Redigerer Kvadrupol ionefelle

[[Fil:Paul-Trap.svg|miniatyr|Ordningen av en kvadropol ionefelle av klassisk oppsett med en partikkel av positiv ladning (mørk rød), omgitt av en sky av likt ladede partikler (lyserød). Det elektriske feltet E (blått) genereres av en firepol med endekapper (a, positiv) og en ringelektrode (b). Bilde 1 og 2 viser to tilstander under en vekselstrømssyklus.]]
En '''kvadrupol ionefelle''' er en type ionefelle som bruker dynamiske elektriske felt for å fange ladede partikler. De kalles også '''[[radiofrekvens]] (RF)-felle''' eller '''Paul-felle''' til ære for [[Wolfgang Paul]], som oppfant enheten<ref>{{Kilde bok|tittel=Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld|etternavn=Wolfram|fornavn=Paul|utgiver=RZeitschrift für Naturforschung|år=1953|isbn=|utgivelsessted=|side=|sider=448-450|kapittel=|sitat=}}</ref><ref>{{Kilde artikkel|tittel=Verfahren zur Trennung bzw. zum getrennten Nachweis von Ionen verschiedener spezifischer Ladung|publikasjon=DE944900C|url=|dato=|forfattere=WOLFGANG PAUL|via=|bind=|hefte=|sider=|sitat=}}</ref> og delte [[Nobelprisen i fysikk]] i 1989 for dette arbeidet.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Electromagnetic traps for charged and neutral particles|publikasjon=Reviews of Modern Physics|doi=10.1103/RevModPhys.62.531|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.62.531|dato=1990-07-01|fornavn=Wolfgang|etternavn=Paul|serie=3|bind=62|sider=531–540|besøksdato=2021-01-22}}</ref> Den brukes som en komponent i et [[Massespektrometri|massespektrometer]] eller en fanget ion-kvantecomputer.

== Oversikt ==
En ladet partikkel, for eksempel et atomisk- eller molekylært [[ion]], kjenner en kraft fra et elektrisk felt. Det er ikke mulig å lage en statisk konfigurasjon av elektriske felt som fanger opp den ladede partikkelen i alle tre retninger (denne begrensningen er kjent som [[Earnshaws teorem]]). Det er imidlertid mulig å skape en gjennomsnittlig begrensningskraft i alle tre retninger ved bruk av elektriske felt som endres i tid. For å gjøre det, blir de begrensende og anti-begrensende retningene byttet med en hastighet raskere enn det tar partikkelen å unnslippe fellen. Fellene kalles også "radiofrekvens" feller fordi byttehastigheten ofte er på en radiofrekvens.

Kvadrupol er den enkleste elektriske feltgeometrien som brukes i slike feller, selv om mer kompliserte geometrier er mulige for spesialiserte enheter. De elektriske feltene genereres fra [[Elektrisk potensial|elektriske potensialer]] på metallelektroder. En ren kvadrupol er laget av [[Hyperbel|hyperbolske]] elektroder, selv om sylindriske elektroder ofte brukes for å gjøre fabrikasjonen lettere. Mikrofabrikerte ionefeller eksisterer der elektrodene ligger i et plan med fangstområdet over planet.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Microfabricated Surface-Electrode Ion Trap for Scalable Quantum Information Processing|publikasjon=Physical Review Letters|doi=10.1103/PhysRevLett.96.253003|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.96.253003|dato=2006-06-30|fornavn=S.|etternavn=Seidelin|etternavn2=Chiaverini|fornavn2=J.|etternavn3=Reichle|fornavn3=R.|etternavn4=Bollinger|fornavn4=J.|etternavn5=Leibfried|fornavn5=D.|etternavn6=Britton|fornavn6=J.|etternavn7=Wesenberg|fornavn7=J.|etternavn8=Blakestad|fornavn8=R.|etternavn9=Epstein|fornavn9=R.|serie=25|språk=en|bind=96|sider=253003|issn=0031-9007|besøksdato=2021-01-22}}</ref> Det er to hovedklasser av feller, avhengig av om det oscillerende feltet gir inneslutning i tre eller to dimensjoner. I to-dimensjonstilfellet (en såkalt "lineær RF-felle") tilveiebringes inneslutning i tredje retning av statiske elektriske felt.

