Technika rotující stěny - Rotating wall technique

The Technika rotující stěny (nebo RW technika) je metoda používaná ke kompresi a jednosložková plazma (studený hustý plyn nabitých částic) uzavřený v elektromagnetické pasti. Je to jedna z mnoha vědeckých a technologických aplikací, které se spoléhají na skladování nabitých částic ve vakuu. Tato technika našla rozsáhlé použití při zlepšování kvality těchto pastí a při přizpůsobování obou pozitron a antiproton (tj. antičásticová) plazma pro různé konečné použití.

Přehled

Jednosložková plazma (SCP), která jsou typem, jsou typem neneutrální plazma, mají mnoho využití, včetně studia různých jevů fyziky plazmatu [1] a pro akumulaci, skladování a dodávání antičástic. Mezi aplikace patří tvorba a studium antihydrogen,[2][3][4] paprsky studovat interakci pozitronů s běžnou hmotou a vytvářet husté plyny o pozitronium (Ps) atomy,[5][6][7] a vytvoření paprsků atomů Ps.[8][9]„Technika rotující stěny (RW)“ využívá rotující elektrická pole k radiální kompresi SCP v PM lapačích ke zvýšení hustoty plazmy a / nebo proti tendenci plazmy radiálně difundovat z pasti. Ukázalo se jako zásadní při zlepšování kvality a tím i užitečnosti zachycených plazmat a paprsků založených na zachycení.

Principy činnosti

Pro tuto aplikaci je plazma uložena v a Penning – Malmbergova (PM) past[1] v rovnoměrném magnetickém poli, B. Mrak náboje je obvykle válcového tvaru s rozměrem podél B velké ve srovnání s poloměrem. Tento náboj vytváří radiální elektrické pole, které by mělo tendenci tlačit plazmu ven. Aby se tomu zabránilo, plazma se točí kolem osy symetrie a vytváří a Lorentzova síla vyvážit to díky elektrickému poli a plazma má podobu rotující nabité tyče. Taková studená, jednosložková plazma v PM pasti mohou dosáhnout tepelné rovnováhy a otáčet se jako tuhé těleso s frekvencí

,

kde n je hustota plazmy.[10] Jak je znázorněno na obr. 1, technika RW používá azimutálně segmentovanou válcovou elektrodu pokrývající část plazmy. Fázovaná, sinusová napětí na frekvenci fRW se aplikují na segmenty. Výsledkem je rotující elektrické pole kolmé na osu symetrie plazmy. Toto pole indukuje elektrický dipólový moment v plazmě a tím i krouticí moment. Rotace pole ve směru a rychlejší než přirozená rotace plazmy působí na rychlejší rotaci plazmy, čímž zvyšuje Lorentzovu sílu a vytváří kompresi plazmy (viz obr. 2 a 3).[11]

Obr. 1. Přístroj používaný k radiální kompresi elektronových plazmat v Penning-Malmbergově pasti pomocí techniky RW aplikací fázovaných sinusových elektrických signálů na segmentovanou (RW) elektrodu.
Obr. 2. Radiální komprese elektronové plazmy vs. čas se zapnutými RW poli při t = 0. Všimněte si logaritmické stupnice hustoty a profilů ploché hustoty před a po kompresi, které jsou charakteristické pro tuhou rotaci plazmy
Obr. 2. Radiální komprese elektronové plazmy vs. čas se zapnutými RW poli při t = 0. Všimněte si logaritmické stupnice hustoty a profilů ploché hustoty před a po kompresi, které jsou charakteristické pro tuhou rotaci plazmy.

Důležitým požadavkem na kompresi plazmy pomocí techniky RW je dobrá vazba mezi plazmou a rotujícím polem. To je nutné překonat transport indukovaný asymetrií který působí jako odpor plazmy a má tendenci odporovat RW točivému momentu. U vysoce kvalitních pastí PM s malým asymetricky indukovaným transportem lze přistupovat k takzvanému „silnému režimu pohonu“.[11][12] V tomto případě má aplikace rotujícího elektrického pole při frekvenci za následek točení plazmy až na aplikovanou frekvenci, konkrétně fE = fRW (viz obr. 3). To se ukázalo nesmírně užitečné jako způsob, jak opravit hustotu plazmy jednoduše úpravou fRW.

Obr. 3. Hustota pozitronové plazmy jako funkce aplikované RW frekvence. Plná čára odpovídá charakteristice silného režimu pohonu. Pro tento experiment B = 0,04 T a maximální dosažená hustota je 17% limitu hustoty Brillouin, což je maximální možná hustota pro SCP omezený v poli síly B.
Obr. 3. Hustota pozitronové plazmy jako funkce aplikované RW frekvence. Plná čára odpovídá fE = fRW, charakteristický pro silný režim pohonu. Pro tento experiment B = 0,04 T a maximální dosažená hustota je 17% limitu hustoty Brillouin,[5] což je maximální možná hustota pro SCP uzavřené v poli síly B.

