Химия - Ловушка Пеннинга - Принцип работы

01 марта 2011


Оглавление:
1. Ловушка Пеннинга
2. Принцип работы
3. Масс-спектрометрия с Фурье-преобразованием

В ловушке Пеннинга для удержания частиц используется сильное однородное вертикальное магнитное поле, ограничивающее радиальные движения частиц, и квадрупольное электрическое поле, ограничивающее вертикальные движения. Статический электрический потенциал может быть создан с помощью системы из трёх электродов: кольца и двух крышек. В идеальной ловушке Пеннинга кольцо и крышки являются гиперболоидами вращения. Для захвата положительных ионов к крышкам прикладывается отрицательное напряжение относительно кольца. Такой потенциал создаёт седловую точку в центре ловушки и ограничивает вертикальные колебания ионов. Электрическое поле заставляет ионы осциллировать вдоль вертикальной оси ловушки. Совместно с электрическим, магнитное поле заставляет ионы двигаться в горизонтальной плоскости по траектории, называемой эпитрохоида. Орбитальное движение ионов в горизонтальной плоскости состоит из двух нормальных колебаний c частотами, которые называются «магнетронной» ω ₋ и «модифицированной циклотронной» ω ₊ частотами. Эти колебания напоминают, соответственно, деферент и эпицикл из Птолемеевской модели солнечной системы.

Сумма двух этих частот называется «циклотронной частотой». Циклотронная частота зависит только от отношения электрического заряда к массе, а также от величины магнитного поля. Эта частота может быть измерена с очень высокой точностью, что позволяет определить массу заряженных частиц. Многие из высокоточных экспериментов по определению массы проводились с помощью ловушек Пеннинга. Для отвода энергии от ионов, находящихся внутри ловушки Пеннинга, используется охлаждение буферного газа, резистивное или лазерное охлаждение. Охлаждение буферного газа опирается на столкновения между ионами и молекулами нейтрального газа, при которых часть энергии ионов передается молекулам газа. При резистивном охлаждении движущиеся по электродам зеркальные заряды совершают работу на внешнем резисторе, эффективно отводя энергию ионов. Лазерное охлаждение может помочь с охлаждением ионов определенного сорта, но для этого у них должна быть особая структура электронной оболочки. Охлаждение также происходит при излучении ионами электромагнитных волн, которое происходит при их ускоренном движении в магнитном поле. Этот процесс является доминирующим для электронов, но для более тяжелых частиц его вклад в общее охлаждение пренебрежимо мал.

Использование ловушки Пеннинга имеет ряд преимуществ перед радиочастотной ловушкой Пауля. Во-первых, в ловушке Пеннинга используются только статические поля, поэтому микроскопические колебания и нагрев ионов в переменном поле отсутствуют как таковые. Также ловушка Пеннинга может быть увеличена в размерах, сохранив свою способность удерживать ионы. Запертый ион можно будет удерживать на большем расстоянии от поверхностей электродов. Взаимодействие с краевыми потенциалами на поверхности электродов может быть причиной нагрева и декогерентизации, и эти эффекты растут по степенному закону с большим показателем по мере убывания расстояния между ионом и электродом.

Просмотров: 4010

<<< Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием