Диссертация (1145374), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Она представляет собойуникальный масс-спектрометр на основе ловушек Пеннинга. Уникальностьданной установки заключается в том, что она является первым и на данныймомент единственным в мире масс-спектрометром, который позволитопределять отношения масс стабильных и долгоживущих нуклидов сотносительной неопределённостью меньше, чем 10-11.Измерение отношений масс определённых нуклидов с такой беспрецедентновысокой точностью необходимо, например, для определения массы нейтрино сточностью, равной примерно 0.2 эВ [48, 157], а также для поиска тяжёлыхстерильных нейтрино [199].
Эксперимент по сравнению скорости света ипредельной скорости распространения массивных объектов является еще однимпроектом, требующим знания отношения масс определённых нуклидов с оченьвысокой точностью [200]. Список ряда задач, требующих знания отношениямасс определённых нуклидов с очень высокой точностью, приводится в главе“Введение“ данной диссертации.7.1 Обзор установкиНа рисунке 7.1 приводится схема установки PENTATRAP. Функциональноустановка состоит из трёх секций: (1) ионные источники для созданиявысокозарядных ионов, (2) ионооптический тракт (ионопровод) от ионныхисточников до масс-спектрометра и (3) масс-спектрометр на основе ловушекПеннинга.165ОднимизвозможностьуникальныхдоступаксвойствустановкивысокозаряднымPENTATRAPионамширокогоявляетсядиапазонастабильных и долгоживущих нуклидов.
Для создания высокозарядных ионовиспользуются два EBIT-источника (Electron Beam Ion Trap): (1) компактныйDresden EBIT-W [201, 202] и Heidelberg-EBIT [203]. В основном при измеренииотношения масс нуклидов планируется использовать Dresden EBIT-W. В случаенеобходимостиработысполностьюионизированнымииливодородоподобными ионами тяжёлых нуклидов планируется работать сHeidelberg-EBIT.Рис. 7.1: Схема установки PENTATRAP. Эксперимент располагается на двухуровнях.
На верхнем уровне расположены источники высокозарядных ионов.166Масс-спектрометр находится на нижнем уровне в лаборатории PENTATRAP.Ионооптический тракт, соединяющий ионные источники с массспектрометром, представляет собой набор электростатических одиночных линз,пульсирующих электродов и узла диагностики ионов.Ионные источники расположены на верхнем уровне в экспериментальномзале ионных источников. Ионы транспортируются из зала ионных источников кмасс-спектрометру с помощью ионопровода, представляющего собой наборэлектростатических одиночных линз, пульсирующих электродов и станцийдиагностики ионов.Масс-спектрометррасположеннанижнемуровневлабораторииPENTATRAP.
Он представляет собой сверхпроводящий магнит, в магнитномполе которого располагаются пять ловушек Пеннинга и сверхчувствительнаякриогенная электроника, охлаждённые до температуры жидкого гелия 4.2Кельвина.7.2 Создание высокозарядных ионовНеобходимость использования высокозарядных ионовОсновыми факторами, ограничивающими точность измерения свободнойциклотронной частоты иона, являются нестабильность во времени магнитногополя и электростатического потенциала ловушек.
На данный моментэлектростатический потенциал U порядка нескольких десятков вольт удаётсястабилизировать на временном отрезке порядка 10 минут на уровне ∆U/U =10-8,в то время как относительная стабильность магнитного поля порядка 7 тесламожет поддерживаться на уровне 10-12 в течение часа. Таким образом, в первуюочередь необходимо уменьшить влияние нестабильности потенциала ловушкина измерение свободной циклотронной частоты.Изменение потенциала ловушки на величину ∆U приводит к изменениючастот ловушечных движений следующим образом:167∆ = ∆+ = −∆− =Δ2,(7.1)Δ+ −− 22,Δ+ −− 2(7.2).(7.3)Если бы одновременное измерение всех трёх ловушечных частот быловозможно, то изменение потенциала ловушки не приводило бы к изменениюсвободной циклотронной частоты.
На практике приходится проводитьнезависимые друг от друга и неодновременные измерения ловушечных частот.На установке PENTATRAP свободная циклотронная частота определяется потеореме инвариантности (см. главу 1, выражение (1.10)). В данном случаеизменение потенциала ловушки на величину ∆U во время измеренияциклотронной частоты + приводит к относительному изменению свободнойциклотронной частоты с , выраженному следующим образом:∆сс+ 2= −� �с2Δ+ (+ −− ) 2 2 Δ≈ −� �2с.(7.4)Относительное изменение свободной циклотронной частоты с , вызванноеизменением потенциала ловушки на величину ∆U во время измеренияаксиальной и магнетронной частот + , даётся, соответственно, выражениями(7.5) и (7.6):∆с∆ссс2= � −�с2 Δ= − � �+сΔ+ −− 22,(7.5)2 Δ≈ � −�с2.(7.6)168Так как задача состоит в том, чтобы измерять свободную циклотроннуючастотусотносительнойнеопределённостьюменьше,чем10-11,аотносительная стабильность потенциала ловушки не превышает 10-8, то“факторы подавления“ 2 ⁄22 и −2 ⁄22 , стоящие в выражениях 7.4 - 7.6 перед∆⁄, должны быть меньше, чем 10-3.На рисунке 7.2 приведена зависимость фактора подавления 2 ⁄22 отзарядового состояния q для ионов 187Os, находящихся в магнитном поле силой 7тесла.
