Диссертация (1145374), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Дляопределения типа нейтрино требуется знание отношения масс фактическистабильных материнских и дочерних нуклидов определённых двойных ECпереходов с точностью порядка 10-9. Наивысшая точность, превышающая 10, требуетсяпри11как 3He/3H,измеренииRe/187Os и187отношениямасстакихпарнуклидов,Ho/163Dy для возможности определения массы163нейтрино на уровне порядка нескольких сотен мэВ/c2.Всёразнообразиеэкспериментальныхметодов,исспользуемыхдляопределения масс нуклидов, объединено под общим названием “массспектрометрия“. Датой рождения масс-спектрометрии можно считать 1897 год,когда Джозеф Джон Томсон (Joseph John Thomson) экспериментальнопродемонстрировал, что электрон является электрически заряженной частицей,и измерил отношение его массы к заряду [13, 14].
Принцип работы аппаратаТомсона, заключающийся в использовании комбинации электрического имагнитного полей для измерения отношения массы к заряду заряженныхчастиц, лежит в основе практически всех современных масс-спектрометров.Настоящий прорыв в масс-спектрометрии был совершён тем же Томсоном награнице физики и химии. В 1912 году он обнаружил, что атомы неона могутиметь как массу 20 так и массу 22, т.е. каждый химический элемент можетиметь различные изотопы [15]. Студент Томсона Франсис Вильям Астон(Francis William Aston) продолжил эксперименты по изучению изотоповразличных химических элементов. Для этого он построил серию массспектрометров с фокусировкой ионов по скоростям, что позволило достичьразрешающей способности порядка 1000. Он провёл систематическиеизмерения масс более чем 200 нуклидов с относительной точностью порядка10-4 [16]. В 1920 году Астон обнаружил, что атомные массы различныхизотопов одного химического элемента отличаются на нецелое число масснейтрона, что указывало на наличие силы, связывающей нуклоны в ядре сэнергией связи порядка 8 МэВ на нуклон [17].
Данные исследования оказалирешающее влияние на развитие капельной модели строения ядра [18, 19, 20]. За6свои работы Томсон в 1906 году и Астон в 1922 году были награжденыНобелевской премией, соответственно, по физике и химии.В 1935 году Артур Джефри Демпстер (Arthur Jeffrey Dempster) создалприбор, который по праву можно назвать первым современным массспектрометром [21]. Он представлял собой комбинацию секторного магнита исекторного электростатического поля с углами поворота соответственно 1800 и900. Данный прибор, благодаря его способности выполнять фокусировку ионовкак в пространстве так и по энергии, позволил достигнуть разрешающейспособности порядка 20000. На данном масс-спектрометре с так называемойдвойной фокусировкой Демпстер, исследуя тяжёлые нуклиды, открыл изотопурана 235U.Дальнейший прогресс в развитии масс-спектрометрии был связан ссозданием приборов, обладающих ионной пространственной фокусировкойвысших порядков.
Подобные масс-спектрометры использовались АльфредомНиром (Alfred Nier) [22] и Генри Эдмисоном Даквортом (Henry EdmisonDuckworth) [23, 24] в течение Второй Мировой войны для изотопного анализа.Измерения масс большого количества нуклидов, выполненные на данныхприборах с относительной точностью порядка 10-7, сыграли важную роль вядерной физике для развития теории протонных и нейтронных оболочек в ядре.Кульминацией в развитии масс-спектрометров с двойной фокусировкойявилось создание Хисаши Мацуда (Hisashi Matsuda) серии масс-спектрометров,на которых он со своими сотрудниками в 1968 году при измерении разницыатомных масс 40Ca и 40Ar достиг разрешающей способности порядка 106 [25].50-ые годы прошлого столетия ознаменовались созданием приборов,принципиально отличающихся от классических масс-спектрометров.
Ониполучили названия “ловушки Пауля“ [26] и “ловушки Пеннинга“ [27]. Ввысоко-прецизионноймасс-спектрометриидлярешениязадачфундаментальной физики в основном используются ловушки Пеннинга. Болеетого, в наше время данные масс-спектрометры не имеют себе равных вразрешающей способности и точности определения масс, и поэтому они стали7“рабочими лошадками“ в экспериментах по измерению масс нуклидов дляфундаментальнойфизики.ЛовушкаПеннингапредставляетсобойсуперпозицию сильного постоянного однородного магнитного и постоянногоквадрупольного электростатического полей. Данная конфигурация полейпозволяет удерживать заряженные частицы в малом объёме довольнопродолжительное время.
Масса заряженной частицы определяется посредствомизмерения циклотронной частоты вращения данной частицы в магнитном поле.Первая ловушка Пеннинга была создана в середине 50-ых годов вуниверситете имени Вашингтона (University of Washington, Seattle) ХансомДемельтом (Hans Dehmelt) для определения массы электрона [28]. Дальнейшееразвитие данной методики позволило ему в 70-ых годах совместно со своимучеником Бобом ван Дайком (Bob van Dyck) провести высокопрецизионныеизмерения отношения массы электрона к массе позитрона [29]. Примерно в тоже время им была продемонстрирована возможность захвата и удержания вловушке единичного иона, в частности однозарядного иона бария.
