítik a részecskéket. A statikus elektromos potenciál 3 elektróddal – egy gyűrűvel és két lezárókupakkal – generálható. Az ideális Penning-csapdában a gyűrűk és a lezárókupakok forgási hiperboloidok. Kationok (anionok) csapdázásához a lezárókuupakok elektródjai a gyűrűhöz képest pozitív (negatív) potenciállal rendelkeznek, nyeregpontot létrehozva a csapda közepén, mely axiálisan csapdázza az ionokat. Az elektromos mező miatt az ionok oszcillálnak (ideális csapda esetén harmonikusan) a csapdatengely mentén. A mágneses mező az elektromos mezővel együtt a töltött részecskék radiális sík menti, epitrochoidot leíró mozgását okozza.
Az ionok radiális sík menti mozgása 2 móduszból áll, ezek a magnetron- és a módosított ciklotronfrekvencia. E mozgások hasonlítanak a Naprendszer ptolemaioszi rendszere deferensére, illetve epiciklusára. bélyegkép|250px|Klasszikus pálya a radiális síkban, ha A két frekvencia összege a ciklotronfrekvencia, mely csak az elektromos töltés és tömeg hányadosától és a mágneses mező erejétől függnek. E frekvencia igen pontosan mérhető, és felhasználható töltött részecskék tömege számítására. Sok, ma legmagasabb pontosságú tömegmérés (például az elektron, proton, , és tömegéé) Penning-csapdákból származik.
A puffergáz-, az ellenállásos és a lézeres hűtés is a Penning-csapdában tárolt ionok energiacsökkentésének módja. A puffergázhűtés az ionok és a semleges gázrészecskék ütközésén alapul, mely az ion energiáját a gázéhoz közelíti. Ellenállásos hűtés esetén az elektródokban mozgó képtöltések külső ellenálláson keresztül végeznek munkát, csökkentve az ionok energiáját. A lézeres hűtés használható megfelelő elektronszerkezetű ionok energiacsökkentésére. A sugárzásos hűtés során az ionok mágneses mezőben történő gyorsulása miatt elektromágneses sugárzást hoznak létre, csökkentve az energiájukat. Ez elsősorban elektronok hűtésére használható, de nagyon csekély, nehezebb részecskék esetén általában elhanyagolható.
A Penning-csapda számos előnnyel rendelkezik a rádiófrekvenciás Paul-csapdához képest: A Penning-csapdában csak statikus mezők használatosak, így nincs mikromozgás és a dinamikus mezők miatti ionhevülés még 2 és 3 dimenziós kiterjedt Coulomb-ionkristályok esetén se. A Penning-csapda nagyobb is lehet erős csapdázás fenntartása mellett, így a csapdázott ion az elektródoktól távolabb is lehet. Az elektród foltpotenciáljaival való kölcsönhatás hevülési és dekoherenciahatásokat okoz, amik az ion és az elektród távolságának negatív kitevőjű hatványfüggvényével arányosak. Fourier-transzformációs tömegspektrometria
A Fourier-transzformációs ionciklotron-rezonanciás tömegspektrometria (más néven Fourier-transzformációs tömegspektrometria) a tömegspektrometria ionok tömeg-töltés hányadosának (m/z) rögzített mágnesesmezőben jelentkező ciklotronfrekvencián alapuló számítására használt módszere. Az ionokat Penning-csapdában csapdázzák, ahol nagyobb ciklotronsugárra gerjesztik a mágnesesre merőleges oszcilláló elektromos mezővel. A gerjesztés az ionok fázisban történő mozgását is okozza. A jel a lemezpárhoz a ciklotronciklus során közel kerülő ionok képtöltéseként észlelhető, az eredmény szabad indukciós bomlás, átmenet vagy interferogram, mely szinuszgörbék szuperpozíciójaként jelentkezik. A hasznos jel Fourier-transzformációval kapható meg, tömegspektrumot adva.
Az egyes ionok 4 K hőmérsékletű Penning-csapdában vizsgálhatók. Ehhez a gyűrűelektródot felosztják, és szupravezető tekercshez, mezőhatás-tranzisztor forrásához és kapujához kapcsolják. A tekercs és az áramkör parazita kondenzátorai LC-áramkört alkotnak, ahol Q . Az LC-áramkört külső elektromos pulzus gerjeszti. A felosztott elektródok az elektron mozgását az LC-áramkörhöz kapcsolják, így az ionnal rezonanciában lévő áramkör energiája lassan oszcillál a mezőhatás-tranzisztor sok () elektronja és az egy elektron közt. Ez észlelhető a tranzisztor leeresztő részének jelén. Geónium A geónium álatomos rendszer, mely egy Penning-csapdában tárolt, a Föld többi részéhez kötött elektronból vagy ionból áll, innen a neve. A szót Hans Georg Dehmelt alkotta meg 1988-ban.
Általában a csapdázott rendszer csak 1 részecskéből vagy ionból áll. E kvantumrendszert 1 részecske kvantumállapotai határozzák meg, mint a hidrogénatomnál. A hidrogén 2 részecskéből (mag és 1 elektron) áll, de az elektron mozgása a maghoz képest ekvivalens 1 külső mezőben lévő részecskéével.
A geónium jellemzői különböznek az átlagos atométól. A töltés ciklotronmozgást végez a csapdatengely körül, és annak mentén oszcillál. Egy inhomogén mágneses palackmező alkalmazható a folytonos Stern–Gerlach-módszerrel. A részecske energiaszintje és g-tényezője nagy pontossággal mérhető. Van Dyck a geóniumspektrumok mágneses elválasztását 1978-ban vizsgálták, és 1987-ben az elektron és pozitron g-tényezői nagy pontosságú méréséről számoltak be, behatárolva az elektron sugarát.
Egy részecske 2017 novemberében egy nemzetközi kutatócsapat 1 protont izolált Penning-csapdában, hogy az eddigi legnagyobb pontossággal mérje mágneses momentumát. Ennek értéke 2,79284734462(82) magi magnetonnak bizonyult. A CODATA 2018 értéke ezzel azonos.
Jegyzetek
Források 1989-es fizikai Nobel-díj The High-precision Penning Trap Mass Spectrometer SMILETRAP in Stockholm, Sweden High-precision mass determination of unstable nuclei with a Penning trap mass spectrometer at ISOLDE/CERN, Switzerland High-precision mass measurements of rare isotopes using the LEBIT and SIPT Penning traps at the National Superconducting Cyclotron Laboratory, USA High-precision mass measurements of short-lived isotopes using the TITAN Penning trap at TRIUMF in Vancouver, Canada
Kategória:Mérőműszerek