Диссертация (Измерение малых энергий бета-распада нуклидов с использованием ионных ловушек Пеннинга), страница 10

С другой стороны, при сохранении точности измерений, PI-ICR метод42проекция центрапроекция центрамс-проекциямс-проекцияРисунок 2.6 — Проекции центра и двух радиальных движений иона на ПЧ-МКП детектореспустя некоторое время набора фазы . Слева – проекция магнетронного движения(ν− -проекция), справа – проекция циклотронного движения (ν+ -проекция).позволяет теперь измерять более короткоживущие нуклиды. Так, для периода полураспадануклида порядка 100 мс относительная точность измерения массы δ/ может достигать10−8 .

Для долгоживущих же массовых дублетов относительная точность определения ихмасс может достигать 2 · 10−10 [4; 76].2.3.3Метод Фурье-преобразования FT-ICRПервые два описанных выше метода основаны на извлечении ионов из ловушки идетектировании их времени пролета или определении фазы их радиального движения наМКП детекторе. Такие деструктивные методы требуют последовательного набора несколь­ких сотен ионов на одно определение циклотронной частоты.

Преимуществом таких методовявляется то, что время измерения каждого отдельного иона может быть всего лишь несколь­ко мс, что в свою очередь позволяет измерять короткоживущие радионуклиды [59]. Дляне столь короткоживущих нуклидов существует альтернативный более точный конструктив­ный FT-ICR метод (Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance), основанный на определениичастоты колебаний электрического тока, наведенного на электродах ловушки движущимсявнутри нее заряженным ионом.Амплитуда колебаний наведенного тока очень мала ( ∼ 10−12 А), поэтому соглас­но закону Ома = нужен высокий импеданс системы (|| ∼ 106 Ом) для измеренияощутимого падения напряжения ( ∼ 10−6 В).

Ввиду существования собственной емкостиэлектродов ловушки eff порядка нескольких пФ, не достаточно было бы использовать просто43высокое омическое сопротивление, но необходимо подключение катушки с индуктивностью и сопротивлением coil . В итоге в идеальном случае мы имеем резонансный кон­тур с импедансом=ωeff (ω + coil ),1(ω+)coilωeff(2.35)для которого модно показать, что он принимает максимальное и действительное значение√при ω ≈ 1/ eff .CeffLинтенсивностьпик ионаUoutRcoilшум резонатораω ωловушкакатушкаусилительFFT-анализатор(Гц)FFT-спектрРисунок 2.7 — Принципиальная схема подключения для получения сигнала в FT-ICRметоде.В минимальной конфигурации FT-ICR метода используется только один резонатор,подключенный к оконечному электроду для детектирования аксиальной частоты иона ω(см. Рис. 2.7).

Прикладывая РЧ-импульсы на соответствующих частотах к соответствующимэлектродам ловушки можно производить манипуляции с ионом, что позволяет также опре­делить и две другие радиальные частоты ω− и ω+ . В конечном счете, пользуясь формулой2.8, определяем истинную циклотронную частоту ω вращения иона в ловушке.Охлаждением резонансного контура до криогенных температур можно значительноувеличить его добротность, тем самым достигнув чувствительности к единичному иону.Кроме того, криогенные температуры позволяют также добиться хорошего охлажденияионов и удовлетворительных вакуумных условий. Хорошее охлаждение иона означает егооптимальную локализацию в пространстве и, как следствие, уменьшение зависимости от«неидеальности» магнитного и электрического полей.

Хороший же вакуум позволяет удержи­вать ион длительное время2 , что способствует увеличению точности измерений. Увеличениезаряда иона также помогает увеличить отношение сигнала к шуму. Рекордный по точностиизмерения массы результат, равный ∆/ = 7 · 10−12 [67] в режиме off-line измерений длястабильных нуклидов, был достигнут именно с использованием FT-ICR метода.Напрямую к проведенным измерениям масс нуклидов, рассматриваемых в главе 5,данный метод отношения не имеет.

