Линейная Ионная Ловушка С Детерминированным Напряжением Общего Вида

Abstract

Представлен анализ зон устойчивости линейной ионной ловушки в случае приложения к электродам напряжения общего вида. Исследована возможность локализации ионов для конкретных видов периодических (но не гармонических!) сигналов. Показано, что при изменении типов временных функций приложенного напряжения происходит управление как захватом, так и динамикой ионов в линейной радиочастотной ловушке при сохранении ее конструкции. Последние обстоятельства открывают новые возможности при реализации устройств на основе единичных ионов -квантовые стандарты частоты, квантовые процессоры. DOI: 10.21883/JTF.2017.04.44323.1920 Введение В настоящее время ионные ловушки являются уни-версальным инструментом для пространственной лока-лизации широкого класса объектов от единичных ионов и кластеров до органических соединений [1][2][3]. Все началось в 1912 г., когда будущий нобелевский лауреат Дж. Дж. Томсон создал первый аналог современного масс-спектрографа [4,5], тем самым ознаменовав начало нового направления в исследовании элементного соста-ва вещества -масс-спектрометрии. При этом только в 1952 г. В. Паулем была предложена линейная ионная ловушка, которая по сути являлась все тем же квадру-польным масс-спектрографом, претерпевшим некоторые конструктивные изменения для возможности трехмер-ной стабильной локализации заряженных частиц [6]. Со временем появились многочисленные модификации линейной ловушки, такие как ионная поверхностная ловушка [7], микроловушка на поверхности для реали-зации квантового процессора [8], тороидальная ионная ловушка [9], которые, изменяя пространственную форму и ориентацию электродов [10], оставляли без изменения саму идею квадрупольного масс-спектрографа.Физической основой действия линейной ионной ло-вушки (линейная радиочастотная ловушка, ловушка Пауля) является взаимодействие заряженной частицы (иона) с быстро осциллирующим электрическим полем. Воздействие такого поля на заряженную частицу при усреднении по периоду осцилляций ведет к появлению дополнительного потенциала взаимодействия (так назы-ваемого псевдопотенциала), который позволяет осуще-ствить пространственную локализацию иона. Аналогич-ный эффект наблюдается при изучении динамики ма-ятника с вертикально (горизонтально) осциллирующей точкой подвеса (маятник Капицы), когда влияние вы-сокочастотных колебаний может быть описано введени-ем некоторого эффективного потенциала, изменяющего точки стабильного равновесия маятника [11].Если теперь рассмотреть уравнения движения заря-женной частицы в быстро осциллирующем радиочастот-ном поле, то полная динамика иона (включая и микро-движения) как в случае двух, так и трех измерений будет представлена системой уравнений Матье [12]. Рассмат-ривая для простоты только плоскую ловушку, получим, что в области пересечения двух диаграмм устойчивости, т. е. при стабильном решении двух уравнений движения в ортогональных направлениях XY , происходит захват частицы в ионную ловушку при высокочастотной гар-монической модуляции напряжения, приложенного к электродам. Тогда области стабильности решения урав-нений Матье...