Главная » Просмотр файлов » paul-Nobel prize lecture 1989

paul-Nobel prize lecture 1989 (1248333)

Файл №1248333 paul-Nobel prize lecture 1989 (Молекулярный практикум (все лабораторные) + Курсовая)paul-Nobel prize lecture 1989 (1248333)2021-01-27СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

ELECTROMAGNETIC TRAPS FOR CHARGEDAND NEUTRAL PARTICLESNobel Lecture, December 8, 1989byWO L F G A N G P A U LPhysikalisches Institut der Universität Bonn, Nussallee 12, D-5300 Bonn,F.R.G.Experimental physics is the art of observing the structure of matter and ofdetecting the dynamic processes within it. But in order to understand theextremely complicated behaviour of natural processes as an interplay of afew constituents governed by as few as possible fundamental forces andlaws, one has to measure the properties of the relevant constituents andtheir interaction as precisely as possible.

And as all processes in nature areinterwoven one must separate and study them individually. It is the skill ofthe experimentalist to carry out clear experiments in order to get answers tohis questions undisturbed by undesired effects and it is his ingenuity toimprove the art of measuring to ever higher precision. There are manyexamples in physics showing that higher precision revealed new phenomena, inspired new ideas or confirmed or dethroned well established theories.

On the other hand new experimental techniques conceived to answerspecial questions in one field of physics became very fruitful in other fieldstoo, be it in chemistry, biology or engineering. In awarding the Nobel prizeto my colleagues Norman Ramsey, Hans Dehmelt and me for new experimental methods the Swedish Academy indicates her appreciation for theaphorism the Göttingen physicist Georg Christoph Lichtenberg wrote twohundred years ago in his notebook “one has to do something new in orderto see something new”. On the same page Lichtenberg said: “I think it is asad situation in all our chemistry that we are unable to suspend the constituents of matter free”.Today the subject of my lecture will be the suspension of such constituents of matter or in other words, about traps for free charged and neutralparticles without material walls. Such traps permit the observation of isolated particles, even of a single one, over a long period of time and thereforeaccording to Heisenberg’s uncertainty principle enable us to measure theirproperties with extremely high accuracy.In particular, the possibility to observe individual trapped particles opensup a new dimension in atomic measurements.

Until few years ago allmeasurements were performed on an ensemble of particles. Therefore, themeasured value - for example, the transition probability between twoeigenstates of an atom - is a value averaged over many particles. Tacitly602Physics 1989one assumes that all atoms show exactly the same statistical behaviour if oneattributes the result to the single atom. On a trapped single atom, however,one can observe its interaction with a radiation field and its own statisticalbehaviour alone.The idea of building traps grew out of molecular beam physics, massspectrometry and particle accelerator physics I was involved in during thefirst decade of my career as a physicist more than 30 years ago. In theseyears (1950 - 55) we had learned that plane electric and magnetic multipolefields are able to focus particles in two dimensions acting on the magnetic orelectric dipole moment of the particles.

Lenses for atomic and molecularbeams [1,2,3] were conceived and realized improving considerably themolecular beam method for spectroscopy or for state selection. The lensesfound application as well to the ammonia as to the hydrogen maser [4].The question “What happens if one injects charged particles, ions orelectrons, in such multipole fields” led to the development of the linearquadrupole mass spectrometer. It employs not only the focusing and defocusing forces of a high frequency electric quadrupole field acting on ionsbut also exploits the stability properties of their equations of motion inanalogy to the principle of strong focusing for accelerators which had justbeen conceived.If one extends the rules of two-dimensional focusing to three dimensionsone posseses all ingredients for particle traps.As already mentioned the physics or the particle dynamics in such focusing devices is very closely related to that of accelerators or storage rings fornuclear or particle physics.

In fact, multipole fields were used in molecularbeam physics first. But the two fields have complementary goals: the storageof particles, even of a single one, of extremely low energy down to the microelectron volt region on the one side, and of as many as possible of extremely high energy on the other.

Today we will deal with the low energy part. Atfirst I will talk about the physics of dynamic stabilization of ions in two- andthree-dimensional radio frequency quadrupole fields, the quadrupole massspectrometer and the ion trap. In a second part I shall report on trapping ofneutral particles with emphasis on an experiment with magnetically storedneutrons.As in most cases in physics, especially in experimental physics, theachievements are not the achievements of a single person, even if hecontributed in posing the problems and the basic ideas in solving them.

