Диссертация (1145374), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Исследуемые ионы подаются вловушки через криоионопровод.180Рис. 7.9: Криогенная сборка установки PENTATRAP, содержащая около 1200отдельных деталей. Основными компонентами сборки являются две медныевакуумные камеры, содержащие соответственно пять ловушек Пеннинга икриогенную измерительную электронику.
Криоионопровод соединяет камеры сионооптическим трактом, ведущим к ионным источникам. Вся сборка крепится(висит) на крепёжном фланце. Механизм юстировки позволяет изменятьположение камеры с ловушками относительно оси симметрии магнитного поля.Радиационные экраны защищают холодную область от теплового излучения,испускаемого тёплым крепёжным фланцем.Важной задачей является правильный подбор материалов, из которыхизготовлены отдельные компоненты криогенной сборки.
Критериями отбораявляются, например, их низкая магнитная проницаемость, определённая теплоиэлектропроводность,соотношениетемпературныхкоэффициентоврасширения и их взаимная совместимость при сварке, пайке или склейке. В181таблице 7.1 перечислены основные компоненты криогенной сборки иматериалы, из которых они изготовлены.Таблица 7.1: Основные компоненты криогенной сборки и материалы, изкоторых они изготовлены.компонентматериалэлектроды ловушекбезкислородная медь с чистотой 99.999%камерыбезкислородная медь с чистотой 99.99%вакуумные сильфонысплав титана 90%Ti-6%Al-4%Vмеханизм юстировкифосфорная бронза 94.8%Cu-5%Snß0.2%Pкриоионопроводнержавеющая сталь марки 316LNстержни механизма юстировкикомпозит G10радиационные экраныалюминийкрепёжный фланецнержавеющая сталь марки 316LNкабели и проводамедь, манганин7.6 Ловушки ПеннингаСердцем установки PENTATRAP являются пять цилиндрических ловушекПеннинга.
Такая конфигурация, являющаяся уникальной чертой проектаPENTATRAP, приводит к возможности измерять отношения масс тяжёлыхнуклидов с безпрецедентно малой неопределённостью, не превышающейзначения 10-11. Все современные установки на базе ловушек Пеннинга имеютодну измерительную ловушку, что приводит к небходимости чередоватьизмерения масс двух исследуемых нуклидов. Из-за нестабильности магнитногополя и потенциала ловушки во времени такие неодновременные измерениядвух масс приводят к существенной систематической ошибке в определенииотношения масс нуклидов.
При достижимой на данный момент стабильностимагнитного поля и потенциала ловушки чередующиеся измерения масстяжёлых нуклидов не позволяют достичь точности, равной 10-11. Единственнымвыходом является одновременное измерение масс двух нуклидов. В принципесуществует методика измерения с большой точностью масс двух однозарядныхионов в одной ловушке [211], но она не применима для высокозарядных ионов.182Таким образом, остаётся единственная возможность – одновременноеизмерение масс нуклидов в двух ловушках. Схема измерения в данном случаевыглядит следующим образом.
В момент времени 1 свободная циклотроннаячастота с1 иона с массой 1 и зарядом 1 измеряется в первой ловушке смагнитным полем 1 (1 ), а свободная циклотронная частота с2 иона с массой2 и зарядом 2 измеряется во второй ловушке с магнитным полем 2 (1 ).Отношение (1 ) их свободных циклотронных частот, измеренное в моментвремени 1 , равно:(1 ) =1(1)2 (1=)12·21·1 (1 ).(7.1)2 (1 )Далее ионы обмениваются ловушками и отношение (2 ) их свободныхциклотронных частот измеряется ещё раз в момент времени 2 :(2 ) =1 (2 )2 (2 )=12·21·2 (2 ).1 (2 )(7.2)Полагая, что отношение значений магнитных полей в соседних ловушкахявляется конструктивным параметром магнита и, следовательно, не зависит отвремени, приходим к следующему выражению:�(1 ) ∙ (2 ) = 1 · 2.21(7.3)Таким образом, данная схема исключает влияние нестабильности магнитногополя на измерение отношения масс нуклидов.
На практике отношение значениймагнитных полей в соседних ловушках также меняется во времени. Но этоизменение гораздо слабее, чем изменение самого абсолютного значениямагнитного поля. Для реализации данной схемы измерения необходимо183осуществить процедуру обмена ионов в ловушках. Это наиболее простодостигается добавлением ещё двух ловушек, как показано на рисуноке 7.10.Рис.
7.10: Схема одновременного измерения отношения масс ионов двухнуклидов. Для реализации данной схемы требуются четыре ловушки Пеннинга.Две центральные ловушки являются измерительными ловушками, тогда каккрайние ловушки представляют собой просто контейнеры для хранения ионов.В момент времени 1 в первую и третью ловушки помещаются ионы одногонуклида, а во вторую другого. В момент времени 2 измерительные ловушки“обмениваются“ ионами посредством сдвига ионов на одну ловушку вниз.Добавленные крайние ловушки представляют собой просто контейнеры дляхранения ионов. В момент времени 1 в первую и третью ловушки помещаютсяионы одного нуклида, а во вторую-другого. В момент времени 2 измерительныеловушки “обмениваются“ ионами посредством сдвига ионов на одну ловушкувниз.
