Диссертация (1145374), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Онспроектирован выдавать электронные пучки с энергией 350 кэВ и силой тока,равной примерно 500 мА [207, 208]. Кинетическая энергия ионов на выходе изионного источника равна нескольким кэВ/q.На данный момент удалось достичь энергии электронов порядка 125 кэВ[209]. Этой энергии в принципе достаточно для создания полностьюионизированных ионов свинца. Для полной ионизации урана необходимодовести энергию электронного пучка до проектного значения.Данныйионныйэкспериментовпоисточникпроверкепланируетсяквантовойзадействоватьэлектродинамикивоввремясильныхэлектромагнитных полях (см.
введение к диссертации). Для этих экспериментовнеобходимы полностью ионизованные и водородоподобные ионы дваждымагического изотопа свинца 208Pb.7.3 Ионопровод173Ионопровод служит для транспортировки высокозарядных ионов от ионныхисточниковвловушкимасс-спектрометра.Онсостоитизсерииэлектростатических одиночных линз, двух пульсирующих электродов и двухдиагностических станций.Серияэлектростатическиходиночныхлинзпозволяетэффективнодоставлять высокозарядные ионы с энергией порядка нескольких кэВ/q нарасстояние примерно два метра до масс-спектрометра.Электростатический потенциал ловушек не превышает нескольких десятковвольт, тогда как ионы извлекаются из ионного источника с кинетическойэнергией порядка нескольких кэВ/q.
Поэтому перед захватом ионов ловушкамикинетическая энергия ионов уменьшается до значения, равного несколькимэВ/q, с помощью двух пульсирующих электродов.Положение и размер пакета ионов в ключевых точках ионопроводаконтролируется с помощью двух диагностических станций. Каждая станцияобладает одним стаканом Фарадея для измерения силы тока пакета ионов иодним детектором на основе микроканальных пластин с фосфорным экраномдляопределенияположенияиразмерапакетаионов.Фотографиядиагностической станции приведена на рисунке 7.6.Рис. 7.6: Фотография диагностической станции.
Стакан Фарадея (FC) идетектор на основе микроканальных пластин с фосфорным экраном (MCP+Phscreen) смонтированы на движущейся тележке. Таким образом, принеобходимости детекторы можно либо вдвигать в область ионного пучка, либовыдвигать их из области. За фосфорным экраном расположено алюминиевое174зеркало, которое направляет свет, образованный столкновением ионов сдетектором, на CCD-камеру.7.4 Масс-СпектрометрСверхпроводящий магнитОсесимметричноеPENTATRAPмагнитноесоздаётсяполемагнитом,ловушекПеннингапредставляющимсобойустановкисистемусверхпроводящих соленоидов (рисунок 7.7). Сила магнитного поля в областиловушек равна примерно 7 тесла. Относительная однородность магнитногополя ∆/ в области ловушек в цилиндрическом объёме радиусом 2.5 мм идлиной 120 мм равна примерно 25·10-6.
Абсолютное значение линейного 1 иквадратичного 2 коэффициентов неоднородностив центре ловушек непревышает, соответственно, значения 1 µТл/мм и 100 нТл/мм2. В будущем дляповышения однородности магнитного поля в области ловушек планируетсяиспользовать дополнительные компенсационные катушки [210]. Коэффициентактивной экранировки области ловушек от флуктуаций внешнего магнитногополя превышает значение 100.175Рис.
7.7: (а) Фотография сверхпроводящего магнита установки PENTATRAP.Магнит покоится на трёх антивибрационных ножках. Вокруг магнитаустановлены катушки Гемгольца для компенсации в области ловушекфлуктуаций магнитного поля земли. (б) Вертикальный разрез магнита.Соленоиды и центральный туннель соединены капилляром и охлаждаютсяжидким гелием.Система из пяти ловушек помещается в центральный туннель магнитадиаметром, равным 160 мм.
Туннель, а следовательно и ловушки, охлаждаютсяжидким гелием, поступающим из главного дьюара магнита через длинныйкапилляр. Так как пространство между туннелем и главным дьюаром откаченодо высокого вакуума, то уровни гелия в туннеле и в дьюаре могут изменятьсянезависимо друг от друга.Длявозможностиизмерениясвободнойциклотроннойчастотысотносительной неопределённостью 10-11 необходимо иметь очень стабильноемагнитное поле. Флуктуации уровня жидкого гелия в центральном туннелеприводят к флуктуациям магнитного поля в области ловушек.
Данный эффектобъясняется следующим образом. Изменение высоты столба жидкого гелияприводит к изменению давления гелия, а следовательно и его температуры вобласти ловушек. Изменение температуры гелия соответственно приводит кизменению температуры ловушек и материала, окружающего ловушки. Это всвою очередь приводит к изменению магнитной проницаемости данного176материала, и как следствие к изменению магнитного поля в ловушке. Такимобразом, необходимо стабилизировать как уровень жидкого гелия в туннеле,так и давление газообразного гелия на поверхность жидкого гелия. Для этойцели была создана система стабилизации уровня жидкого гелия и давлениягазообразного гелия в туннеле (рисунок 7.8).