== Teori ==
[[Fil:Paul_Ion_Trap_Schematic.gif|miniatyr]]
Selve 3D-fellen består vanligvis av to hyperbolske metallelektroder med fokusene mot hverandre og en hyperbolsk ringelektrode halvveis mellom de to andre elektrodene. Ionene er fanget i rommet mellom disse tre elektrodene av [[vekselstrøm]] (oscillerende) og [[likestrøm]] (statisk). AC-radiofrekvensspenningen svinger mellom de to hyperbolske metallendekappelektrodene hvis ioneksitasjon er ønsket; den drivende vekselspenningen påføres ringelektroden. Ionene blir først trukket opp og ned aksialt mens de skyves inn radialt. Ionene trekkes deretter radialt ut og skyves aksialt inn (fra toppen og bunnen). På denne måten beveger ionene seg i en kompleks bevegelse som generelt innebærer at ioneskyen er lang og smal og deretter kort og bred, frem og tilbake, og svinger mellom de to tilstandene. Siden midten av 1980-tallet har de fleste 3D-feller (Paul-feller) brukt ~ 1 mTorr helium. Bruk av dempegass og masseselektiv ustabilitetsmodus utviklet av Stafford et al. førte til de første kommersielle 3D-ionfellene.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Recent improvements in and analytical applications of advanced ion trap technology|publikasjon=International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes|doi=10.1016/0168-1176(84)80077-4|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0168117684800774|dato=1984-09-07|fornavn=G. C.|etternavn=Stafford|etternavn2=Kelley|fornavn2=P. E.|etternavn3=Syka|fornavn3=J. E. P.|etternavn4=Reynolds|fornavn4=W. E.|etternavn5=Todd|fornavn5=J. F. J.|serie=1|språk=en|bind=60|sider=85–98|issn=0168-1176|besøksdato=2021-01-22}}</ref>

Kvadrupol-ionefellen har to hovedkonfigurasjoner: den tredimensjonale formen beskrevet ovenfor og den lineære formen laget av 4 parallelle elektroder. En forenklet rettlinjet konfigurasjon brukes også.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Rectilinear Ion Trap:  Concepts, Calculations, and Analytical Performance of a New Mass Analyzer|publikasjon=Analytical Chemistry|doi=10.1021/ac049420n|url=https://doi.org/10.1021/ac049420n|dato=2004-08-01|fornavn=Zheng|etternavn=Ouyang|etternavn2=Wu|fornavn2=Guangxiang|etternavn3=Song|fornavn3=Yishu|etternavn4=Li|fornavn4=Hongyan|etternavn5=Plass|fornavn5=Wolfgang R.|etternavn6=Cooks|fornavn6=R. Graham|serie=16|bind=76|sider=4595–4605|issn=0003-2700|besøksdato=2021-01-22}}</ref> Fordelen med det lineære designen er dens større lagringskapasitet (spesielt Doppler-avkjølte ioner) og dens enkelhet, men dette etterlater en spesiell begrensning for modelleringen. Paul-fellen er designet for å skape et sadelformet felt for å fange et ladet ion, men med en kvadrupole kan dette sadelformede elektriske feltet ikke roteres rundt et ion i sentrum. Det kan bare 'klaffe' feltet opp og ned. Av denne grunn er bevegelsene til et enkelt ion i fellen beskrevet av [[Mathieu-ligninger]], som bare kan løses numerisk ved datasimuleringer.