Dějiny

Technika RW byla poprvé vyvinuta Huangem a kol., Pro kompresi magnetizovaného Mg+ plazma.[13] Technika byla brzy poté aplikována na elektronová plazma, kde byla použita segmentovaná elektroda, jako je ta popsaná výše, pro spojení s vlnami (režimy Trivelpiece-Gould) v plazmě.[14] Tato technika byla také použita k fázovému blokování frekvence otáčení laserem chlazených jednosložkových iontových krystalů.[15] První použití techniky RW pro antihmotu bylo provedeno pomocí malých pozitronových plazmat bez vazby na režimy.[16] Režim silného pohonu, který byl objeven o něco později pomocí elektronových plazmat,[17] se ukázalo být užitečnějším v tom, že je zbytečné ladění (a sledování) plazmových režimů. Byla vyvinuta související technika pro kompresi jednosložkových nabitých plynů v PM lapačích (tj. Nábojové mraky nejsou v plazmovém režimu).[18][19]

Použití

Technika RW našla rozsáhlé použití při manipulaci s antičásticemi v pastích Penning – Malmberg. Jednou z důležitých aplikací je vytváření speciálně přizpůsobených antičástic paprsků pro experimenty s atomovou fyzikou.[5] Často byste chtěli paprsek s velkou proudovou hustotou. V tomto případě se před dodáním komprimuje plazma technikou RW. To bylo zásadní v experimentech ke studiu hustých plynů atomů pozitronia (Ps) a vzniku Ps2 molekula (např+E−E+E−) [5-7]. Rovněž to bylo důležité při vytváření vysoce kvalitních paprsků atomů Ps.[8][9]