В 1978 годуГеорг Гертнер (Georg Gärtner) и Эберхард Клемпт (Eberhard Klempt) изуниверситета города Майнц (University of Mainz) провели измерениеотношения массы протона к массе электрона с точностью порядка 2.9 ppm спомощью методики регистрации заряда, наведённого в электродах ловушкидвижущимся ионом [30]. Двумя годами позже их коллеги по университетуГернот Грэфф (Gernot Gräff), Хартмут Калиновский (Hartmut Kalinowsky) иЙоахим Траут (Joachim Traut) пятикратно улучшили точность данногоотношения, применив для определения масс протона и электрона методикувремя-пролётного циклотронного резонанса [31]. Вплоть до конца 80-ых годовпрошлого столетия ловушки Пеннинга использовались в основном дляизмерения масс элементарных частиц, таких как электрон, позитрон и протон.Начало масс-спектрометрии короткоживущих нуклидов на базе ловушекПеннинга было положено в 1987 году с созданием установки ISOLTRAP.Данная установка находится в ЦЕРНе (CERN) и предназначена для измерениямасс короткоживущих нуклидов, образованных в реакциях фрагментации8тяжёлых нуклидов высокоэнергетичными протонами [32].
ISOLTRAP оставалсяединственным масс-спектрометром на базе ловушек Пеннинга для измерениякороткоживущих нуклидов вплоть до начала 2000-ых, ознаменовавшихсяпрактически одновременным созданием в Европе и Северной Америке семиустановок подобных ISOLTRAP для проведения экспериментов по измерениюмасс широкого спектра короткоживущих нуклидов, образованных в различныхядерных реакциях [33, 34, 35, 36, 37, 38] (см. таблицу В.1).Таблица В.1: Список работающих установок на базе ловушек Пеннинга дляизмерения масс короткоживущих нуклидов. Под названием каждой установкиприведён год её ввода в эксплуатацию.
В первой колонке приводится типядерной реакции, доступной для исследования на конкретной установке.ISOLTRAP TITAN LEBIT SHIPTRAP JYFLTRAP CPT TRIGATRAPтип1987200320032000200320012008реакциифрагментацияp (0.5 или 1.4ГэВ) + Uфрагментацияионы (100МэВ) + Beслияниеиспарениеспонтанноеделениеделениенейтронами[32][33]xx[34][35][36][37][38]xxxxxxНеобходимо отметить, что данные установки скорее не конкурируют междусобой, а дополняют друг друга, т.к.
на каждой установке измеряются массынуклидов, образованных только в определённом типе ядерной реакции.Например, установки CPT и TRIGATRAP созданы для исследованиянейтроноизбыточных нуклидов средних и тяжёлых масс. Установка JYFLTRAPслужит для измерения протоноизбыточных нуклидов вплоть до висмута, тогдакак SHIPTRAP предназначен для проведения измерения масс трансурановыхэлементов. Например, на SHIPTRAP при активном участии автора даннойдиссертации были успешно проведены измерения масс некоторых изотопов9нобелия и лоуренсия (см.
главу 3). На всех установках за исключением массспектрометра TITAN on-line эксперименты проводятся преимущественно соднозарядными ионами с относительными точностями, не превышающими 10-8.В основу данных установок легла методика определения массы нуклида спомощью время-пролётного циклотронного резонанса [31] (см. главу 2).Примерно с 1987 по 2007 год использовалась одноимпульсная разновидностьметодики время-пролётного циклотронного резонанса, причём исчерпывающеетеоретическое описание данной методики появилось только в 1995 году [39].
В2007 году были предложены две модификации данной методики: (а) схемаРамзей (Ramsey) [40] и (б) октупольная схема [41, 42], что позволило повыситьточность определения масс короткоживущих нуклидов примерно в три раза.Более того, по сравнению с одноимпульсной схемой октупольная схема имеетна порядок большую разрешающую способность.
К сожалению, октупольнаясхема в отличие от схемы Рамзей не получила широкого распространениявследствие своей сложности. Новым прорывом в масс-спектрометриикороткоживущих нуклидов может стать принципиально новая методика,предложенная автором данной диссертации в 2013 году и получившая названиеPI-ICR (см. главу 5) [43]. По сравнению со схемой Рамзей она даёт пятикратноеувеличение точности определения массы нуклида и обладает в 40 раз большейразрешающей способностью. Данная методика позволяет определять сточностью порядка 10-7 массы короткоживущих нуклидов с периодамиполураспада всего несколько миллисекунд, что на данный момент невозможнодостичь ни с одной из существующих методик. С помощью данной методикина установке SHIPTRAP были измерены отношения масс нескольких пардолгоживущих и стабильных нуклидов с относительной точностью близкой к10-10 (см.
главы 5 и 6). Использование многозарядных ионов вместооднозарядных для измерения массы нуклида, как это реализовано на установкеTITAN [33], также позволяет увеличить точность определения массы нуклида.Тем не менее данная методика сопряжена со значительным уменьшениемэффективностииусложнениемустановкивследствиенеобходимости10дополнительно иметь узел ионизации нуклидов до высоких зарядовыхсостояний.Параллельно с ловушками Пеннинга для экспериментов с короткоживущиминуклидами делались попытки создания масс-спектрометров для измерений массстабильных нуклидов с относительной точностью, превышающей 10-10.
Насегодняшний день существует единственный работающий масс-спектрометрподобного рода – установка MIT/FSU-Trap, расположенная в университетештата Флорида (Florida State University) [9]. Данная установка обладаеткриогенными ловушками Пеннинга, охлаждёнными до температуры жидкогогелия. Для измерения массы стабильных нуклидов используется целый классметодов, основанных на измерении заряда, наведённого в электродах ловушкидвижущимсявысокозарядным ионом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