Аксиальная частота равна 400 кГц (типичное значение для установкиPENTATRAP).Рис. 7.2: Фактор подавления 2 ⁄22 в зависимости от зарядового состояния qдля ионов 187Os, находящихся в магнитном поле силой 7 тесла. Аксиальнаячастота равна 400 кГц.Видно, что фактор подавления становится меньше, чем 10-3, если зарядовоесостояние ионовOs превышает значение десять. На установке PENTATRAP187предполагается работать с зарядовыми состояниями, превышающими значение30.EBIT источники высокозарядных ионов169Создание высокозарядных ионов с помощью EBIT ионных источниковосновывается на процессе множественной ионизации нуклидов посредствомэлектронного удара.
На рисунке 7.3 приводится графическая иллюстрацияпринципа работы EBIT ионного источника.Рис. 7.3: Принцип работы EBIT ионного источника. Пучок электронов,созданный катодом и ускоренный электростатическим полем, пересекаетобласть ионизации и поглощается коллектором.
Магнитное поле сжимает пучокэлектронов в области ионизации. Ионы удерживаются в аксиальномнаправлении и в радиальной плоскости, соответственно, электрическим полеми потенциалом, созданным пучком электронов. Столкновение ионов сэлектронами приводит к множественной ионизации ионов.Электроны генерируются катодом, который помещён в область слабогомагнитного поля. В свою очередь, область ионизации находится в сильноммагнитном поле. Благодаря этому пучок электронов, пересекая областьионизации, сильно сжимается в радиальной плоскости, что приводит кувеличению плотности электронов в пучке, и, как результат, к увеличениюскорости ионизации ионов.
Разность потенциалов между катодом и областьюионизацииопределяетмаксимальнодостижимоезарядовоесостояние170исследуемых ионов. После пересечения области ионизации пучок ионовпоглощается коллектором. Ионы в объёме ионизации удерживаются ваксиальном направлении электростатическим полем, создаваемым наборомцилиндрических электродов. В радиальной плоскости ионы удерживаются впотенциальной яме, создаваемой интенсивным пучком электронов. Чтобыослабить процесс нейтрализации ионов, вызванных их столкновениями сатомами остаточного газа, в области ионизации обеспечивается очень высокийвакуум порядка 10-10 мбар. В данных ионных источниках были полученыполностью ионизированные ионы урана [204] и гелиоподобные ионыкалифорния [205]. Ионы могут извлекаться из EBIT ионного источника либо ввиде непрерывного пучка, либо в виде последовательности ионных пакетов.Ионный источник Dresden EBIT-WОсновным поставщиком высокозарядных ионов для установки PENTATRAPявляется коммерческий компактный Dresden EBIT-W с интегрированнымфильтром Вина (рисунок 7.4(а)).Рис.
7.4: (а) Фотография ионного источника Dresden EBIT-W синтегрированным фильтром Вина. (б) Схема системы доставки нуклидовMIVOC [206] в область ионизации. Методика MIVOC позволяет создаватьвысокозарядные ионы, используя газообразные химические соединения, атакже жидкие и твёрдые летучие соединения.171Сила и плотность электронного тока достигают значений, соответственно, 50мА и 300 А/cм2. Создаваемое постоянным магнитом поле в ионизационнойобласти достигает значения 250 мТл. Максимальная энергия электронногопучка достигает значения 15 кэВ. Данные параметры позволяют создавать ионытяжёлых нуклидов, например, таких, какOs с зарядовыми состояниями187вплоть до значения 52+ [49] (см. рисунок 7.5). Нуклиды с протонным числом Zменьше, чем 30, могут быть полностью ионизованы. На данный момент ионныйисточник позволяет создавать ионы практически всех нуклидов, которые могутбыть доставлены в область ионизации в виде летучего химического соединения(методика MIVOC, см.
рисунок 7.4(б)). Модернизация ионного источника,запланированная на ближайшее будущее, позволит создавать ионы, используятакже и твёрдые нелетучие химические соединения.Для выделения ионов с определённым отношением массы к заряду / навыходеионногоисточникасмонтированразрешающей способностью по /фильтрВина,обладающийпорядка 80. Данной разрешающейспособности вполне достаточно для выделения определённого зарядовогосостояния исследуемого нуклида.
Кинетическая энергия ионов на выходе изионного источника равна нескольким кэВ/q.172Рис. 7.5: Число высокозарядных ионов нуклида 187Os, извлекаемых из ионногоисточника Dresden EBIT-W за секунду. Атомы осмия доставлялись в областьионизации в виде летучего органического соединения Os(C 5 H 5 ) 2 . Времяионизации, сила тока и энергия электронного пучка равнялись соответственно800 мс, 30 мА и 7.9 кэВ. Данные параметры позволяют достичь зарядовогосостояния 52+.Ионный источник Heidelberg-EBITИонный источник Heidelberg-EBIT, спроектированный и построенный винституте ядерной физики имени Макса Планка, является одним из немногих вмире EBIT ионных источников, позволяющих создавать почти полностьюионизированные ионы таких тяжёлых нуклидов, как, например, уран.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