Technika RW se při tvorbě nízkoenergetické používá třemi způsoby antihydrogen atomy. Antiprotony jsou radiálně komprimovány sympatickou kompresí s elektrony, které jsou v pasti nasazeny. Tato technika byla také použita k fixaci pozitronové hustoty před kombinací pozitronů a antiprotonů.[2][3] Nedávno bylo objeveno, že je možné nastavit všechny důležité parametry elektronových a pozitronových plazmat pro produkci antihydrogenu pomocí RW k fixaci hustoty plazmy a chlazení odpařováním k ochlazení plazmy a fixaci potenciálu prostorového náboje na ose. Výsledkem byla výrazně zvýšená reprodukovatelnost pro produkci antihydrogenu.[4] Zejména tato technika, přezdívaná SDREVC (odpařovací chlazení silným režimem pohonu),[20] byl úspěšný do té míry, že zvýšil počet zachytitelných antihydrogenů řádově. To je obzvláště důležité v tom, že zatímco lze vyprodukovat velké množství antihydrogenu, velká většina je při vysoké teplotě a nemůže být zachycena v malé hloubce studny lapačů atomů s minimálním magnetickým polem.[21]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Dubin, Daniel H. E .; O’Neil, T. M. (01.01.1999). "Zachycené neutrální plazmy, kapaliny a krystaly (termální rovnovážné stavy)". Recenze moderní fyziky. Americká fyzická společnost (APS). 71 (1): 87–172. doi:10.1103 / revmodphys.71.87. ISSN  0034-6861.
  2. ^ A b Amoretti, M .; Amsler, C .; Bonomi, G .; Bouchta, A .; Bowe, P .; et al. (2002-09-18). "Výroba a detekce studených atomů antihydrogenů". Příroda. Springer Nature. 419 (6906): 456–459. doi:10.1038 / nature01096. ISSN  0028-0836. PMID  12368849. S2CID  4315273.
  3. ^ A b Gabrielse, G .; Bowden, N. S .; Oxley, P .; Speck, A .; Storry, C. H .; et al. (2002-10-31). „Bezchybné pozorování studeného antihydrogenu s polní ionizační analýzou jeho stavů“ (PDF). Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 89 (21): 213401–213404. doi:10.1103 / fyzrevlett.89.213401. ISSN  0031-9007. PMID  12443407.
  4. ^ A b Ahmadi, M .; Alves, B. X. R .; Baker, C. J .; Bertsche, W .; Capra, A .; et al. (04.04.2018). "Charakterizace přechodu 1S – 2S v antihydrogenu". Příroda. Springer Science and Business Media LLC. 557 (7703): 71–75. doi:10.1038 / s41586-018-0017-2. ISSN  0028-0836. PMC  6784861. PMID  29618820.
  5. ^ A b C Danielson, J. R .; Dubin, D. H. E .; Greaves, R. G .; Surko, C. M. (2015-03-17). „Plazmové a pastí založené techniky pro vědu s pozitrony“. Recenze moderní fyziky. Americká fyzická společnost (APS). 87 (1): 247–306. doi:10.1103 / revmodphys.87.247. ISSN  0034-6861.
  6. ^ Cassidy, D. B .; Mills, A. P. (2007). "Produkce molekulárního pozitronia". Příroda. Springer Science and Business Media LLC. 449 (7159): 195–197. doi:10.1038 / nature06094. ISSN  0028-0836. PMID  17851519. S2CID  11269624.
  7. ^ Cassidy, D. B .; Hisakado, T. H .; Tom, H. W. K .; Mills, A. P. (2012-03-30). „Optická spektroskopie molekulárního pozitronia“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 108 (13): 133402–133405. doi:10.1103 / physrevlett.108.133402. ISSN  0031-9007. PMID  22540698.
  8. ^ A b Jones, A. C. L .; Moxom, J .; Rutbeck-Goldman, H. J .; Osorno, K. A .; Cecchini, G. G .; et al. (02.08.2017). „Zaostření paprsku Rydberg Positronium s elipsoidním elektrostatickým zrcadlem“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 119 (5): 053201. doi:10.1103 / physrevlett.119.053201. ISSN  0031-9007. PMID  28949762.
  9. ^ A b Michishio, K .; Chiari, L .; Tanaka, F .; Oshima, N .; Nagashima, Y. (2019). „Vysoce kvalitní a energeticky laditelný pozitronový paprskový systém využívající pozitronový paprsek založený na pasti“. Recenze vědeckých přístrojů. Publikování AIP. 90 (2): 023305. doi:10.1063/1.5060619. ISSN  0034-6748. PMID  30831693.
  10. ^ O’Neil, T. M .; Driscoll, C. F. (1979). "Transport čisté tepelné elektronové plazmy do tepelné rovnováhy". Fyzika tekutin. Publikování AIP. 22 (2): 266–277. doi:10.1063/1.862577. ISSN  0031-9171.
  11. ^ A b Danielson, J. R .; Surko, C. M. (2005-01-24). „Stabilní stavy jednosložkového plazmatu vyvážené s vysokou hustotou s vysokou hustotou“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 94 (3): 035001–035004. doi:10.1103 / physrevlett.94.035001. ISSN  0031-9007. PMID  15698274.
  12. ^ Danielson, J. R .; Surko, C. M .; O’Neil, T. M. (2007-09-28). "Pevný bod s vysokou hustotou pro radiálně stlačená jednosložková plazma". Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 99 (13): 135005. doi:10.1103 / fyzrevlett.99.135005. ISSN  0031-9007. PMID  17930602.
  13. ^ Huang, X.-P .; Anderegg, F .; Hollmann, E. M .; Driscoll, C. F .; O'Neil, T. M. (1997). "Ustálený stav neutrálního plazmatu rotujícími elektrickými poli". Dopisy o fyzické kontrole. 78 (5): 875–878. Bibcode:1997PhRvL..78..875H. doi:10.1103 / PhysRevLett.78.875.
  14. ^ F. Anderegg, E. M. Hollmann a C. F. Driscoll, zadržování rotujícího pole čistých elektronových plazmat za použití režimů Trivelpiece-Gould, Phys. Rev. Lett. 81, 4875-4878 (1998).
  15. ^ X. P. Huang, J. J. Bollinger, T. B. Mitchell a W. M. Itano, Phase-Locked Rotation of Crystallized Non-Neutral Plasmas by Rotating Electric Fields, Phys. Rev. Lett. 80, 73-76 (1998).
  16. ^ R. G. Greaves a C. M. Surko, Radiální komprese a transport pozitronových plazmat dovnitř pomocí rotujícího elektrického pole, Phys. Plasmas 8, 1879-1885 (2001).
  17. ^ J. R. Danielson a C. M. Surko, Radiální komprese a ustálené stavy jednosložkových plazmat vyrovnaných momentem v Penning-Malmberg Traps, Phys. Plasmas 13, 055706-055710 (2006).
  18. ^ R. G. Greaves a J. M. Moxom, komprese zachycených pozitronů v režimu jedné částice rotujícím elektrickým polem, Phys. Plasmas 15, 072304 (2008).
  19. ^ C. A. Isaac, C. J. Baker, T. Mortensen, D. P. v. D. Werf a M. Charlton, Komprese pozitronových mraků ve fyzice nezávislých režimů částic. Rev. Lett. 107, 033201-033204 (2011).
  20. ^ M. Ahmadi, B. X. R. Alves, C. J. Baker, W. Bertsche, A. Capra, C. Carruth a kol., Enhanced Control and Reproducibility of Non-Neutral Plasmas, Phys. Rev. Lett. 120, 025001 (2018).
  21. ^ C. Amole, M. D. Ashkezari, M. Baquero-Ruiz, W. Bertsche, P. D. Bowe, E. Butler a kol., Resonant Quantum Transitions in Trapped Antihydrogen Atoms, Nature 483, 439-444 (2012).