Флексотрон — электростатический прибор¶

Флексотрон — электростатический прибор, в котором электрически заряженные частицы (обычно ионы или заряженные капли) удерживаются и перемещаются в переменном электрическом поле между системой электродов. Название образовано от латинского flexus («изгиб», «поворот») и греческого τρόνος («поворот», «вращение») по аналогии с циклотроном, синхротроном и другими названиями ускорителей и электродинамических ловушек. В отличие от циклических ускорителей, флексотрон не разгоняет частицы до высоких энергий, а служит для удержания, транспортировки и управления положением заряженных частиц или капель.

¶Принцип действия

Основой флексотрона является система электродов, создающих неоднородное электрическое поле. Поскольку в электростатическом поле устойчивое равновесие заряда невозможно (теорема Ирншоу), для удержания применяют переменные поля или комбинацию статических и динамических полей.

Типичная конфигурация включает:

• центральный электрод — стержень или кольцо, на которое подаётся управляющий потенциал;
• систему боковых электродов, создающих поперечное поле, удерживающее частицу на оси;
• источник переменного напряжения, обеспечивающий динамическую стабилизацию.

Заряженная частица в таком поле совершает сложное движение: она колеблется в поперечном направлении и одновременно смещается вдоль оси прибора. Изменяя амплитуду и частоту напряжений на электродах, можно управлять траекторией частицы, отклонять её, фокусировать или перемещать в заданную точку.

¶История

Понятие флексотрона возникло в середине XX века в работах по физике плазмы и электростатике. Пионером электростатического удержания заряженных частиц считается Рихард Фейнман, который в 1959 году предложил идею удержания ионов в переменном электрическом поле. Независимо от него аналогичные схемы разрабатывал немецкий физик Вольфганг Пауль, создавший в 1950-х годах квадрупольную ионную ловушку. За эту работу Пауль совместно с Хансом Демельтом получил Нобелевскую премию по физике в 1989 году.

Термин «флексотрон» в разных источниках применяется как к ионным ловушкам, так и к устройствам для манипуляции заряженными каплями и аэрозолями. В 1960–1970-е годы флексотроны использовались в экспериментах по физике аэрозолей и в исследованиях электризации облачных капель.

¶Конструкция и разновидности

По геометрии электродной системы выделяют несколько типов флексотронов.

Квадрупольный флексотрон представляет собой четыре параллельных электрода, на которые подаётся переменное напряжение со сдвигом фаз. Внутри такой системы заряженная частица удерживается вблизи оси за счёт чередования притяжения и отталкивания. Эта схема лежит в основе квадрупольных масс-анализаторов и ионных ловушек, широко применяемых в аналитической химии.

¶Применение

Флексотроны находят применение в нескольких областях.

Масс-спектрометрия. Квадрупольные ионные ловушки, построенные по принципу флексотрона, позволяют удерживать ионы в течение длительного времени, что даёт возможность изучать их реакции и фрагментацию. Такие устройства используются в масс-спектрометрах для анализа состава веществ.

Физика аэрозолей. Капельные флексотроны удерживают отдельные заряженные капли во взвешенном состоянии, что позволяет изучать их испарение, конденсацию и химические превращения без контакта со стенками сосуда.

Физика плазмы. Устройства, подобные флексотрону, применяются для удержания заряженных частиц в плазменных экспериментах и для исследования коллективных процессов.

Аналитическая химия. Ионные ловушки используются в газовых хроматографах и в портативных анализаторах для обнаружения следовых количеств веществ.

¶Отличие от ускорителей

Флексотрон часто путают с циклическими ускорителями из-за схожести названия. Однако между ними есть принципиальное различие. В циклотроне и синхротроне частицы разгоняются до высоких энергий, а их траектория искривляется магнитным полем. В флексотроне частицы не разгоняются: их энергия остаётся низкой, а поле служит только для удержания и управления положением. Магнитное поле в классическом флексотроне либо отсутствует, либо играет вспомогательную роль.

¶Значение

Флексотрон сыграл заметную роль в развитии методов удержания заряженных частиц. Идеи, заложенные в его конструкции, легли в основу современных ионных ловушек, которые применяются в квантовых вычислениях, в прецизионных измерениях частот и в экспериментах по охлаждению ионов лазерным излучением. Ионные ловушки Пауля, являющиеся развитием принципа флексотрона, используются в эталонах частоты и в квантовой логике.

Кроме того, принципы флексотрона применяются в устройствах для манипуляции биологическими объектами — например, для удержания и сортировки отдельных клеток в микрофлюидных системах.

¶См. также

• Ионная ловушка
• Квадрупольный масс-анализатор
• Ускоритель заряженных частиц
• Теорема Ирншоу