Den intuitive forklaringen og tilnærming av laveste orden er den samme som sterk fokusering i akseleratorfysikk. Siden feltet påvirker akselerasjonen, henger posisjonen etter (til laveste orden med en halv periode). Så partiklene er i defokuserte posisjoner når feltet fokuserer og omvendt. Å være lenger fra sentrum, opplever de et sterkere felt når feltet fokuserer enn når det defokuserer.

== Lineær ionefelle ==
{{Seksjonstubb}}
Den lineære ionefellen bruker et sett med kvadrupolstenger for å begrense ioner radielt og et statisk elektrisk potensial på slutten av elektroder for å begrense ionene aksialt.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Linear ion traps in mass spectrometry|publikasjon=Mass Spectrometry Reviews|doi=10.1002/mas.20004|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/mas.20004|dato=2005|fornavn=Donald J.|etternavn=Douglas|etternavn2=Frank|fornavn2=Aaron J.|etternavn3=Mao|fornavn3=Dunmin|serie=1|språk=en|bind=24|sider=1–29|issn=1098-2787|besøksdato=2021-01-22}}</ref> Den lineære formen av fellen kan brukes som et selektivt massefilter, eller som en faktisk felle ved å skape en potensiell brønn for ionene langs elektrodenes akse.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Quadrupole ion trap mass spectrometry: a view at the turn of the century|publikasjon=International Journal of Mass Spectrometry|doi=10.1016/S1387-3806(00)00345-6|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387380600003456|dato=2000-12-25|fornavn=Raymond E|etternavn=March|serie=1|språk=en|bind=200|sider=285–312|issn=1387-3806|besøksdato=2021-01-22}}</ref> Fordeler med den lineære felleutformingen er økt ionelagringskapasitet, raskere skanningstider og enkelhet i konstruksjonen (selv om kvadrupolestangjustering er avgjørende, noe som gir en kvalitetskontrollbegrensning for produksjonen. Denne begrensningen er i tillegg til stede i maskineringskravene til 3D-fellen ).<ref>{{Kilde artikkel|tittel=A two-dimensional quadrupole ion trap mass spectrometer|publikasjon=Journal of the American Society for Mass Spectrometry|doi=10.1016/S1044-0305(02)00384-7|url=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jasms.8b01797|dato=1. juni 2002|fornavn=Jae C.|etternavn=Schwartz|etternavn2=Senko|fornavn2=Michael W.|etternavn3=Syka|fornavn3=John E. P.|serie=6|språk=en|bind=13|sider=659–669|issn=1044-0305|besøksdato=2021-01-22}}</ref>

