Диссертация (1145374), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Далее в случаеизмерения частоты магнетронного движения либо положение ионов в ловушкесразу проецируется на детектор (измерение начальной фазы, шаг 4), либо ионысначала проводят в ловушке в свободном движении определённое время t,накапливая фазу магнетронного движения φ- +2πn, после чего их положение вловушке проецируется на детектор (измерение конечной фазы, шаг 4).
В случаеизмерения частоты циклотронного движения с ионами необходимо провестидополнительные манипуляции. Перед проецированием положения ионов вловушке на детектор модифицированное циклотронное движение ионовпереводится в магнетронное посредством π-импульса (шаг 3b) (см. главу 1).Прямое проецирование модифицированного циклотронного движения надетектор приводит к угловому размытию проекции положения ионов надетекторе вследствие ненулевой ширины распределения времени пролёта ионовмежду ловушкой и детектором (см. рисунок 5.5). Например, на установкеSHIPTRAP ПШПВ время-пролётного пика равняется одной микросекунде, чтосравнимо с периодом циклотронного движения однозарядных ионов цезия.Следует отметить, что конверсия циклотронного движения в магнетронноедвижение сохраняет абсолютное значение разницы конечной и начальной фаз,изменяя только знак (см.
раздел “конверсия циклотронного движения вмагнетронное“ данной главы). Обычно, измерение свободной циклотронной99частотыνcпредставляетсобоймногократноповторяющуюсяпоследовательность измерений магнетронной и циклотронной частот.5.2 Схема 2: прямое измерение свободной циклотронной частоты νсСхема 2 предназначена для непосредственного измерения свободнойциклотронной частоты ν c вместо определения её посредством суммированиянезависимоизмеренныхмагнетроннойициклотроннойчастот.Последовательность импульсов возбуждения, соответствующая данной схеме,приведена на рисунке 5.3.Рис. 5.3: Последовательность импульсов возбуждения, соответствующих схеме2 для прямого измерения свободной циклотронной частоты.
Длина рчимпульсов должна быть как можно короче. На практике длина импульсаоднозначно определяется амплитудой импульса, которую можно приложить кэлектродам ловушки.Данная схема состоит из двух подсхем 1 и 2, отличающихся друг от другатолько шагом 4. Подсхема 2 полностью повторяет схему 1 для измеренияконечной фазы циклотронного движения. В данной подсхеме ионы передпроецированиемнадетекторнакапливаютфазумодифицированногоциклотронного движения, равную φ+ +2πn + .
В подсхеме 1 π-импульсприкладывается сразу после возбуждения циклотронного движения. Такимобразом, ионы перед проецированием на детектор накапливают фазумагнетронного движения, равную φ- +2πn - . Если времена накопления фазы вподсхемах 1 и 2 одинаковы и равны t, то угол между проекциями ионов на100детекторе (относительно центра ловушки), которые соответствуют подсхемам 1и 2, выражается формулой: = 2 − 2(+ + − ) = 2 − 2 .(5.12)n c соответствует количеству полных оборотов, которые совершили бы ионы вловушке за время t, вращаясь вокруг центра ловушки со свободнойциклотронной частотой ν c .
Схемы 1 и 2 обладают одинаковыми разрешающимиспособностями и точностями определения свободной циклотронной частоты.Преимущество схемы 2 заключается в отсутствии необходимости измерятьначальные фазы. Тем не менее, схема 1 может оказаться предпочтительнее приопределении отношения свободных циклотронных частот массовых дублетов,когда нет необходимости измерять магнетронную частоту с большойточностью. В данном случае она даёт выигрыш в два раза в точностиопределения отношения свободных циклотронных частот по сравнению сосхемой 2.Методика PI-ICR была успешно внедрена на установке SHIPTRAP (см.
главу2). Тестирование методики PI-ICR проводилось в так называемом off-lineрежиме. Схема части установки SHIPTRAP, которая использовалась дляразработки методики PI-ICR, приведена на рисунке 5.4. Характерной чертойметодикиPI-ICRявляетсянеобходимостьиспользованияпозиционно-чувствительного детектора, способного измерять положение ионов в плоскостидетектора с точностью, превосходящей 100 µм. В данной работе использовалсяпозиционно-чувствительный детектор на основе микроканальных пластин санодом типа “delay-line“ (DLD40) фирмы RoentDek GmbH [149, 150]. В таблице5.1 приводятся основные параметры этого детектора.101Рис.