Принцип работы данной системызаключается в следующем. Для стабилизации давления в центральном туннелепроизводится измерение разности давлений (несколько десятков мбар)втуннеле и в эталонном источнике давления, наполненном сухим азотом.Давление в эталонном источнике поддерживается на уровне 1010 мбар.Эталонный источник представляет собой ёмкость из нержавеющей сталиобъёмом 20 литров, изолированную от окружающей среды толстым слоемпенопласта. Таким способом достигается нечувствительность температуры, аследовательно и давления, газа в источнике к быстрым флуктуациямтемпературы окружающей среды. Для защиты источника от медленного дрейфатемпературы окружающей среды ёмкость обмотана нагревающим элементом,поддерживающим в источнике стабильную температуру с точностью до сотыхградуса в течение нескольких дней. В качестве дифференциального измерителядавления используется прибор AD120 фирмы MKS Instruments (differentialpressure transducer AD120).
Чувствительность данного измерителя давленияравняется 10-5· , где – максимальное давление, которое способенизмерить данный прибор. В нашем случае = 100 мбар, что соответствуетчувствительности 1 µбар. Это означает, что давление гелия в туннелестабилизируется в пределах ±1 µбар.177Рис. 7.8: Принцип стабилизации уровня жидкого гелия (LHe) и давлениягазообразного гелия в центральном туннеле. Дифференциальный измерительдавления определяет разницу давлений в туннеле и в источнике эталонногодавления. В случае отклонения измеренного значения от заданного оноткрывает или закрывает выпускной клапан D2.
С помощью рч-резонатораизмеряется уровень жидкого гелия в туннеле и в зависимости от показанияприбора производится регулировка уровня посредством изменения давлениягазообразного гелия в главном дьюаре.Стабилизация уровня жидкого гелия в туннеле достигается посредством егоизмерения с помощью последовательного резонансного контура. В зависимостиот полученного значения производится регулировка уровня путём изменениядавления газообразного гелия в главном дьюаре. Повышение давления гелия вдьюаре приводит к понижению уровня жидкого гелия в нём за счет перетеканиягелия по капилляру в центральный туннель. Резонатор представляет собоймедный соленоид длиной 100 мм и диаметром 10 мм, помещённый на половинув жидкий гелий. Ёмкостью резонансного контура является собственная ёмкость178резонатора.
При изменении уровня жидкого гелия изменяется собственнаяёмкость резонатора и, следовательно, его резонансная частота (примерно 6МГц). Таким образом, стабилизация уровня жидкого гелия происходит путёмсравнения резонансной частоты контура с заданным реперным значением.Данная система позволяет стабилизировать уровень гелия в туннеле сточностью ±40 µм.Ионы в ловушках необходимо экранировать от внешних нестабильныхэлектромагнитныхполей.Электрическиеполялюбойчастотыивысокочастотные магнитные поля экранируются посредством окружениямагнита со всех сторон алюминиевыми панелями. Флуктуации низкочастотногомагнитного поля, вызванные, например, движением тяжелых ферромагнитныхобъектов в относительной близости к магниту, можно скомпенсировать спомощью созданияв областиловушекпротивоположно-направленногомагнитного поля.
Это достигается с помощью двух катушек Гельмгольца,установленных вокруг магнита соосно с осью симметрии его магнитного поля.Спомощьюизмерителяпотокамагнитногополя(flux-gatedetector)производится измерение магнитного поля в углу лаборатории и в зависимостиот его знечения на катушки Гельмгольца подаётся ток определённой силы иполярности, создающий компенсирующее магнитное поле. Суммарный факторэкранирования, складывающийся из собственного фактора экранированиямагнита и дополнительного экранирования с помощью катушек Гельмгольца,превышает значение 1000.Магнит покоится на трёх пневматических антивибрационных ножках. Ониподавляют механические вибрации, вызванные колебаниями фундамента, накотором установлен магнит. Коэффициент подавления вибраций зависит от ихчастоты. Хуже всех подавляются вибрации с частотой, равной 5 Герц,соответствующей резонансной частотепневматических антивибрационныхножек.
В данном случае коэффициент подавления равен 10. Амплидуда179колебания фундамента не превышает 1 µм. Таким образом, амплитудамеханических колебаний магнита не превышает 100 нм.Также следует упомянуть, что температура воздуха в лабораториистабилизирована в пределах 0.1 градуса цельсия на временном отрезке порядкаодного дня. Данные меры должны позволить достичь относительнойстабильности магнитного поля порядка 10-11/час.7.5 Криогенная сборкаТа часть установки PENTATRAP, которая располагается в центральномтуннеле магнита и следовательно охлаждена до температуры жидкого гелия,именуется криогенной сборкой (рисунок 7.9). Она состоит из двухсообщающихся цилиндрических медных камер, которые соединены с помощьюнержавеющей тонкой трубки длиной примерно 1 м и диаметром 16 мм(криоионопровод) с ионооптическим трактом, ведущим к ионным источникам.Оси симметрии камер и криоионопровода направлены вдоль оси симметриимагнитного поля.
Обе камеры и часть криоионопровода находятся в жидкомгелии и следовательно имеют температуру, равную примерно 4.2 К. В камерахи криоионопроводе создаётся высокий вакуум за счёт криооткачки внутреннегообъёма камер их холодными внутренними поверхностями. В одной камеренаходятсяпятьизмерительнуюловушекПеннинга,электроннику.Камерадругаяссодержитловушкамикриогеннуюсоединенаскриоионопроводом с одной стороны и с камерой с электроникой с другойстороны посредством титановых вакуумных мембранных сильфонов, чтопозволяет юстировать линейное и угловое положения камеры с ловушкамиотносительно оси симметрии магнитного поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