== Sylindrisk ionefelle ==
{{Seksjonstubb}}
Ionfeller med en sylindrisk snarere enn en hyperbolsk ringelektrode<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Micro ion trap mass spectrometry|publikasjon=Rapid Communications in Mass Spectrometry|doi=10.1002/(SICI)1097-0231(19990115)13:13.0.CO;2-K|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/%28SICI%291097-0231%2819990115%2913%3A1%3C50%3A%3AAID-RCM449%3E3.0.CO%3B2-K|dato=1999|fornavn=Oleg|etternavn=Kornienko|etternavn2=Reilly|fornavn2=Peter T. A.|etternavn3=Whitten|fornavn3=William B.|etternavn4=Ramsey|fornavn4=J. Michael|serie=1|språk=en|bind=13|sider=50–53|issn=1097-0231|besøksdato=2021-01-22}}</ref><ref>{{Kilde artikkel|tittel=Characterization of a serial array of miniature cylindrical ion trap mass analyzers|publikasjon=Rapid Communications in Mass Spectrometry|doi=10.1002/(SICI)1097-0231(19991230)13:243.0.CO;2-F|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/%28SICI%291097-0231%2819991230%2913%3A24%3C2444%3A%3AAID-RCM810%3E3.0.CO%3B2-F|dato=1999|fornavn=Zheng|etternavn=Ouyang|etternavn2=Badman|fornavn2=Ethan R.|etternavn3=Cooks|fornavn3=R. Graham|serie=24|språk=en|bind=13|sider=2444–2449|issn=1097-0231|besøksdato=2021-01-22}}</ref><ref>{{Kilde artikkel|tittel=Miniature Cylindrical Ion Trap Mass Spectrometer|publikasjon=Analytical Chemistry|doi=10.1021/ac020494d|url=https://doi.org/10.1021/ac020494d|dato=2002-12-01|fornavn=Garth E.|etternavn=Patterson|etternavn2=Guymon|fornavn2=Andrew J.|etternavn3=Riter|fornavn3=Leah S.|etternavn4=Everly|fornavn4=Mike|etternavn5=Griep-Raming|fornavn5=Jens|etternavn6=Laughlin|fornavn6=Brian C.|etternavn7=Ouyang|fornavn7=Zheng|etternavn8=Cooks|fornavn8=R. Graham|serie=24|bind=74|sider=6145–6153|issn=0003-2700|besøksdato=2021-01-22}}</ref><ref>{{Kilde artikkel|tittel=Characterization of a new open cylindrical ion cyclotron resonance cell with unusual geometry|publikasjon=Review of Scientific Instruments|doi=10.1063/1.2751100|url=http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.2751100|dato=juli 2007|fornavn=B.|etternavn=Kanawati|etternavn2=Wanczek|fornavn2=K. P.|serie=7|språk=en|bind=78|sider=074102|issn=0034-6748|besøksdato=2021-01-22}}</ref><ref>{{Kilde artikkel|tittel=Design, microfabrication, and analysis of micrometer-sized cylindrical ion trap arrays|publikasjon=Review of Scientific Instruments|doi=10.1063/1.2403840|url=https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.2403840|dato=2007-01-01|fornavn=D.|etternavn=Cruz|etternavn2=Chang|fornavn2=J. P.|etternavn3=Fico|fornavn3=M.|etternavn4=Guymon|fornavn4=A. J.|etternavn5=Austin|fornavn5=D. E.|etternavn6=Blain|fornavn6=M. G.|serie=1|bind=78|sider=015107|issn=0034-6748|besøksdato=2021-01-22}}</ref> er utviklet og mikrofabrikkert i matriser for å utvikle miniatyrmassespektrometre for kjemisk påvisning i medisinsk diagnose og andre felt.

== Plan ionfelle ==
Kvadrupole feller kan også "foldes ut" for å skape den samme effekten ved hjelp av et sett med plane elektroder.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Microfabricated Surface-Electrode Ion Trap for Scalable Quantum Information Processing|publikasjon=Physical Review Letters|doi=10.1103/PhysRevLett.96.253003|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.96.253003|dato=2006-06-30|fornavn=S.|etternavn=Seidelin|etternavn2=Chiaverini|fornavn2=J.|etternavn3=Reichle|fornavn3=R.|etternavn4=Bollinger|fornavn4=J. J.|etternavn5=Leibfried|fornavn5=D.|etternavn6=Britton|fornavn6=J.|etternavn7=Wesenberg|fornavn7=J. H.|etternavn8=Blakestad|fornavn8=R. B.|etternavn9=Epstein|fornavn9=R. J.|serie=25|bind=96|sider=253003|besøksdato=2021-01-22}}</ref> Denne fellegeometrien kan lages ved hjelp av standard mikrofabrikasjonsteknikker, inkludert det øverste metallaget i en standard CMOS mikroelektronikkprosess,<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Ion traps fabricated in a CMOS foundry|publikasjon=Applied Physics Letters|doi=10.1063/1.4892061|url=https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4892061|dato=2014-07-28|fornavn=K. K.|etternavn=Mehta|etternavn2=Eltony|fornavn2=A. M.|etternavn3=Bruzewicz|fornavn3=C. D.|etternavn4=Chuang|fornavn4=I. L.|etternavn5=Ram|fornavn5=R. J.|etternavn6=Sage|fornavn6=J. M.|etternavn7=Chiaverini|fornavn7=J.|serie=4|bind=105|sider=044103|issn=0003-6951|besøksdato=2021-01-22}}</ref> og er en nøkkelteknologi for å skalere fangede ionekvantdatamaskiner til nyttige antall qubits.

