Автореферат (1145373), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Q-значения β − - распада 187Re и электронного захвата в 163Ho были ужеопределены с достаточно хорошей точностью в нескольких экспериментах с помощьюразличных методик (соответственно, рисунки 9 и 10). К сожалению, ни одна из этих методикне является прямой, т.е. измеряющей непосредственно разницу масс материнских и дочернихнуклидов. Так, Q-значение β − - распада187Re определялось двумя методами: (1) с помощьюгазовых пропорциональных счётчиков [39, 40, 41] и (2) посредством криогенноймикрокалориметрии [42, 43, 44, 45]. Как видно из рисунка 9 существует довольно сильноеразногласие между Q-значениями β − - распада187Re, полученными с помощью этихразличных методик.
Таким образом, возникает необходимость в прямом определении Qзначения с помощью ловушек Пеннинга с точностью, равной как минимум несколькимдесяткам эВ. Если окажется, что данное Q-значение значительно отличается от Q-значений,полученных с помощью криогенных микрокалориметров, то это будет указывать нанедостаточно адекватное модельное описание микрокалориметрического спектра β − распада187Re, что может привести к существенным систематическим ошибкам в точномопределении массы антинейтрино посредством криогенной микрокалориметрии.Рис. 9: Q-значения β − - распада 187Re, полученные в (`Brodzinski 1965`: [39], Huster 1967`:[40], `Ashktorab 1993`: [41], `Cosulich 1992`: [42], `Alessandrello 1999`: [43], `Galeazzi 2000`:[44], `Arnaboldi 2003`: [45]).
Зелёными квадратиками и синими кружками обозначены Qзначения, полученные с помощью, соответственно, газовых пропорциональных счётчиков икриогенных микрокалориметров.Аналогичная ситуация сложилась и с Q-значением электронного захвата в 163Ho (рисунок10(а)). Для определения данного Q-значения было использовано семь различных непрямых29методик.
Рекомендованное Q-значение, равное 2.555(16) кэВ [29], базируется на значениях,полученных с помощью газовых пропорциональных счётчиков [46, 47] методом сравнениявероятностей захвата электронов с различных атомных оболочек и из анализа процесса“связанного“ β -распада на накопительном кольце в ГСИ (GSI) [48].значения,полученныеспомощьюкриогеннойБолее поздние Q-микрокалориметрии,находятсявсущественном разногласии с рекомендованным значением.
В отличие от экспериментовс187163Re статистическая чувствительность экспериментов сHo к массе нейтриносущественно зависит от Q-значения. На рисунке 10(б) в качестве примера приводитсястатистическаячувствительностьзарегистрированныхсобытийэкспериментаэлектронногоECHoзахватавдля163Hoразличного[49].Длячислазаданнойстатистической чувствительности эксперимента изменение Q-значения от 2.4 кэВ до 2.8 кэВприводит к четырёхкратному увеличению размера эксперимента. С этой точки зрениянаиболее выгодным является Q-значение, находящееся в областирекомендованногозначения. Но это означает, что микрокалориметрия определяет Q-значение с большойсистематической ошибкой, что, в свою очередь, скажется на точности определения массынейтрино.Рис. 10: (а)Q-значения электронного захвата в 163Ho, полученные в несколькихэкспериментах из анализа процесса электронного захвата [50, 51, 52, 53, 46, 54, 47, 48, 55, 56]и [57]. Различные символы соответствуют различным экспериментальным методам анализапроцесса электронного захвата.
Бордовые линия и полоса обозначают, соответственно,рекомендованное Q-значение и точность его определения согласно [29]. (б) Статистическаячувствительность эксперимента ECHo к массе нейтрино в зависимости от Q-значенияэлектронного захвата в 163Ho для различного числа N зарегистрированных событийэлектронного захвата [49].30Если же истинное Q-значение согласуется с микрокалориметрическим Q-значением, тоэто будет означать, что микрокалориметрический спектр достаточно корректно описываетвсе физические процессы, протекающие в процессе электронного захвата вобразом, так же, как и в случае с Q-значением β − - распадаQ-значения электронного захвата в163Ho. Таким187Re, необходимо определение163Ho с помощью ловушек Пеннинга с точностью, равнойкак минимум нескольким десяткам эВ, которая позволит снять разногласия, достигающиенесколько сотен эВ, согласно рис.
