Penning – Malmbergova past - Penning–Malmberg trap

The Penning – Malmbergova past, pojmenoval podle Frans Penning a John Malmberg, je elektromagnetické zařízení používané k omezení velkého počtu nabité částice jediné známky poplatku. Velký zájem o pasti Penning – Malmberg (PM) vyplývá ze skutečnosti, že pokud hustota částic je velký a teplota je nízký, plyn se stane jednosložkovou plazmou.^[1] Zatímco zadržování elektricky neutrálních plazmat je obecně obtížné, jednodruhová plazma (příklad a neneutrální plazma ) může být po dlouhou dobu uzavřen v pasti PM. Jsou metodou volby ke studiu různých plazmatických jevů. Jsou také široce používány k uzavření antičástice jako pozitrony (tj. anti-elektrony) a antiprotony pro použití při studiích vlastností antihmota a interakce antičástic s hmotou.^[2]

Obr. 1. Schematické znázornění pasti Penning – Malmberg předpjaté tak, aby omezovalo kladně nabité částice v sadě tří válcových kovových elektrod (zelené a modré). V důsledku náboje částic existuje radiální elektrické pole, které způsobuje, že se plazma otáčí kolem směru magnetického pole s úhlovou rychlostí ω_r. Viz Ref.^[2] a pro podrobnosti.

Konstrukce a provoz

Schematický design PM lapače je zobrazen na obr.1.^[1][2] Nabité částice jediné známky náboje jsou uzavřeny ve vakuu uvnitř elektroda konstrukce sestávající ze stohu dutých kovových válců. Rovnoměrné axiální magnetické pole ${ displaystyle B}$ se aplikuje k radiální inhibici pozitronového pohybu a na koncové elektrody se přivádí napětí, aby se zabránilo ztrátě částic ve směru magnetického pole. To je podobné uspořádání v a Penningová past, ale s prodlouženou izolační elektrodou k zachycení velkého počtu částic (např. ${ displaystyle N geq 10 ^ {10}}$).

Tyto pasti jsou známé svými dobrými vlastnostmi. To je způsobeno skutečností, že pro dostatečně silné magnetické pole je kanonický moment hybnosti ${ displaystyle L_ {z}}$ mraku náboje (tj. včetně momentu hybnosti způsobeného magnetickým polem B) ve směru ${ displaystyle z}$ pole je přibližně^[3]

${ displaystyle quad L_ {z} cca - ({ frac {m omega _ {c}} {2}}) { sum} _ {j = 1} ^ {N} r_ {j} ^ { 2}, qquad}$

(1)

kde ${ displaystyle r_ {j}}$ je radiální poloha ${ displaystyle j}$th částice, ${ displaystyle N}$ je celkový počet částic a ${ displaystyle { omega _ {c}} = eB / m}$ je frekvence cyklotronu, s hmotností částic ma nábojem e. Pokud systém nemá žádné magnetické nebo elektrostatické asymetrie v rovině kolmé na ${ displaystyle B}$, na plazmě nejsou žádné točivé momenty; tím pádem ${ displaystyle L_ {z}}$ je konstantní a plazma nemůže expandovat. Jak je popsáno níže, tato plazma se rozšiřují kvůli magnetickým a / nebo elektrostatickým asymetriím, o nichž se předpokládá, že jsou způsobeny nedokonalostí konstrukce pasti.

Lapače PM se obvykle plní pomocí zdrojů nízkoenergetických nabitých částic. V případě elektronů to lze provést pomocí a horké vlákno nebo elektronová zbraň.^[4] U pozitronů zapečetěné zdroj radioizotopů a „moderátor“ (ten slouží ke zpomalení pozitronů na elektronvoltové energie) lze použít.^[2] Byly vyvinuty techniky pro měření délky plazmatu, poloměru, teploty a hustoty v pasti a pro excitaci plazmové vlny a oscilace.^[2] Často je užitečné radiálně stlačit plazma, aby se zvýšila hustota plazmy a / nebo aby se bojoval proti transportu vyvolanému asymetrií.^[5] Toho lze dosáhnout aplikací točivého momentu na plazmu pomocí rotujících elektrických polí [tzv Technika „rotující stěny“ (RW) ],^[6][7][8] nebo v případě iontových plazmat pomocí laserového světla.^[9] Těmito technikami lze dosáhnout velmi dlouhých časů zadržení (např. Hodin nebo dnů).

