페닝-멀버그 트랩

Penning–Malmberg trap

Frans Penning과 John Malmberg의 이름을 딴 Penning-Malmberg 트랩은 많은 양의 전하 입자를 단일 전하의 신호로 제한하는 데 사용되는 전자기 장치입니다.Penning-Malmberg(PM) 트랩에 대한 많은 관심은 입자의 밀도가 크고 온도가 낮으면 가스가 단일 성분 [1]플라즈마가 된다는 사실에서 비롯됩니다.일반적으로 전기적으로 중성인 플라즈마를 제한하는 것은 어렵지만, 단일종 플라즈마(비중성 플라즈마의 예)는 PM 트랩에서 장기간 제한될 수 있습니다.그것들은 다양한 플라즈마 현상을 연구하기 위한 선택 방법입니다.또한 반물질의 특성과 [2]물질과의 상호작용에 대한 연구에 사용하기 위해 양전자(즉, 반전자)와 반전자(반전자)와 같은 반입자를 제한하는 데 널리 사용된다.

그림 1. 양전하를 띤 입자를 3개의 원통형 금속 전극(녹색 및 청색) 세트로 제한하기 위해 바이어스된 페닝-멀버그 트랩의 개략도입자의 전하로 인해 플라즈마가 각속도θ의r 자기장 방향으로 회전하는 방사형 전계가 있다.자세한 내용은 [2]및 참조를 참조하십시오.

설계 및 운용

PM 트랩의 개략적인 설계는 그림 [1][2]1에 나타나 있다. 단일 전하의 하전 입자는 중공의 금속 실린더 스택으로 이루어진 전극 구조 내부의 진공에 갇힌다.균일한 축방향의 B(\)를 인가하여 방사방향으로 양전자운동을 억제하고 단부전극에 전압을 인가하여 자기장방향의 입자손실을 방지한다.이는 페닝 트랩의 배치와 유사하지만 다수의 입자를 가두는 확장된 구속 전극이 있습니다(: N 10 10

그러한 함정은 감금 특성이 좋은 것으로 유명하다.이는 충분히 강한 자기장의 경우 전하 구름(즉, 에 각운동량 포함)의 표준 각운동량 L z({displaystyle 가 약z({z})이기[3] 때문입니다.

(1)

서 r j{\j}}는 j{\j} 입자의 반경 위치, {\ N은 총 입자 수, c B / { {c}= 는 사이클로트론 주파수이며 입자 질량 m과 전하 e입니다.B에인 평면에 자기 또는 정전기 비대칭이 없는 경우({ B 플라즈마에는 토크가 없기 에 는 일정하고 플라즈마는 팽창할 수 없습니다.아래에서 설명한 바와 같이, 이러한 플라스마는 트랩 구조의 불완전함에 기인한다고 생각되는 자기 및/또는 정전기 비대칭으로 인해 확장됩니다.

PM 트랩은 일반적으로 낮은 에너지 하전 입자의 소스를 사용하여 채워집니다.전자의 경우, 이것은 뜨거운 필라멘트 [4]또는 전자총을 사용하여 수행할 수 있습니다.양전자의 경우 밀폐된 방사성 동위원소 선원과 "변조기"(양전자를 전자-볼트 에너지로 늦추는 데 사용되는 후자)를 [2]사용할 수 있다.트랩 내의 플라즈마 길이, 반지름, 온도 및 밀도를 측정하고 플라즈마 파동과 [2]진동을 자극하는 기술이 개발되었습니다.플라스마를 방사상으로 압축하여 플라즈마 밀도를 높이거나 비대칭 유도 수송에 [5]대항하는 것이 자주 도움이 됩니다.이는 회전하는 전계(이른바 "회전벽"(RW) 기술)[6][7][8] 또는 이온 플라스마의 [9]경우 레이저광을 사용하여 플라즈마에 토크를 가함으로써 달성할 수 있습니다.이러한 기술을 사용하여 매우 긴 감금 시간(시간 또는 일)을 달성할 수 있습니다.

