Диссертация (1145374), страница 4
Текст из файла (страница 4)
МеждународнаянаучнаяконференцияDPG2015(Гейдельберг,Германия, 2015),33. Международная научная конференция по свойствам ядер и ядерныхвозбуждений (Хиршегг, Австрия, 2015),34. Международная научная конференция EURORIB 2015 (Хоенрода,Германия, 2015).По теме диссертации опубликовано 29 работ в ведущих рецензируемыхнаучных журналах.Структура диссертации.Первая глава посвящена описанию базовых принципов высокопрецизионноймасс-спектрометрии на базе ловушек Пеннинга.
Основной целью данной главыявляется сжатое изложение тех разделов теории ловушек Пеннинга, которыенеобходимы для понимания материала, изложенного в последующих главах.Во второй главе рассматривается установка SHIPTRAP, расположенная внаучном центре ГСИ (GSI, Германия). Подробно описываются назначение ипринцип работы каждого ключевого узла установки.Третья глава посвящена on-line измерениям на установке SHIPTRAP масскороткоживущихлоуренсиятрансурановыхизотоповнобелия252-255NoиLr. Данные измерения являются первыми в мире измерениями255,256масс трансурановых нуклидов, проведёнными с помощью ловушек Пеннинга.Более того, данные изотопы нобелия и лоуренсия являются нуклидами снаименьшими сечениями образования, когда-либо исследованными с помощьюловушек Пеннинга.Четвёртая глава посвящена обзору результатов поиска резонансноусиленных 0ν2EC-переходов с помощью прямых измерений на установке18SHIPTRAPатомныхмассматеринскихидочернихнуклидоввсехпредставляющих интерес 0ν2EC-переходов.В пятой главе излагаются основные принципы фазовой методикиопределения свободной циклотронной частоты ν c иона в ловушке Пеннинга(методика PI-ICR).Шестая глава посвящена успешному применению методики PI-ICR наустановке SHIPTRAP для измерения атомной массыопределения Q-значений β - -распадаТочное знание массыСа, а также для48Re и электронного захвата в187163Ho.Са было необходимо для проверки квантовой48электродинамики в сильных электромагнитных полях посредством измерениягиромагнитных отношений атомных электронов в ионахСа17+ и40Са17+.
Q-48значения β - -распада 187Re и электронного захвата в 163Ho представляют интересдля экспериментов по определению массы нейтрино.В седьмой главе рассматривается установка PENTATRAP, расположенная винституте ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге (Германия).Она представляет собой уникальный масс-спектрометр на основе пяти ловушекПеннинга. Уникальность данной установки заключается в том, что она являетсяпервым и на данный момент единственным в мире масс-спектрометром,который позволит определять отношения масс стабильных и долгоживущихнуклидов с относительной неопределённостью меньше, чем 10-11.В заключении кратко суммируются основные результаты выполненнойработы.На защиту выносятся следующие результаты:1.
Подготовка и проведение серии on-line экспериментов на установкеSHIPTRAPпоизмерениюнуклидов 252-255No и 255,256Lr.масссверхтяжёлыхкороткоживущих192. Подготовка и проведение программы поиска резонансного усилениябезнейтринного ядерного двойного электронного захвата посредствомoff-line измерений на установке SHIPTRAP атомных масс материнских идочерних нуклидов всех представляющих интерес 0ν2EC-переходов.3. Предложение, разработка и внедрение на установке SHIPTRAP новойметодики PI-ICR по определению массы нуклидов и проведение спомощью данной методики измерений отношения масс долгоживущихпарнуклидовСа/12С 4 ,48132Xe/131Xe,163Ho/163Dyи187Re/187Osсотносительной точностью, близкой к 10-10.4.
Создание установки PENTATRAP для измерения масс долгоживущихнуклидов с относительной точностью, превышающей 10-11.20Глава 1 Основы высокопрецизионной масс-спектрометрии наоснове ловушки ПеннингаОсновной целью данной главы является сжатое изложение тех разделовтеории высокопрецизионной масс-спектрометрии на основе ловушки Пеннинга,которые необходимы для понимания материала, изложенного в последующихглавах.
Подробное описание теории высокопрецизионной масс-спектрометриина основе ловушки Пеннинга можно найти в [54]. Численные примерыприводятся для установок SHIPTRAP и PENTATRAP.1.1 Идеальная ловушка ПеннингаОпределение массы нуклида m с помощью ловушки Пеннинга происходитпосредством измерения свободной циклотронной частоты с = /2 нуклидав зарядовом состоянии q в сильном однородном статическом магнитном поле�⃗ = ⃗ . В данном поле на ион действует сила Лоренца�⃗ ,⃗ = ⃗ × (1.1)где ⃗ - скорость иона.