== Kombinert radiofrekvensfelle ==
En kombinert radiofrekvensfelle er en kombinasjon av en Paul ion-felle og en Penning-felle.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Confinement of electrons and ions in a combined trap with the potential for antihydrogen production|publikasjon=Hyperfine Interactions|doi=10.1007/BF02059938|url=https://doi.org/10.1007/BF02059938|dato=1996-12-01|fornavn=J.|etternavn=Walz|etternavn2=Ross|fornavn2=S. B.|etternavn3=Zimmermann|fornavn3=C.|etternavn4=Ricci|fornavn4=L.|etternavn5=Prevedelli|fornavn5=M.|etternavn6=Hänsch|fornavn6=T. W.|serie=1|språk=en|bind=100|sider=133–144|issn=1572-9540|besøksdato=2021-01-22}}</ref> En av de viktigste flaskehalsene i en quadrupole-ionefelle er at den bare kan begrense enkeltladede arter eller flere arter med lignende masser. Men i visse applikasjoner som antihydrogenproduksjon er det viktig å begrense to arter av ladede partikler med vidt forskjellige masser. For å oppnå dette målet tilsettes et jevnt magnetfelt i den aksiale retningen til kvadrupolionfellen.

== Digital ionefelle ==
Den digitale ionefellen (DIT) er en kvadrupol ionefelle (lineær eller 3D) som skiller seg fra konvensjonelle feller med drivbølgeformen. En DIT drives av digitale signaler, vanligvis rektangulære bølgeformer<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Proceedings: Ion activities on the surface of pial vessels following intravenous vasoactive drugs|publikasjon=Arzneimittel-Forschung|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1044|dato=oktober 1975|fornavn=D.|etternavn=Heuser|serie=10|bind=25|sider=1673|issn=0004-4172|pmid=1044|besøksdato=2021-01-22}}</ref><ref>{{Kilde artikkel|tittel=Digital Waveform Technology and the Next Generation of Mass Spectrometers|publikasjon=Journal of the American Society for Mass Spectrometry|doi=10.1021/jasms.8b05747|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jasms.8b05747|dato=2018-02-01|fornavn=Nathan M.|etternavn=Hoffman|etternavn2=Gotlib|fornavn2=Zachary P.|etternavn3=Opačić|fornavn3=Bojana|etternavn4=Huntley|fornavn4=Adam P.|etternavn5=Moon|fornavn5=Ashley M.|etternavn6=Donahoe|fornavn6=Katherine E. G.|etternavn7=Brabeck|fornavn7=Gregory F.|etternavn8=Reilly|fornavn8=Peter T. A.|serie=2|bind=29|sider=331–341|issn=1044-0305|besøksdato=2021-01-22}}</ref> som genereres ved å bytte raskt mellom diskrete spenningsnivåer. De viktigste fordelene med DIT er dens allsidighet<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Duty cycle-based isolation in linear quadrupole ion traps|publikasjon=International Journal of Mass Spectrometry|doi=10.1016/j.ijms.2013.02.012|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387380613000730|dato=2013-06-01|fornavn=Rachit|etternavn=Singh|etternavn2=Jayaram|fornavn2=Vivek|etternavn3=Reilly|fornavn3=Peter T. A.|språk=en|bind=343-344|sider=45–49|issn=1387-3806|besøksdato=2021-01-22}}</ref> og praktisk talt ubegrenset masseområde. Den digitale ionefellen er utviklet hovedsakelig som en masseanalysator.

== Referanser ==
<references />

{{Massespektrometri}}

{{Autoritetsdata}}

[[Kategori:Massespektrometri]]
[[Kategori:Måleinstrumenter]]