Kvadrupol ionefelle

En kvadrupol ionefelle er en type ionefelle som bruker dynamiske elektriske felt for å fange ladede partikler. De kalles også radiofrekvens (RF)-felle eller Paul-felle til ære for Wolfgang Paul, som oppfant enheten og delte Nobelprisen i fysikk i 1989 for dette arbeidet. Den brukes som en komponent i et massespektrometer eller en fanget ion-kvantecomputer.

Oversikt 
En ladet partikkel, for eksempel et atomisk- eller molekylært ion, kjenner en kraft fra et elektrisk felt. Det er ikke mulig å lage en statisk konfigurasjon av elektriske felt som fanger opp den ladede partikkelen i alle tre retninger (denne begrensningen er kjent som Earnshaws teorem). Det er imidlertid mulig å skape en gjennomsnittlig begrensningskraft i alle tre retninger ved bruk av elektriske felt som endres i tid. For å gjøre det, blir de begrensende og anti-begrensende retningene byttet med en hastighet raskere enn det tar partikkelen å unnslippe fellen. Fellene kalles også "radiofrekvens" feller fordi byttehastigheten ofte er på en radiofrekvens.

Kvadrupol er den enkleste elektriske feltgeometrien som brukes i slike feller, selv om mer kompliserte geometrier er mulige for spesialiserte enheter. De elektriske feltene genereres fra elektriske potensialer på metallelektroder. En ren kvadrupol er laget av hyperbolske elektroder, selv om sylindriske elektroder ofte brukes for å gjøre fabrikasjonen lettere. Mikrofabrikerte ionefeller eksisterer der elektrodene ligger i et plan med fangstområdet over planet. Det er to hovedklasser av feller, avhengig av om det oscillerende feltet gir inneslutning i tre eller to dimensjoner. I to-dimensjonstilfellet (en såkalt "lineær RF-felle") tilveiebringes inneslutning i tredje retning av statiske elektriske felt.

Teori 

Selve 3D-fellen består vanligvis av to hyperbolske metallelektroder med fokusene mot hverandre og en hyperbolsk ringelektrode halvveis mellom de to andre elektrodene. Ionene er fanget i rommet mellom disse tre elektrodene av vekselstrøm (oscillerende) og likestrøm (statisk). AC-radiofrekvensspenningen svinger mellom de to hyperbolske metallendekappelektrodene hvis ioneksitasjon er ønsket; den drivende vekselspenningen påføres ringelektroden. Ionene blir først trukket opp og ned aksialt mens de skyves inn radialt. Ionene trekkes deretter radialt ut og skyves aksialt inn (fra toppen og bunnen). På denne måten beveger ionene seg i en kompleks bevegelse som generelt innebærer at ioneskyen er lang og smal og deretter kort og bred, frem og tilbake, og svinger mellom de to tilstandene. Siden midten av 1980-tallet har de fleste 3D-feller (Paul-feller) brukt ~ 1 mTorr helium. Bruk av dempegass og masseselektiv ustabilitetsmodus utviklet av Stafford et al. førte til de første kommersielle 3D-ionfellene.

Kvadrupol-ionefellen har to hovedkonfigurasjoner: den tredimensjonale formen beskrevet ovenfor og den lineære formen laget av 4 parallelle elektroder. En forenklet rettlinjet konfigurasjon brukes også. Fordelen med det lineære designen er dens større lagringskapasitet (spesielt Doppler-avkjølte ioner) og dens enkelhet, men dette etterlater en spesiell begrensning for modelleringen. Paul-fellen er designet for å skape et sadelformet felt for å fange et ladet ion, men med en kvadrupole kan dette sadelformede elektriske feltet ikke roteres rundt et ion i sentrum. Det kan bare 'klaffe' feltet opp og ned. Av denne grunn er bevegelsene til et enkelt ion i fellen beskrevet av Mathieu-ligninger, som bare kan løses numerisk ved datasimuleringer.

Den intuitive forklaringen og tilnærming av laveste orden er den samme som sterk fokusering i akseleratorfysikk. Siden feltet påvirker akselerasjonen, henger posisjonen etter (til laveste orden med en halv periode). Så partiklene er i defokuserte posisjoner når feltet fokuserer og omvendt. Å være lenger fra sentrum, opplever de et sterkere felt når feltet fokuserer enn når det defokuserer.

Lineær ionefelle 

Den lineære ionefellen bruker et sett med kvadrupolstenger for å begrense ioner radielt og et statisk elektrisk potensial på slutten av elektroder for å begrense ionene aksialt. Den lineære formen av fellen kan brukes som et selektivt massefilter, eller som en faktisk felle ved å skape en potensiell brønn for ionene langs elektrodenes akse. Fordeler med den lineære felleutformingen er økt ionelagringskapasitet, raskere skanningstider og enkelhet i konstruksjonen (selv om kvadrupolestangjustering er avgjørende, noe som gir en kvalitetskontrollbegrensning for produksjonen. Denne begrensningen er i tillegg til stede i maskineringskravene til 3D-fellen ).

Sylindrisk ionefelle 

Ionfeller med en sylindrisk snarere enn en hyperbolsk ringelektrode er utviklet og mikrofabrikkert i matriser for å utvikle miniatyrmassespektrometre for kjemisk påvisning i medisinsk diagnose og andre felt.

Plan ionfelle 
Kvadrupole feller kan også "foldes ut" for å skape den samme effekten ved hjelp av et sett med plane elektroder. Denne fellegeometrien kan lages ved hjelp av standard mikrofabrikasjonsteknikker, inkludert det øverste metallaget i en standard CMOS mikroelektronikkprosess, og er en nøkkelteknologi for å skalere fangede ionekvantdatamaskiner til nyttige antall qubits.

Kombinert radiofrekvensfelle 
En kombinert radiofrekvensfelle er en kombinasjon av en Paul ion-felle og en Penning-felle. En av de viktigste flaskehalsene i en quadrupole-ionefelle er at den bare kan begrense enkeltladede arter eller flere arter med lignende masser. Men i visse applikasjoner som antihydrogenproduksjon er det viktig å begrense to arter av ladede partikler med vidt forskjellige masser. For å oppnå dette målet tilsettes et jevnt magnetfelt i den aksiale retningen til kvadrupolionfellen.

Digital ionefelle 
Den digitale ionefellen (DIT) er en kvadrupol ionefelle (lineær eller 3D) som skiller seg fra konvensjonelle feller med drivbølgeformen. En DIT drives av digitale signaler, vanligvis rektangulære bølgeformer som genereres ved å bytte raskt mellom diskrete spenningsnivåer. De viktigste fordelene med DIT er dens allsidighet og praktisk talt ubegrenset masseområde. Den digitale ionefellen er utviklet hovedsakelig som en masseanalysator.

Referanser 

Massespektrometri
Måleinstrumenter