Данная сила вынуждает ион совершать круговоедвижение вокруг линий магнитного поля в xy-плоскости со свободнойциклотронной частотойс =2=1 2 .(1.2)Для создания магнитного поля обычно используются сверхпроводящиесоленоиды,которыепозволяютдостигатьмагнитныхполейпорядканескольких тесла. Например, магнитное поле ловушек Пеннинга на установках21SHIPTRAP и PENTATRAP равно 7 тесла. В таком магнитном поле свободныециклотронные частоты однозарядных и 20-зарядных ионовHo примерно163равны, соответственно, 600 кГц и 12 МГц. Уникальным свойством такого родасверхпроводящих соленоидов являетсястабильность их магнитного поля.Например, в эксперименте THe-TRAP [55, 56] относительная стабильностьмагнитного поля в течение часа достигает значения 10-11.
Это позволяетпроводить измерение свободной циклотронной частоты и соответственноопределение массы нуклида с относительными точностями, превышающимизначение 10-11.К сожалению, статическое однородное магнитное поле не позволяетудерживать ионы вдоль линий магнитного поля. Эту роль выполняетпотенциальная яма, создаваемая вдоль линий магнитного поля посредствомналожениянамагнитноеполяквадратичного(гармонического)электростатического потенциала (рисунок 1.1а)Φ = 2 0 � 2 − 2 + 22 2� ≡ 2 0 � 2 − 2 �,(1.3)где 2 – коэффициент размерности 1/длина2 и 0 – коэффициент, выраженный ввольтах. Данный потенциал создаётся тремя электродами, представляющимисобой гиперболы вращения (рисунок 1.1б).
0 в данном случае являетсянапряжением, прилагаемым к кольцевому электроду (RE) относительнооконечных электродов (EC) (0 обычно равно нескольким десяткам вольт). Напрактике часто предпочтение отдаётся не гиперболическим электродам, анабору цилиндрических электродов (рисунок 1.1с) благодаря простоте иточности изготовления цилиндрических структур.
Так, набор из пятицилиндрических электродов позволяет создать в области удержания ионовдостаточно гармонический электрический потенциал [54].22Таким образом, ловушка Пеннинга является суперпозицией статическогооднородногомагнитногополяиэлектростатическогогармоническогопотенциала.Рис. 1.1: (а) Квадратичный электростатический потенциал Φ ловушкиПеннинга. (б) Гиперболическая ловушка Пеннинга. Потенциал 0 в данномслучае является напряжением, прилагаемым к кольцевому электроду (RE)относительно оконечных электродов (EC). (с) Цилиндрическая ловушкаПеннинга. Набор из пяти электродов равного диаметра позволяет создатьдостаточно квадратичный электростатический потенциал в области удержанияионов [54].Движение иона в ловушке Пеннинга описывается следующей системойуравнений:̈̇2 0�̈ � = �� + �−̇ �.−20̈(1.4)Решением данной системы уравнений является суперпозиция трёх независимыхгармонических осциляторов (трёх ловушечных движений):()0sin(+ + + )sin(− + − )0�,�()� = + �cos(+ + + )� + − �cos(− + − )� + + �sin( + )()00(1.5)23где a, = 2и – соответственно амплитуда, частота и фазасоответствующего ловушечного движения.
Траектория движения иона вловушке Пеннинга схематично изображена на рисунке 1.2.Рис. 1.2: Иллюстрация движения иона в ловушке Пеннинга. В z – направленииион совершает колебания в электростатическом потенциале с частотой . Врадиальной плоскости (xy - плоскости) ион выполняет два ловушечныхдвижения: быстрое циклотронное с частотой + и медленное магнетронное счастотой − .
Суперпозиция данных движений образует сложную траекториюдвижения иона (чёрная линия).Ловушечные движения обладают следующими свойствами:Аксиальное движение на частотеявляетсягармоническими = �22 0колебаниями(1.6)ионавэлектростатическом потенциале вдоль линий магнитного поля.Циклотронное движение на частотеквадратичном24+ =2+�24−2(1.7)2является аналогом свободного циклотронного движения в присутствии слабогорадиального (в xy-плоскости) электростатического поля.Магнетронное движение на частоте− =2−�24−22≈1 2 02(1.8)является медленной прецессией иона в xy-плоскости вокруг максимумаэлектростатического поля. В первом приближении частота магнетронногодвижения не зависит от массы и заряда иона, т.е.
является параметромловушки.Частоты ловушечных движений подчиняются следующей иерархии:+ ≫ ≫ − .(1.9)Например, циклотронная, аксиальная и магнетронная частоты однозарядныхионов 163Ho на установке SHIPTRAP примерно равны, соответственно, 600 кГц,40 кГц и 1.3 кГц.Ни одна из ловушечных частот не совпадает со свободной циклотроннойчастотой, которую необходимо измерить для определения массы нуклида. Ксчастью, существуют простые соотношения между свободной циклотроннойчастотой и ловушечными частотами:2 = +2 + −2 + 2 , = + + − .(1.10)(1.11)Данные два соотношения являются сердцем масс-спектрометрии на основеловушек Пеннинга. Первое выражение выполняется строго не только видеальной ловушке Пеннинга, но и при наличии таких неидеальностей, как25небольшой угол между осями симметрии магнитного поля и электродовловушки, а также при лёгкой эллиптичности электродов ловушки (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