10(а).В разделе 6.3 приводится подробный анализ данных по определению атомной массы 48Са иQ-значений β --распада187Re и электронного захвата в163Ho с помощью методики PI-ICR ипроводится обсуждение полученных результатов.Значениянуклидов48отношенияизмеренных163187Ca/C 4 ,Ho/163Dy исвободныхциклотронныхчастотдляпарRe/187Os, а также их статистические и систематическиеошибки приведены в таблице 3.Таблица 3: Значения отношения измеренных свободных циклотронных частот для парнуклидов 48Ca/C 4 , 163Ho/163Dy и 187Re/187Os, а также их статистические и систематическиеошибки.48163187Ca/ C 4Ho/163DyRe/187Os1.00099010175(35) стат (17) сис1.00000001867(20) стат (10) сис 1.00000001431(17) стат (9) сисИзмерение отношения свободных циклотронных частот однозарядных ионов48Ca и C 4 сотносительной точностью равной 3.9·10-10 позволило определить массу литийподобныхионов 48Ca17+ с относительной точностью 4·10-10 [23]:m(48Ca17+) = 47.943204044(19) а.е.м.Масса литийподобных ионов другого изотопа кальция(5)40Ca17+ была определена изтабличного значения атомной массы 40Ca [29] с относительной точностью 6·10-10:m(40Ca17+) = 39.953272233(22) а.е.м.(6)Коэффициенты Γ(4817+) и Γ(4017+) (выражение (1)), экспериментально определенныегруппой из университета города Майц (Mainz), позволили определить гиромагнитныеотношения эксп.
(48Ca17+) и эксп. (40Ca17+) с относительной точностью, соответственно, 4.1·1010и 5.6·10-10 [23]:эксп. (48Ca17+) = 1.999 202 028 85(82),эксп. (40Ca17+) = 1.999 202 040 55(111).(7)(8)Таким образом, измеренная разность гиромагнитных отношений электронов Δэксп. влитийподобных ионах 40Ca17+ и 48Ca17+ равна:Δэксп. = 11.70(140) ∙ 10−9 .(9)31Полученное в работе [23] теоретическое значение Δтеор. равно:Δтеор.
= 10.305(27) ∙ 10−9 .(10)Хорошее согласие Δэксп. и Δтеор. подтверждает на уровне 1.4·10-9 правильность нашегопонимания взаимодействия связанного электрона с сильным электромагнитным полем,создаваемым ядром с зарядовым числом 20.Наосновеизмеренных187Re/187Os и163электронного захвата в163нуклидовотношенийсвободныхциклотронныхчастотдляHo/163Dy были определены Q-значения β --распадапар187Re иHo (рисунок 11). Данные Q-значения находятся в хорошемсогласии с Q-значениями, полученными с помощью криогенной микрокалометрии –методики, на которой базируются все современные эксперименты по определению массынейтрино из анализа β --распада187Re и электронного захвата в163Ho.
Данное согласиепозволяет сделать вывод, что на уровне достигнутой точности теоретическое описаниеспектров β --распада 187Re и электронного захвата в 163Ho является корректным.Как уже было отмечено, статистическая чувствительность экспериментов с163Ho к массенейтрино существенно зависит от Q-значения. Достигнутая точность в определении Qзначения электронного захвата в163Ho позволила уменьшить неопределённость в масштабе,например, эксперимента ECHo с нескольких сот процентов до приемлемых пары десятковпроцентов (рисунок 12).Рис. 11: Q-значения β − - распада 187Re (а) и электронного захвата в 163Ho (б), полученные изанализа различных процессов (чёрные значки) и с помощью ловушки Пеннинга SHIPTRAP(красные значки). Значения, полученные с помощью ловушки Пеннинга, согласуются созначениями, полученными с помощью криогенной микрокалориметрии.32Рис.
