Trampa de iones cuadrupolo

Una trampa de iones cuadrupolo es un tipo de trampa de iones que utiliza campos eléctricos dinámicos para atrapar partículas cargadas. También se les llama de radiofrecuencia trampas (RF) o trampas Pablo en honor de Wolfgang Paul , quien inventó el dispositivo ^{[1] [2]} y compartió el Premio Nobel de Física en 1989 por su trabajo. ^[3] Se utiliza como componente de un espectrómetro de masas o una computadora cuántica de iones atrapados .

Una partícula cargada, como un ion atómico o molecular , siente la fuerza de un campo eléctrico . No es posible crear una configuración estática de campos eléctricos que atrape la partícula cargada en las tres direcciones (esta restricción se conoce como teorema de Earnshaw ). Sin embargo, es posible crear una fuerza de confinamiento promedio en las tres direcciones mediante el uso de campos eléctricos que cambian con el tiempo. Para hacerlo, las direcciones de confinamiento y anti-confinamiento se cambian a un ritmo más rápido de lo que necesita la partícula para escapar de la trampa. Las trampas también se denominan trampas de "radiofrecuencia" porque la velocidad de conmutación suele ser de radiofrecuencia .

El cuadrupolo es la geometría de campo eléctrico más simple utilizada en tales trampas, aunque son posibles geometrías más complicadas para dispositivos especializados. Los campos eléctricos se generan a partir de potenciales eléctricos en electrodos metálicos. Un cuadrupolo puro se crea a partir de electrodos hiperbólicos , aunque a menudo se utilizan electrodos cilíndricos para facilitar la fabricación. Existen trampas de iones microfabricadas donde los electrodos se encuentran en un plano con la región de captura por encima del plano. ^[4]Hay dos clases principales de trampas, dependiendo de si el campo oscilante proporciona confinamiento en tres o dos dimensiones. En el caso de dos dimensiones (una llamada "trampa de RF lineal"), el confinamiento en la tercera dirección es proporcionado por campos eléctricos estáticos.

La trampa 3D en sí misma generalmente consta de dos electrodos metálicos hiperbólicos con sus focos enfrentados y un electrodo de anillo hiperbólico a medio camino entre los otros dos electrodos. Los iones quedan atrapados en el espacio entre estos tres electrodos por campos eléctricos de CA (oscilantes) y CC (estáticos). El voltaje de radiofrecuencia de CA oscila entre los dos hiperbólicoselectrodos de tapa de metal si se desea excitación de iones; el voltaje de CA de conducción se aplica al electrodo de anillo. Los iones se empujan primero hacia arriba y hacia abajo axialmente mientras se empujan hacia adentro radialmente. Luego, los iones se extraen radialmente y se empujan axialmente (desde arriba y abajo). De esta manera, los iones se mueven en un movimiento complejo que generalmente implica que la nube de iones sea larga y estrecha y luego corta y ancha, de un lado a otro, oscilando entre los dos estados. Desde mediados de la década de 1980, la mayoría de las trampas 3D (trampas de Paul) han utilizado ~ 1 mTorr de helio. El uso de gas de amortiguación y el modo de inestabilidad selectiva de masas desarrollado por Stafford et al. condujo a las primeras trampas de iones 3D comerciales. ^[5]

La trampa de iones cuadrupolo tiene dos configuraciones principales: la forma tridimensional descrita anteriormente y la forma lineal compuesta por 4 electrodos paralelos. También se utiliza una configuración rectilínea simplificada . ^[6] La ventaja del diseño lineal es su mayor capacidad de almacenamiento (en particular de iones enfriados por Doppler) y su simplicidad, pero esto deja una restricción particular en su modelado. La trampa de Paul está diseñada para crear un campo en forma de silla de montar para atrapar un ión cargado, pero con un cuadrupolo, este campo eléctrico en forma de silla de montar no se puede girar alrededor de un ion en el centro. Solo puede "batir" el campo hacia arriba y hacia abajo. Por esta razón, los movimientos de un solo ion en la trampa se describen mediante ecuaciones de Mathieu , que solo pueden resolverse numéricamente mediante simulaciones por computadora.

La explicación intuitiva y la aproximación de orden más bajo son las mismas que el enfoque fuerte en la física del acelerador . Dado que el campo afecta la aceleración, la posición se retrasa (al orden más bajo por medio período). Entonces, las partículas están en posiciones desenfocadas cuando el campo se está enfocando y viceversa. Al estar más lejos del centro, experimentan un campo más fuerte cuando el campo está enfocando que cuando está desenfocado.

Esquema de una trampa de iones cuadrupolo de configuración clásica con una partícula de carga positiva (rojo oscuro), rodeada por una nube de partículas con carga similar (rojo claro). El campo eléctrico E (azul) es generado por un cuadrupolo de tapas terminales (a, positivo) y un electrodo de anillo (b). Las imágenes 1 y 2 muestran dos estados durante un ciclo de CA.

Granos de harina cargados atrapados en una trampa de iones cuadrupolo

Trampa de iones lineales en la Universidad de Calgary

Diagrama de las regiones de estabilidad de una trampa de iones cuadrupolo según el voltaje y la frecuencia aplicados a los elementos de la trampa de iones.

Movimiento clásico de un ión atrapado en una trampa de cuadrupolo (Paul) de radiofrecuencia (rf). Se muestra un campo eléctrico cuadrupolo como referencia. La línea azul representa la trayectoria de los iones en la dirección transversal (o radial) de una trampa lineal. La línea naranja es el movimiento secular. Se puede generar un movimiento secular lineal o circular dependiendo de las condiciones iniciales. El micromovimiento es la oscilación rápida alrededor del movimiento secular, que se ve reforzada cuando un campo eléctrico de CC disperso empuja el ión lejos del centro de la trampa, ubicada en la intersección de los ejes. Tenga en cuenta que el micromovimiento es siempre a lo largo de la dirección del campo de rf local ^[10]

LTQ (cuadrupolo de trampa lineal)