Пеннинг тұзағы

**Пеннинг тұзағы** — біртекті статикалық магнит өрісін және кеңістікте біртекті емес электр өрісін пайдаланып зарядталған бөлшектерді ұстауға арналған құрылғы. Бұл типтегі тұзақтар иондардың және электр заряды бар тұрақты субатомдық бөлшектердің қасиеттерін дәл өлшеуде жиі қолданылады. Соңғы жылдары мұндай тұзақ кванттық компьютерлер мен кванттық есептеулерді физикалық тұрғыдан жүзеге асыруда да қолданылды. Пеннинг тұзақтары сондай-ақ «квазиатом» деп аталатын жүйені жасау кезінде пайдаланылды — бұл электронның байланысқан күйі, мұнда ядроның рөлін Жер атқарады (geonium atom). CERN ұйымында олар антипротондарды және басқа зарядталған антибөлшектерді сақтау үшін қолданылады.
thumb|300px|Цилиндрлік электродтары және құрылғы осіне параллель бағытталған индукциясы <math>B</math> біртекті магнит өрісі бар Пеннинг тұзағының схемасы. Электродтардың полярлығы оң зарядталған бөлшек үшін көрсетілген.

## Тарихы
Тұзақ атауы Ф.М. Пеннинг (1894–1953) есімімен аталған. Ал оның алғашқы жұмыс істейтін үлгісін жасаған Ханс Демельт болды. Демельт Пеннингтің вакуумметрде қолданған идеясын дамытты: онда магнит өрісі болған кезде газразрядты шам арқылы өтетін ток қысымға пропорционал болатын. Х. Демельттің өмірбаянынан:

«Мен магнетрон геометриясына және Пеннинг разряднигінің құрылымына назар аудара бастадым. Ол Пеннингтің иондық түтігінде жүзеге асырылған және Гёттинген мен Дюк университеттеріне барған кезде менің қызығушылығымды тудырды. 1955 жылғы циклотрондық резонанс пен вакуумдағы фотоэлектрондардың қозғалысын зерттеген жұмыстарында Франкен мен Либс электрондардың кездейсоқ ұсталып қалуынан туындайтын жиілік ығысуын байқаған. Бұл талдау маған таза квадруполь электр өрісінде жиілік ығысуы электронның тұзақ ішіндегі орнына тәуелді болмайтынын түсінуге мүмкіндік берді. Бұл көптеген басқа тұзақтармен салыстырғанда маңызды артықшылық еді». Демельт 1959 жылы жоғары вакуумдық алғашқы магнетрондық тұзақты жасап, электрондарды шамамен 10 секунд ұстап тұра алды және олардың осьтік, магнетрондық және циклотрондық резонанстарын анықтады.
Х. Демельт екі әріптесімен бірге 1989 жылы жеке иондарды ұстау әдісін жасағаны үшін физика бойынша Нобель сыйлығын сыйлығын алды.

## Жұмыс принципі
thumb|300px|Пеннинг тұзағындағы магниттік және электростатикалық өрістердің схемасы; электродтардың полярлығы оң зарядталған бөлшек үшін көрсетілген.
Пеннинг тұзағында бөлшектерді ұстап тұру үшін:
радиалдық қозғалысты шектейтін күшті біртекті магнит өрісі; вертикаль қозғалысты шектейтін квадруполь электр өрісі қолданылады.
Электр потенциалы үш электродтан тұратын жүйемен жасалады: сақина және екі қақпақ. Идеал Пеннинг тұзағында олардың беттері айналу гиперболоидтары болады.
Қақпақтарға сақинаға қатысты белгілі бір кернеу берілгенде, тұзақ ортасында электростатикалық потенциалдың седло нүктесі пайда болады. Бұл иондардың вертикаль тербелістерін шектейді. Электр өрісі иондардың тұзақ осіне параллель тербелуіне себеп болады.
Магнит өрісімен бірге иондар горизонталь жазықтықта эпитрохоида деп аталатын траектория бойынша қозғалады. Бұл қозғалыс екі негізгі тербелістің қосындысынан тұрады: **магнетрондық жиілік** w- және **модификацияланған циклотрондық жиілік** w+. 
Бұл қозғалыстар Claudius Ptolemy ұсынған әлем моделіндегі деферент пен эпицикл қозғалыстарына ұқсас.
thumb|left|250px|<math>\omega_{+}/\omega_{-}=8</math> үшін көлденең жазықтыққа проекцияланған классикалық траектория.
Осы екі жиіліктің қосындысы циклотрондық жиілік деп аталады. Ол: бөлшектің заряд-массалық қатынасына
магнит өрісінің шамасына тәуелді болады. Жиілікті өте дәл өлшеу арқылы бөлшектің массасын анықтауға болады. Электрон, протон, H2, Ne20 
және Si28  сияқты бөлшектердің массасын анықтауға арналған көптеген дәл эксперименттер Пеннинг тұзағы арқылы жүргізілген.
Иондарды салқындату. Тұзақтағы иондардың энергиясын азайту үшін бірнеше әдіс қолданылады:
# буферлік газбен салқындату
# резистивтік салқындату
# лазерлік салқындату
Буферлік газбен салқындату кезінде иондар бейтарап газ молекулаларымен соқтығысып, энергияның бір бөлігін береді.
Резистивтік салқындатуда электродтарда пайда болатын айна-зарядтар сыртқы резистор арқылы энергияны әкетеді.
Лазерлік салқындату белгілі электрондық құрылымы бар иондарға қолданылады.
Сонымен қатар иондар үдемелі қозғалғанда электромагниттік толқындар шығарып, энергиясын жоғалтады.