5.4: (слева) Схема части установки SHIPTRAP, использовавшейся дляразработки методики PI-ICR. В качестве тестовых ионов использовалисьоднозарядные ионы изотопа цезия 133, произведённые с помощью ионногоисточника поверхностной ионизации. Ионы сперва подаются в ловушкуочистки для процедуры “охлаждения и центрирования“ (см. главу 2). Послеэтого ионы транспортируются в измерительную ловушку для измерения ихсвободной циклотронной частоты. (справа) Измерительная часть установки,представляющей собой измерительную ловушку, область дрейфа междуизмерительной ловушкой и позиционно-чувствительным детектором исобственно сам позиционно-чувствительный детектор.
Также приводитсяраспределение магнитного поля вдоль оси симметрии магнитного поля междуизмерительной ловушкой и позиционно-чувствительным детектором. Точкипредставляют собой измеренные значения, синяя линия является эмпирическойфункцией, описывающей экспериментальный профиль магнитного поля.Таблица 5.1: основные параметры позиционно-чувствительного детектораDLD40 фирмы RoentDek GmbH.диаметр активной поверхностидиаметр каналабыстрота регистрациилинейное разрешениемаксимально допустимое магнитное поле42 мм25 µмдо 106 ионов в секунду70 µм20 мТлБольшая активная поверхность детектора позволяет работать с большимиувеличениями при проецировании ионного радиального движения на детектор.Детектор корректно функционирует в магнитных полях, не превышающихнесколько десятков миллитесла.
Это накладывает определённые ограниченияна положение детектора относительно центра ловушки и, таким образом, задаётмасштаб и геометрию для проецирующей электростатической ионной оптики.Ионно-оптическая система представляет собой цилиндрический электрод спеременным диаметром длинной примерно 86 см и является, по сути, областью102дрейфа, свободного от электрических полей. Данный участок дрейфа долженобеспечивать очень быстрое извлечение ионов из области сильного магнитногополя для минимизации ширины время-пролётного распределения ионов междуловушкой и детектором. Коэффициент увеличения G (см.
следующий раздел), содной стороны, должен быть достаточно малым, чтобы минимизироватьвозможные искажения изображения положения ионов в ловушке на детектореиз-за неизбежных неидеальностей в пространственной структуре “delay-line“анода и каналов микроканальных пластин. С другой стороны, коэффициентувеличения должен быть достаточно большим, чтобы обеспечивать достаточнохорошуюпространственнуюдетализациюнадетектореизображениярадиального движения ионов в ловушке. В случае SHIPTRAP коэффициентувеличения равен примерно 20.Нарисунке5.5показаныэкспериментальнополученныепроекциимагнетронного и циклотронного движений однозарядных ионов изотопа цезия133. Радиусы обоих движений равны примерно 0.35 мм.
Различные положения“фазовых пятен“ – проекций на детекторе радиального распределенияположения ионов в ловушке – соответствуют различному времени набора фазы,меняющемуся от 0 до периода соответствующего радиального движения, атакже различным схемам проецирования.Рис. 5.5: Экспериментально полученные проекции положения однозарядныхионов изотопа цезия 133 для нескольких фаз (а) магнетронного движения и (б)циклотронного движения после его конверсии посредством π-импульса. (в)Прямая проекция циклотронного движения с определённой фазой. (г) Прямаяпроекция радиального движения с определёнными ненулевыми радиусами103магнетронного и циклотронного движений для четырёх фаз магнетронногодвижения.5.3 Систематические эффектыДанный раздел посвящён детальному исследованию эффектов, присущих PIICR методике, которые могут приводить к ошибке определения радиальныхчастот, и которые, таким образом, определяют максимально достижимуюточность определения радиальных частот, а также предельную разрешающуюспособностьPI-ICR методики на конкретной установке.
Данные эффектыможно разделить на пять групп: (1) искажение проекции движения ионов надетекторе,(2)ошибкав определениирадиальныхчастот,вызваннаянеодновременным измерением начальной и конечной фаз в схеме 1, (3)эффекты, приводящие к размытию “фазовых пятен“, (4) ошибка в определениирадиальных частот, вызванная конверсией циклотронного движения вмагнетронное, (5) ошибка в определении радиальных частот, вызваннаянеоднородностью магнитного поля и негармоничностью потенциала ловушки.В первую группу входят искажения проекции движения ионов, вызванныхнеизбежными угловыми и линейными смещениями между осью магнитногополя и осью симметрии электродов ловушки, а также неортогональностиплоскости детектора относительнооси симметрии электродов ловушки.Наиболее значимыми эффектами в третьей группе являются временнаянестабильность радиальных частот, вызванная флуктуациями электрическогопотенциалаловушкиимагнитногополя,ирассеяниеионовнамолекулах/атомах остаточных газов в ловушке.Искажение проекции движения ионовОпределённое угловое χ и/или линейное b смещения между осьюмагнитного поля и осью симметрии электродов ловушки, а также наличие104определённогоуглаδмеждуплоскостьюдетектораиплоскостьюортогональной оси симметрии электродов ловушки (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
