Ловушка Пеннинга-Мальмберга - Penning–Malmberg trap

В Ловушка Пеннинга-Мальмберга, названный в честь Франс Пеннинг и Джон Малмберг, является электромагнитный устройство, используемое для ограничения большого количества заряженные частицы единого знака заряда. Большой интерес к ловушкам Пеннинга – Мальмберга (PM) возникает из-за того, что если плотность частиц большой и температура низка, газ станет однокомпонентной плазмой.^[1] В то время как удержание электрически нейтральной плазмы, как правило, затруднено, однокомпонентная плазма (пример не нейтральная плазма ) могут находиться в ловушках для твердых частиц на длительное время. Это предпочтительный метод изучения множества плазменных явлений. Они также широко используются для ограничения античастицы Такие как позитроны (т.е. антиэлектроны) и антипротоны для использования в исследованиях свойств антивещество и взаимодействие античастиц с веществом.^[2]

Рис. 1. Принципиальная схема ловушки Пеннинга – Мальмберга, смещенной для удержания положительно заряженных частиц в наборе из трех цилиндрических металлических электродов (зеленого и синего). Из-за заряда частиц возникает радиальное электрическое поле, которое заставляет плазму вращаться вокруг направления магнитного поля с угловой скоростью ω_р. См. Ссылку.^[2] и подробности.

Конструкция и работа

Схема ловушки ТЧ представлена ​​на рис.1.^[1][2] Заряженные частицы одного знака заряда удерживаются в вакууме внутри электрод конструкция, состоящая из набора полых металлических цилиндров. Однородное осевое магнитное поле ${ displaystyle B}$ применяется для предотвращения движения позитронов в радиальном направлении, а на концевые электроды прикладываются напряжения, чтобы предотвратить потерю частиц в направлении магнитного поля. Это похоже на расположение в Ловушка Пеннинга, но с удлиненным удерживающим электродом для улавливания большого количества частиц (например, ${ displaystyle N geq 10 ^ {10}}$).

Такие ловушки известны своими хорошими удерживающими свойствами. Это связано с тем, что при достаточно сильном магнитном поле канонический угловой момент ${ displaystyle L_ {z}}$ облака зарядов (т. е. включая угловой момент из-за магнитного поля B) в направлении ${ displaystyle z}$ поля примерно^[3]

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

(1)

куда ${ displaystyle r_ {j}}$ это радиальное положение ${ displaystyle j}$th частица ${ displaystyle N}$ - общее количество частиц, а ${ displaystyle { omega _ {c}} = eB / m}$ это циклотронная частота, с массой частицы m и зарядом e. Если система не имеет магнитной или электростатической асимметрии в плоскости, перпендикулярной ${ displaystyle B}$, на плазме нет крутящих моментов; таким образом ${ displaystyle L_ {z}}$ постоянно, и плазма не может расширяться. Как обсуждается ниже, эта плазма действительно расширяется из-за магнитной и / или электростатической асимметрии, которая, как считается, связана с несовершенством конструкции ловушки.

Ловушки для твердых частиц обычно заполняются источниками заряженных частиц с низкой энергией. В случае электронов это можно сделать с помощью горячая нить или же электронная пушка.^[4] Для позитронов запечатанный радиоизотопный источник и «замедлитель» (последний используется для замедления позитронов до электрон-вольтных энергий).^[2] Разработаны методы измерения длины, радиуса, температуры и плотности плазмы в ловушке, а также возбуждения плазменные волны и колебания.^[2] Часто бывает полезно сжимать плазму в радиальном направлении для увеличения плотности плазмы и / или для борьбы с переносом, индуцированным асимметрией.^[5] Это может быть достигнуто путем приложения крутящего момента к плазме с помощью вращающихся электрических полей [так называемый Техника «вращающейся стены» (RW) ],^[6][7][8] или, в случае ионной плазмы, с использованием лазерного излучения.^[9] С помощью этих методов можно достичь очень длительного периода заключения (например, часы или дни).

Охлаждение частиц часто необходимо для поддержания хорошего удержания (например, для уменьшения нагрева от крутящих моментов RW). Это можно сделать несколькими способами, например, используя неупругие столкновения с молекулярными газами,^[2] или, в случае ионов, с помощью лазеров.^[9][10] В случае электронов или позитронов, если магнитное поле достаточно сильное, частицы будут охлаждаться за счет циклотронное излучение.^[11]

История и использование

Удержание и свойства одноэлементной плазмы в (так называемых) ловушках PM были впервые изучены Джон Малмберг и Джон ДеГрэсси.^[4] Было показано, что удержание превосходное по сравнению с нейтральной плазмой. Было также показано, что, хотя и хорошее, удержание не является идеальным и есть потери частиц.

Ловушки Пеннинга – Мальмберга использовались для изучения множества транспортных механизмов. На рисунке 2 показано раннее исследование удержания в ловушке ТЧ в зависимости от фонового давления гелий газ. При более высоких давлениях перенос происходит за счет столкновений электронов с атомами, в то время как при более низких давлениях существует механизм потери частиц, не зависящий от давления. Было показано, что последний («аномальный перенос») механизм связан с непреднамеренной магнитной и электростатической асимметрией и эффектами захваченных частиц.^[5] Есть свидетельства того, что удержание в ловушках ТЧ улучшается, если основной удерживающий электрод (синий на рис. 1) заменяется рядом коаксиальных цилиндров, смещенных для создания плавно изменяющейся потенциальной ямы («многокольцевая ловушка ТЧ»).^[12]

Рис. 2. Время затухания. ${ Displaystyle тау _ {м}}$ центральной плотности чистой электронной плазмы как функции давления газообразного гелия при магнитных полях (□) 0,07, (⋄) 0,02 и (○) 0,004 тесла. По материалам Ref.^[13]

Одна плодотворная область исследований связана с тем, что плазма в ловушках PM может использоваться для моделирования динамики невязкий двумерные потоки жидкости.^{[14][15][16][17]} Ловушки PM также являются предпочтительным устройством для накопления и хранения античастиц, таких как позитроны и антипротоны.^[2] Удалось создать позитронную и антипротонную плазму.^[18] и изучить динамику электронно-лучевой позитронной плазмы.^[19]

Чистая ионная плазма может быть охлаждена лазером до кристаллического состояния.^[20] Криогенная плазма чистых ионов используется для исследования квантовая запутанность.^[21] Ловушки PM также являются отличным источником пучков холодных позитронов. Их использовали для точного изучения позитроний (Ps) атомов (связанное состояние позитрона и электрона, время жизни ≤ 0,1 мкс), а также для создания и изучения молекулы позитрония (Ps${ displaystyle _ {2}}$, ${ displaystyle e ^ {+} e ^ {-} e ^ {+} e ^ {-}}$).^[22][23] Недавно пучки позитронов на основе PM-ловушек были использованы для получения практических пучков атомов Ps.^[24][25][26]

Антиводород связанное состояние антипротон и позитрон и простейший антиатом. Вложенные ловушки PM (одна для антипротонов, а другая для позитронов) сыграли центральную роль в успешных попытках создать, уловить и сравнить свойства антиводорода со свойствами водорода.^[27][28][29] Плазма античастиц (и электронная плазма, используемая для охлаждения антипротонов) тщательно настраивается с помощью ряда недавно разработанных методов для оптимизации производства атомов антиводорода.^[30] Эти нейтральные антиатомы затем удерживаются в ловушке с минимальным магнитным полем.^[31]

Смотрите также

• Ловушка Пеннинга

Рекомендации