Однако для задач нейтринной физики, обсуждаемыхв разделе 1.1, в конечном счете именно FT-ICR метод будет применяться для высоко пре­цизионных измерений масс нуклидов на уровне относительной точности 10−11 или лучше.Более подробную информацию про этот метод можно найти, например, в [73; 79; 80].2При охлаждении всей системы до температуры жидкого гелия время удержания ионов, в зависимостиот конфигурации вакуумной системы, заряда и массы иона, может достигать нескольких месяцев [77] илидаже года [78].44Глава 3. Масс-спектрометры с ловушкой ПеннингаВ настоящее время существуют около 10 масс-спектрометров с ловушкой Пеннинга,которые уже функционируют или же находятся в стадии тестирования. С использованиемдеструктивных ToF-ICR и PI-ICR методов, описанных в главе 2.3, относительная точностьизмерения масс атомов может быть лучше, чем 10−9 .

Даже для короткоживущих нуклидовс 1/2 = 8.8 мс точность измерения может достигать 5 · 10−8 [81]. Для стабильных и легкихнуклидов с использованием конструктивного метода FT-ICR была достигнута относительнаяточность в 10−11 [67].3.1ShiptrapМасс-спектрометр Shiptrap располагается на территории исследовательского центратяжелых ионов ГСИ (Дармштадт, Германия).

Изначально спектрометр проектировался какon-line прибор для измерения масс тяжелых и сверхтяжелых радионуклидов методом время­пролетного резонанса ToF-ICR (см. 2.3.1). В 2010 году были опубликованы результатыпрямых измерений масс трансурановых элементов нобелия и лауренсия: 252−254 No и 255,256 Lr[82; 83]. Эти нуклиды входят в цепочки α-распада, происходящие от сверхтяжелых элемен­тов в районе ∼ 110.

Полученные точные значения масс совместно с известными энергиямиα-распада позволяют косвенно определить массы самих сверхяжелых элементов, которые,пока что, не доступны для прямых измерений. Более того, эти измерения дают полезнуюинформацию для построения теоретических массовых моделей [84; 85], тем самым помогаялучше локализовать остров стабильности сверхтяжелых элементов. Помимо физики сверх­тяжелых элементов, измерения масс на Shiptrap внесли вклад и в другие области физики,такие как, например, ядерная астрофизика [86; 87], определение линии протонной стабиль­ности [88] и безнейтринный двойной электронный захват [89—91]. Измерения на Shiptrap,выносимые на защиту в данной работе, относятся к области ядерной астрофизики [7] и ней­тринной физики [4].Для измерений масс тяжелых радионуклидов спектрометр Shiptrap установлен послемасс-фильтра SHIP (Separator for Heavy Ion reaction Products), где сверхтяжелые элемен­ты с = 107 − 112 были впервые обнаружены [92].

Эти нуклиды производятся в реакциислияния-испарения вызванной взаимодействием тяжелых нуклидов мишенного веществас первичным пучком, исходящим из 14-GHz-ECR ионного источника и ускоренного GSIUNILAC (UNIversal Linear ACcelerator). Для улавливания высоко энергетичных продуктовреакции, их термализации и сброса ионного заряда до значений 1+ и 2+ в гелиевой среде,после SHIP установлена газовая камера [93]. Далее установлен газонаполненный РЧК (ра­дио-частотный квадруполь) для еще большего охлаждения ионов и подготовке их, наконец,45для захвата в ловушку Пеннинга.

В дополнение перед ловушкой установлен off-line источникионов. Для измерений масс, рассматриваемых в данной работе, использовался именно этотисточник ионов, поэтому дальнейшее описание установки Shiptrap будет касаться толькоее off-line части, схематично представленной на Рис. 3.1.Для производства ионов в off-line источнике используется Nd:YAG твердотельный ла­зер со сдвоенной длиной волны 1064 и 532 нм, луч которого сфокусирован на эксцентричнорасположенный столик с образцами, как показано на Рис. 3.2. Эксцентрично расположенныйстолик позволяет расположить несколько образцов одновременно, а вращение его с помощьюманипулятора позволяет подвести под лазерный луч только тот образец, ионы которого мыхотим получить. Лазер используется в импульсном режиме в начале каждого измеритель­ного цикла с частотой примерно 1 Гц.

Длительность лазерного импульса 3-5 нс, а энергия4-12 мДж. Лазерный луч сфокусирован в пятно диаметром 1 мм с помощью телескопическойсистемы из оптических линз. Столик с образцами находится под некоторым положительнымпотенциалом относительно земли. Этим потенциалом задается начальная энергия произво­димых ионов так, чтобы их можно было эффективно извлечь из источника и захватить вловушку. Лазерный источник установлен перед квадрупольным дефлектором, тем самымдавая возможность выбирать между двумя другими источниками ионов: цезиевый источ­ник поверхностной ионизации, или же on-line источник ионов радионуклидов сверхтяжелыхэлементов от SHIP. Для измерения 123 Te и 187 Re, представленных в данной работе, исполь­зовался лазерный источник ионов, однако для настройки и подготовки установки к самимизмерениям использовался 133 Cs от источника поверхностной ионизации.Лазерныйионный источникПодготовительнаяловушкаИзмерительнаяловушкаПозиционночувствительныйМКП-детекторполучение ионовохлаждение ицентрирование ионоввозбуждение радиальногодвижения ионовпроекция радиальногодвижения ионовизображение радиальногодвижения ионов на ПЧ-МКПYν - проекцияпроекцияцентраν - проекцияNd:YAG лазероднородное магнитное поле 7 Тколичество ионов−XРисунок 3.1 — Схематичное представление off-line части установки Shiptrap и процедурыизмерения циклотронной частоты вращения иона с помощью PI-ICR методики.

Процедураизмерения состоит из 4 основных этапов: 1) получение однократно заряженных ионов спомощью лазерной абляции, 2) очищение и охлаждение ионов в подготовительнойгазонаполненной ловушке, 3) набор фазы радиального движения ионов в измерительнойловушке, 4) детектирование фазы радиального движения на позиционно-чувствительномдетекторе. Истинная циклотронная частота вращения νc иона в ловушке вычисляется наоснове измеренных фаз магнетронного ν− и модифицированного циклотронного ν+движений.46вакуумная камерацезиевыйисточникионнаяоптикадефлекторот он-лайнисточникак ловушкелазервытягивающаяпластинастоликс образцамиманипуляторРисунок 3.2 — Схематичное представление ионного источника. Лазерный источник ицезиевый источник поверхностной ионизации расположены по обе стороны отквадрупольного дефлектора, что позволяет их поочередное использование.

В лазерномисточнике есть возможность установки нескольких образцов на общем держателе,вращением которого можно выбрать нужный образец для лазерной абляции.После того, как ионы образовались в ионном источнике, они, проходя через ионно-опти­ческую систему и квадрупольный дефлектор, захватываются на лету в первой подготовитель­ной ловушке (ПЛ). ПЛ наполнена буферным газом – гелием при давлении ∼ 10−4 мбар. ВПЛ с помощью комбинации РЧ импульсов можно добиться того, чтобы ионы только инте­ресующего нас сорта хорошо охладились и центрировались в ловушке. При оптимальныхпараметрах настройки подготовительной ловушки разрешающая способность , определяе­мая как ν /∆ν , где ∆ν – ПШПВ резонансного пика, достигает 105 .После того, как интересующие нас ионы охладились и центрировались, они транс­портируются из перовой подготовительной ловушки во вторую измерительную (ИЛ) черездлинную узкую диафрагму, как показано на Рис.