Пятая ловушка добавлена в качестве резервной. Фотографии ловушекПеннинга установки PENTATRAP приведены на рисунке 7.11.184Рис. 7.11: Фотографии отдельных электродов (а), внутренней части собраннойловушки (б) и сборки из пяти ловушек. Ловушки сделаны из меди и покрытыслоем золота толщиной 20 µм. (д) 3D-модель ловушек с названиямиэлектродов: EC – оконечные электроды, CE – корректирующие электроды, RE –кольцевой электрод.Несмотря на то, что в теории для создания гармонического потенциалалучше всего подходят гиперболические ловушки, на практике использованиецилиндрических ловушек предпочтительней.
Во-первых, цилиндрическаяловушка с пятью электродами создаёт в области удержания ионов достаточнохороший гармонический потенциал. Во-вторых, цилиндрические электродыгораздо проще изготовить. В-третьих, цилиндрическая ловушка обладаетоткрытой геометрией, т.е. значительно упрощается транспортировка ионов изловушки в ловушку и улучшается откачка объёма ловушки. Ловушки сделаныиз безкислородной меди с коэффициентом чистоты 99.999%. Точностьизготовления электродов ловушек равна примерно 5 µм.
Электроды покрытыслоем золота толщиной 20 µм, которое предохраняет электроды от окисления.185Кольца, которые электрически изолируют электроды друг от друга, сделаны изискусственного сапфира. Геометрические параметры ловушек, рассчитанныенами [50], приведены в таблице 7.2.Таблица 7.2: Основные геометрические параметры отдельной ловушки,состоящей из пяти электродов: один центральный кольцевой электрод RE, паракорректирующих электродов CE и пара оконечных электродов EC.Расположение электродов в ловушке приведено на рисунке 7.11(д).параметрзначениеполная длина ловушки24 ммдлина кольцевого электрода RE1.457 ммдлина корректирующего электрода CE3.932 ммдлина оконечного электрода EC7.040 ммвнутренний радиус5 ммрасстояние между электродами0.15 ммГеометрические размеры ловушки определяют для заданной аксиальнойчастоты иона глубину потенциальной ямы ловушки. Оптимальной аксиальнойчастотой иона с точки зрения измерительной электроники является значение,лежащее в диапазоне 400 – 600 кГц.
Для данного диапазона частот взависимости от массы иона и его зарядового состояния глубина потенциальнойямы варьируется от нескольких до ста вольт. Обычно оконечные электродызаземляются, а на кольцевой электрод прилагается отрицательное напряжение.7.7 Методики измерения ловушечных частотДля измерения свободной циклотронной частоты иона с относительнойточностью 10-11 необходимо в области удержания ионов создать достаточнооднородное магнитное поле и гармоничный электростатический потенциал. Этодостигается посредством уменьшения амплитуд ловушечных движений иона дозначений, равных нескольким микронам. Данная процедура, именуемая“охлаждением иона“, требует достаточно продолжительного времени – вплодь186до нескольких часов.
Поэтому необходимым условием достижения оченьвысоких точностей измерения ловушечных частот является возможностьпроведения измерений с одним единственным ионом. Вследствие этогоприменение методик ToF-ICR и PI-ICR в данном случае исключено. Методика,применяемаянаPENTATRAP,базируетсянаопределениичастотыловушечного движения иона посредством измерения частоты колебания заряда,наведённого в электродах ловушки движением иона (image-charge technique)(рисунок 7.12).Рис. 7.12: Принцип измерения частоты движения иона посредством измерениячастоты заряда, наведённого в электродах ловушки движением иона.Заряженный объект,осциллирующий между двумяпроводящимиповерхностями, наводит на электродах заряд, который осцилирует с частотойколебания иона. Если электроды включить в замкнутую электрическую сеть, тов ней возникнет переменный ток с частотой колебания иона.Ион,помещённыйприложенымеждуопределённыепроводящимипотенциалы,поверностями,приводиткккоторымперераспределениюэлектронов на данных поверхностях таким образом, чтобы потенциалы на нихоставались постоянными.
Если ион привести в колебательное движение сопределённойчастотой,топроцессперераспределенияэлектронов наповерхностях будет также протекать периодично с частотой колебания иона.Для наиболее простого случая плоского бесконечного конденсатора с187расстоянием между заземлёнными пластинами (рисунок 7.12) наведённыетоки 1,2 находятся по теореме Шокли-Рамо (Shockley-Ramo) [212, 213]следующим образом:1,2 () = ±�⃗()⃗=± (),(7.4)где ⃗() и () – скорость иона и её проекция на ось, перпендикулярнуюповерхностям конденсатора, в момент времени . Если ион выполняетгармонические колебания с частотой 0 и амплитудой 0 , то выражение (7.4)переписывается следующим образом:1,2 () = ±0 0sin(0 ).(7.5)Замена бесконечного плоского конденсатора на электроды ловушки приводитвсего лишь к замене в выражении (7.5) на эффективное расстояние [214].Значение тока, наведённого одним высокозарядным ионом с амплитудойколебания порядка нескольких микрон, не превышает 10 фемтоампер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