12: Статистическая чувствительность эксперимента ECHo к массе нейтрино взависимости от Q-значения электронного захвата в 163Ho для числа N=1012зарегистрированных событий электронного захвата. Достигнутая точность порядканескольких десятков эВ (вертикальная розовая полоса) в определении Q-значенияэлектронного захвата в 163Ho трансформируется в неопределённость порядка несколькихдесятков процентов для статистической чувствительности эксперимента ECHo к массенейтрино (горизонтальная розовая полоса).Таким образом, измерения Q-значений β − - распада 187Re и электронного захвата в 163Ho сточностью порядка нескольких десятков эВ, выполненные с помощью методики PI-ICR, вопервых, подтвердили корректность теоретических моделей, применяемых для описанияпроцессовβ − - распада187Re и электронного захвата в163Ho и, во-вторых, позволилизафиксировать с приемлемой точностью масштаб экспериментов по определению массынейтрино из анализа электронного захвата в 163Ho.Глава 7 Установка PENTATRAPВ данной главе рассматривается установка PENTATRAP, расположенная в институтеядерной физики общества Макса Планка в Гейдельберге (Германия).
Она представляет собойуникальный масс-спектрометр на основе пяти ловушек Пеннинга. Уникальность этойустановки заключается в том, что она является первым и на данный момент единственным вмире масс-спектрометром, который позволит определять отношения масс стабильных идолгоживущих нуклидов с относительной неопределённостью меньше, чем 10-11.В разделе 7.1 приводится обзор установки PENTATRAP (рисунок 13).33Рис.
13: Схема установки PENTATRAP. Эксперимент располагается на двух уровнях. Наверхнем уровне расположены источники высокозарядных ионов Dresden EBIT-W иHeidelberg-EBIT. Масс-спектрометр находится на нижнем уровне в лабораторииPENTATRAP. Ионооптический тракт, соединяющий ионные источники с массспектрометром, представляет собой набор электростатических одиночных линз,пульсирующих электродов и узла диагностики ионов.В разделе 7.2 обосновывается необходимость использования и описывается методикасоздания высокозарядных ионов с помощью двух ионных источников: (1) Dresden EBIT-W и(2) Heidelberg-EBIT.В разделе 7.3 описывается система транспортировки высокозарядных ионов от ионныхисточников до масс-спектрометра.В разделе 7.4 приводится подробное описание сверхпроводящего магнита массспектрометра.В разделах 7.5 и 7.6 описывается дизайн и практическая реализация криогенной сборки - тойчасти установки PENTATRAP, которая содержит пять ловушек Пеннинга и которая34располагается в центральном туннеле магнита и следовательно охлаждена до температурыжидкого гелия (рисунок 14).Рис.
14: Криогенная сборка установки PENTATRAP, содержащая около 1200 отдельныхдеталей. Основными компонентами сборки являются две медные вакуумные камеры,содержащие, соответственно, пять ловушек Пеннинга и криогенную измерительнуюэлектронику. Криоионопровод соединяет камеры с ионооптическим трактом, ведущим кионным источникам. Вся сборка крепится (висит) на крепёжном фланце. Механизмюстировки позволяет изменять положение камеры с ловушками относительно осисимметрии магнитного поля. Радиационные экраны защищают холодную область оттеплового излучения, испускаемого тёплым крепёжным фланцем.В разделах 7.7-7.9 излагаются методики измерения ловушечных частот, планируемых дляиспользования на установке PENTATRAP, а также приводится схема измерительнойсистемы установки PENTATRAP.В разделе 7.10 приводится описание ультра-стабильного источника электрическогопотенциала для ловушек Пеннинга установки PENTATRAP, созданного при участии авторадиссертации совместно с электронной лабораторией института ядерной физики обществаМакса-Планка и институтом PTB в Брауншвейге (Physikalisch-Technische Bundesanstalt,Braunschweig).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