Allthe experiments I am awarded for were done together with research students or young colleagues in mutual inspiration. In particular, I have tomention H. Friedburg and H. G. Bennewitz, C.H. Schlier and P. Toschek inthe field of molecular beam physics, and in conceiving and realizing thelinear quadrupole spectrometer and the r.f.

ion trap H. Steinwedel, O.Osberghaus and especially the late Erhard Fischer. Later H.P. Reinhard, U.v. Zahn and F. v. Busch played an important role in developing this field.W.Paul603Focusing and Trapping of particlesWhat are the principles of focusing and trapping particles? Particles areelastically bound to an axis or a coordinate in space if a binding force actson them which increases linearly with their distance rIn other words if they move in a parabolic potentialThe tools appropriate to generate such fields of force to bind chargedparticles or neutrals with a dipole moment are electric or magnetic multipole fields. In such configurations the field strength, or the potentialrespectively increases according to a power law and shows the desiredsymmetry. Generally if m is the number of “poles” or the order of symmetrythe potential is given byFor a quadrupole m = 4 it gives @ ~ r2 cos 2ϕ, and for a sextupole m = 6 onegets CD ~ r cos 3~ corresponding to a field strength increasing with r and r2respectively.3Trapping of charged particles in 2- and J-dimensional quadrupole fieldsIn the electric quadrupole field the potential is quadratic in the Cartesiancoordinates.The Laplace condition A@ = 0 imposes the condition α + β + γ = 0There are two simple ways to satisfy this condition.a) a = 1 = −γ, β=0 results in the two-dimensional field(2)b) a = β = 1 , γ = -2 generates the three-dimensional configuration, incylindrical coordinatesThe two-dimensional quadrapole or the mass filter [5,6]Configuration a) is generated by 4 hyperbolically shaped electrodes linearlyextended in the y-direction as is shown in Fig.

1. The potential on theelectrodes is ±Φ0/2 if one applies the voltage a0 between the electrodepairs. The field strength is given by604Physics 1989Figure I. a) Equipotential lines for a plane quadrupole fild, b) the electrodes Structure for themass filter.If one injects ions in the y-direction it is obvious that for a constant voltage<Do the ions will perform harmonic oscillations in the the x-y-plane but dueto the opposite sign in the field E their amplitude in the z-direction willincrease exponentially. The particles are defocused and will be lost byhitting the electrodes.This behaviour can be avoided if the applied voltage is periodic.

Due tothe periodic change of the sign of the electric force one gets focusing anddefocusing in both the x- and z-directions alternating in time. If the appliedvoltage is given by a dc voltage U plus an r.f. voltage V with the drivingfrequency ωzthe equations of motion areAt first sight one expects that the time-dependent term of the forcecancels out in the time average. But this would be true only in a homogenous field. In a periodic inhomogenous field, like the quadrupole field thereis a small average force left, which is always in the direction of the lowerfield, in our case toward the center.

Therefore, certain conditions exist thatenable the ions to traverse the quadrupole field without hitting the electrodes, i.e. their motion around the y-axis is stable with limited amplitudesin x- and z-directions. We learned these rules from the theory of the Mathieuequations, as this type of differential equation is called.In dimensionless parameters these equations are written(5)W.Paul605By comparison with equation (4) one gets63)The Mathieu equation has two types of solution.1.

stable motion: the particles oscillate in the x-z-plane with limited amplitudes.They pass the quadrupole field in y-direction without hitting the electrodes.Figure 2. The overall stability diagram for the two-dimensional quadrupole field.0.30.230.2ta0.1Figure 3. The lowest region for simultaneous stability in x-and z-direction.

All ion masses lie on theoperation line, m1 > m1.606Physics 19892. unstable motion: the amplitudes grow exponentialy in x, z or in bothdirections. The particles will be lost.Whether stability exists depends only on the parameters a and q and noton the initial parameters of the ion motion, e.g. their velocity. Therefore, inan a-q-map there are regions of stability and instability (Fig.2). Only theoverlapping region for x and z stability is of interest for our problem.

Themost relevant region 0 < a, q < 1 is plotted in Fig. 3. The motion is stable inx and z only within the triangle.For fixed values r0 ω, U and V all ions with the same m/e have the sameoperating point in the stability diagram. Since a/q is equal to 2U/V anddoes not depend on m, all masses lie along the operating line a/q = const.On the q axis (a = 0, no d.c.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
352,26 Kb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лабораторной работы

Свежие статьи
Популярно сейчас
Почему делать на заказ в разы дороже, чем купить готовую учебную работу на СтудИзбе? Наши учебные работы продаются каждый год, тогда как большинство заказов выполняются с нуля. Найдите подходящий учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
7048
Авторов
на СтудИзбе
259
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее