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 .
Descripción general
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.
Teoría
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 electrodos de tapa de extremo de metal hiperbólico si se desea la excitación de iones; la tensión de CA de conducción se aplica al electrodo de anillo. Los iones se empujan primero hacia arriba y hacia abajo axialmente mientras se empujan 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 amortiguador 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.
Ecuaciones de movimiento
Los iones en un campo cuadrupolo experimentan fuerzas restauradoras que los empujan hacia el centro de la trampa. El movimiento de los iones en el campo se describe mediante soluciones a la ecuación de Mathieu . [7] Cuando se escribe para el movimiento de iones en una trampa, la ecuación es
dónde representa las coordenadas x, y y z, es una variable adimensional dada por , y y son parámetros de reventado adimensionales. El parámetroes la frecuencia radial del potencial aplicado al electrodo de anillo. Al usar la regla de la cadena , se puede demostrar que
Sustituyendo la Ecuación 2 en la Ecuación 1 de Mathieu se obtiene
- .
Multiplicar por my reorganizar términos nos muestra que
- .
Según las leyes del movimiento de Newton , la ecuación anterior representa la fuerza sobre el ion. Esta ecuación se puede resolver exactamente usando el teorema de Floquet o las técnicas estándar de análisis de múltiples escalas . [8] La dinámica de partículas y la densidad promediada en el tiempo de las partículas cargadas en una trampa de Paul también se pueden obtener mediante el concepto de fuerza ponderomotriz .
Las fuerzas en cada dimensión no están acopladas, por lo que la fuerza que actúa sobre un ion en, por ejemplo, la dimensión x es
Aquí, es el potencial cuadrupolar, dado por
dónde es el potencial eléctrico aplicado y , , y son factores de ponderación, y es una constante de parámetro de tamaño. Para satisfacer la ecuación de Laplace ,, se puede demostrar que
- .
Para una trampa de iones, y y para un filtro de masa cuadrupolo , y .
Transformar la Ecuación 6 en un sistema de coordenadas cilíndrico con, , y y aplicando la identidad trigonométrica pitagórica da
El potencial eléctrico aplicado es una combinación de RF y CC dada por
dónde y es la frecuencia aplicada en hercios .
Sustituyendo la ecuación 8 en la ecuación 6 con da
Sustituir la ecuación 9 en la ecuación 5 conduce a
La comparación de términos en el lado derecho de la Ecuación 1 y la Ecuación 10 conduce a
y
Más ,
y
La captura de iones puede entenderse en términos de regiones de estabilidad en y espacio. Los límites de las regiones sombreadas en la figura son los límites de estabilidad en las dos direcciones (también conocidos como límites de bandas). El dominio de superposición de las dos regiones es el dominio de captura. Para el cálculo de estos límites y diagramas similares a los anteriores, consulte Müller-Kirsten. [9]
Trampa de iones lineal
La trampa de iones lineal utiliza un conjunto de varillas cuadrupolo para confinar los iones radialmente y un potencial eléctrico estático en los electrodos terminales para confinar los iones axialmente. [10] La forma lineal de la trampa se puede utilizar como un filtro de masa selectivo o como una trampa real creando un pozo de potencial para los iones a lo largo del eje de los electrodos. [11] Las ventajas del diseño de trampa lineal son una mayor capacidad de almacenamiento de iones, tiempos de escaneo más rápidos y simplicidad de construcción (aunque la alineación de la varilla cuadrupolo es fundamental, lo que agrega una restricción de control de calidad a su producción. Esta restricción también está presente en los requisitos de mecanizado de la trampa 3D). [12]
Trampa de iones cilíndrica
Las trampas de iones con un electrodo de anillo cilíndrico en lugar de hiperbólico [13] [14] [15] [16] [17] se han desarrollado y microfabricado en matrices para desarrollar espectrómetros de masas en miniatura para la detección química en el diagnóstico médico y otros campos.
Trampa de iones plana
Las trampas de cuadrupolo también se pueden "desplegar" para crear el mismo efecto utilizando un conjunto de electrodos planos. [18] Esta geometría de trampa se puede hacer usando técnicas estándar de microfabricación, incluida la capa superior de metal en un proceso microelectrónico CMOS estándar, [19] y es una tecnología clave para escalar computadoras cuánticas de iones atrapados a números útiles de qubits.
Trampa de radiofrecuencia combinada
Una trampa de radiofrecuencia combinada es una combinación de una trampa de iones Paul y una trampa de Penning . [20] Uno de los principales cuellos de botella de una trampa de iones cuadrupolo es que puede confinar solo especies con una sola carga o múltiples especies con masas similares. Pero en ciertas aplicaciones, como la producción de antihidrógeno , es importante confinar dos especies de partículas cargadas de masas muy variables. Para lograr este objetivo, se agrega un campo magnético uniforme en la dirección axial de la trampa de iones cuadrupolo.
Trampa de iones digital
La trampa de iones digital (DIT) es una trampa de iones cuadrupolo (lineal o 3D) que se diferencia de las trampas convencionales por la forma de onda de conducción. Un DIT es impulsado por señales digitales, típicamente formas de onda rectangulares [21] [22] que se generan al cambiar rápidamente entre niveles de voltaje discretos. Las principales ventajas del DIT son su versatilidad [23] y su rango de masa prácticamente ilimitado. La trampa de iones digital se ha desarrollado principalmente como analizador de masas.
Ver también
- Imán cuadrupolo
Referencias
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- US 2939952 "Aparato para separar partículas cargadas de diferentes cargas específicas", W. Paul y H. Steinwedel, reivindican la prioridad de la solicitud alemana anterior presentada el 24 de diciembre de 1953
enlaces externos
- Premio Nobel de Física 1989