입자 냉각은 양호한 가둬두기(예: RW 토크의 발열을 완화하기 위해)를 유지하기 위해 자주 필요하다.이는 분자 [2]가스와 비탄성 충돌을 사용하거나 이온의 경우 [9][10]레이저를 사용하는 등 여러 가지 방법으로 달성할 수 있습니다.전자나 양전자의 경우 자기장이 충분히 강하면 입자는 사이클로트론 [11]복사에 의해 냉각된다.

이력 및 용도

(지금은 알려진) PM 트랩에서의 단일 종 플라스마의 제한과 특성은 존 말버그와 존 드그래시에 [4]의해 처음 연구되었다.중성 플라즈마에 비해 구속력이 우수한 것으로 나타났다.또한, 좋은 편이지만, 구속은 완벽하지 않고 입자 손실이 있는 것으로 나타났다.

페닝-멀버그 트랩은 다양한 전송 메커니즘을 연구하기 위해 사용되어 왔습니다.그림 2는 헬륨 가스의 백그라운드 압력의 함수로서 PM 트랩에 가두는 것에 대한 초기 연구를 보여줍니다.높은 압력에서는 전자-원자 충돌에 의한 수송이지만 낮은 압력에서는 압력에 의존하지 않는 입자 손실 메커니즘이 있습니다.후자의("불규칙한 전송") 메커니즘은 의도하지 않은 자기 및 정전기 비대칭과 갇힌 [5]입자의 영향에 기인하는 것으로 나타났습니다.주 구속 전극(그림 1의 파란색)을 부드럽게 변화하는 전위 우물("멀티 링 PM 트랩")[12]을 만들기 위해 바이어스된 일련의 동축 실린더로 대체하면 PM 트랩의 구속이 개선된다는 증거가 있습니다.

그림 2. 붕괴시간 m(□) 0.07, (012) 0.02, (○) 0.004 테슬라에서 헬륨가스 압력의 함수로서 순수전자 플라즈마 중심밀도의 m이다.참조에서 개작.[13]

PM 트랩의 플라즈마를 사용하여 비시각적인 2차원 유체 [14][15][16][17]흐름의 역학을 모델링할 수 있다는 사실에서 한 가지 유익한 연구 영역이 발생합니다.PM 트랩은 또한 양전자 및 안티프로톤과 [2]같은 반입자를 축적하고 저장하기 위해 선택되는 장치입니다.양전자와 반양성자[18] 플라스마를 만들고 전자빔 양전자 플라즈마 [19]역학을 연구할 수 있었다.

순수 이온 플라스마는 레이저 냉각하여 결정 상태로 [20]만들 수 있다.극저온 순수 이온 플라스마는 양자 [21]얽힘 연구에 사용된다.PM 트랩은 또한 차가운 양전자 빔의 우수한 공급원을 제공합니다.이들은 정밀 포지트로늄(Ps) 원자(양전자와 전자의 결합 상태, 수명 ≤ 0.1μs) 및 포지트로늄 분자( 2 _ + + -{\ e[22][23]의 생성 및 연구에 되어 왔다.최근에는 PM 트랩 기반의 양전자 빔을 사용하여 실용적인 Ps-atom [24][25][26]빔을 생산하고 있습니다.

항수소는 반양성자와 양전자의 결합 상태이며 가장 단순한 반원자이다.내포된 PM 트랩(항원자를 위한 트랩과 양전자를 위한 트랩)은 생성, 트랩 및 [27][28][29]수소의 특성과 비교하기 위한 성공적인 노력의 중심이었다.반입자 플라즈마(및 반프로톤을 냉각하는 데 사용되는 전자 플라즈마)는 생산 [30]반수소 원자를 최적화하기 위해 최근에 개발된 일련의 기술과 함께 세심하게 조정됩니다.그런 다음 이러한 중성 안티아톰은 최소 자기장 [31]트랩에 갇힙니다.

「 」를 참조해 주세요.

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