Chlazení částic je často nutné k udržení dobrého uzavření (např. Ke zmírnění ohřevu od momentů RW). Toho lze dosáhnout mnoha způsoby, například pomocí nepružné srážky s molekulárními plyny,^[2] nebo v případě iontů pomocí laserů.^[9][10] Pokud je magnetické pole dostatečně silné, v případě elektronů nebo pozitronů se částice ochladí cyklotronové záření.^[11]

Historie a použití

Omezení a vlastnosti plazmatu jednotlivých druhů v pasti PM (nyní známé jako) byly poprvé studovány John Malmberg a John DeGrassie.^[4] V porovnání s neutrálními plazmy bylo prokázáno, že je porod vynikající. Ukázalo se také, že i když je vězení dobré, není dokonalé a dochází ke ztrátám částic.

Penning – Malmbergovy pasti byly použity ke studiu různých transportních mechanismů. Obrázek 2 ukazuje časnou studii uvěznění v pasti PM jako funkci tlaku pozadí z heliový plyn. Při vyšších tlacích je transport způsoben srážkami elektronů a atomů, zatímco při nižších tlacích existuje mechanismus ztráty částic nezávislý na tlaku. Ukázalo se, že druhý („anomální transport“) mechanismus je způsoben neúmyslnými magnetickými a elektrostatickými asymetriemi a účinky zachycených částic.^[5] Existují důkazy, že zadržení v lapačích PM je vylepšeno, pokud je hlavní zadržovací elektroda (modrá na obr. 1) nahrazena řadou předpjatých koaxiálních válců pro vytvoření plynule se měnící potenciálové jámy („multi-ring PM trap“).^[12]

Obr. 2. Čas rozpadu ${ displaystyle tau _ {m}}$ centrální hustoty čisté elektronové plazmy jako funkce tlaku plynu helia při magnetických polích (□) 0,07, (⋄) 0,02 a (○) 0,004 tesla. Převzato z Ref.^[13]

Jedna plodná oblast výzkumu vychází ze skutečnosti, že plazmy v PM pasti lze použít k modelování dynamiky neviditelný dvourozměrné proudění tekutin.^{[14][15][16][17]} PM pasti jsou také zařízení volby k akumulaci a skladování anti-částic, jako jsou pozitrony a antiprotony.^[2] Jeden dokázal vytvořit pozitronová a antiprotonová plazma^[18] a ke studiu dynamiky pozitronového plazmatu elektronovým paprskem.^[19]

Čisté iontové plazmy lze laserem ochladit na krystalické stavy.^[20] Ke studiu se používají kryogenní plazmy s čistými ionty Kvantové zapletení.^[21] Lapače PM také poskytují vynikající zdroj studených pozitronových paprsků. Byly použity ke studiu s přesností pozitronium (Ps) atomy (vázaný stav pozitronu a elektronu, životnost ≤ 0,1 μs) a k vytvoření a studiu molekuly pozitronu (Ps${ displaystyle _ {2}}$, ${ displaystyle e ^ {+} e ^ {-} e ^ {+} e ^ {-}}$).^[22][23] V poslední době byly k výrobě praktických paprsků s atomy Ps použity positronové paprsky založené na PM.^[24][25][26]

Antihydrogen je vázaný stav antiproton a a pozitron a nejjednodušší antiatom. Vnořené PM pasti (jeden pro antiprotony a druhý pro pozitrony) byly ústředním bodem úspěšného úsilí o vytvoření, zachycení a srovnání vlastností antihydrogenu s vlastnostmi vodíku.^[27][28][29] Antičásticová plazma (a elektronová plazma použitá k ochlazení antiprotonů) jsou pečlivě vyladěna pomocí řady nedávno vyvinutých technik k optimalizaci produkce atomů antihydrogenu.^[30] Tyto neutrální antiatomy jsou poté uzavřeny v pasti s minimálním magnetickým polem.^[31]

Viz také

• Penningová past

Reference