### Артықшылықтары
Пеннинг тұзағын қолдану Паульдың радиожиіліктік тұзағына қарағанда бірқатар артықшылықтарға ие. Біріншіден, Пеннинг тұзағында тек статикалық өрістер қолданылады, сондықтан айнымалы өрістегі иондардың микроскопиялық тербелістері мен қызуы болмайды. Сондай-ақ Пеннинг тұзағын иондарды ұстап тұру қабілетін сақтай отырып, өлшемі бойынша ұлғайтуға болады. Ұсталған ионды электродтардың беттерінен анағұрлым үлкен қашықтықта ұстап тұруға болады. Электродтар беттеріндегі шеткі потенциалдармен өзара әрекеттесу қызу мен декогерентизацияның себебі болуы мүмкін, және бұл әсерлер ион мен электрод арасындағы қашықтық азайған сайын дәрежелік заң бойынша, үлкен көрсеткішпен өседі.

## Фурье-түрлендірулі масс-спектрометрия
Фурье түрлендіруі бар ион-циклотрондық резонанс масс-спектрометриясы берілген магнит өрісінде иондардың циклотрондық жиілігін өлшеу негізінде иондардың заряд-масса қатынасын анықтау үшін қолданылатын масс-спектрометрияның бір түрі болып табылады. Иондар Пеннинг тұзағымен ұсталады, оның ішінде тербелмелі электр өрісі және оған перпендикуляр магнит өрісі көмегімен олардың тербелістері қоздырылады. Қоздырудың жанама әсері ретінде иондар синфазды (шоғыр болып) қозғала бастайды. Сигнал иондар шоғырының траекториясы өтетін екі пластина жұбынан туындайтын индукциялық ток бойынша анықталады. Қорытынды сигнал еркін индукцияның сөнуі, импульс немесе интерферограмма деп аталады, ол бірнеше синусоиданың суперпозициясы болып табылады. Пайдалы сигнал осы деректерден Фурье түрлендіруі арқылы алынады, оның нәтижесінде масс-спектр алынады.

Жеке иондарды шамамен 4 К температурада зерттеуге болады. Ол үшін сақиналық электрод бірнеше сегментке бөлінеді және олар асаөткізгіш катушка мен өрістік транзистор тізбегіне қосылады. Катушка мен паразиттік сыйымдылықтар жоғары сапалы LC-контур түзеді (сапа коэффициенті ≈ 50 000).
Бұл контур сыртқы электр импульсімен қоздырылады. Сегменттелген электродтар жеке электрон қозғалысын контур тербелістерімен байланыстырады. Нәтижесінде контурдағы энергия транзистор қақпасындағы көптеген электрондар мен тұзақтағы жалғыз электрон арасында резонанстық түрде алмасады. Бұл құбылыс транзистордың ағуындағы сигнал арқылы байқалады.

## Дереккөздер

## Сілтемелер
* Nobel Prize in Physics 1989
* The High-precision Penning Trap Mass Spectrometer SMILETRAP in Stockholm, Sweden
* High-precicion mass determination of unstable nuclei with a Penning trap mass spectrometer at ISOLDE/CERN, Switzerland

Санат:Атомдық физика
Санат:Масс-спектрометрия