Диссертация (1145374), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В контексте данной диссертации методикаToF-ICR использовалась на установке SHIPTRAP для определения масстрансурановых нуклидов (см. главу 3), а также для поиска резонансноусиленных 0ν2EC-переходов (см. главу 4). Принцип работы данной методикиприводится вместе с описанием установки SHIPTRAP в главе 2.Методика PI-ICR была предложена и разработана автором даннойдиссертации, поэтому описанию данной методики посвящена отдельная глава(глава5).альтернативаДаннаяметодикаметодикерассматриваетсяToF-ICR,позволяющаякакболееизмерятьпродвинутаямассыоченькороткоживущих нуклидов со временем жизни порядка нескольких десятковмиллисекунд.
С развитием методики PI-ICR стало возможным проводитьизмерения масс однозарядных долгоживущих ионов на установках типаSHIPTRAP с относительной точностью, значительно превышающей 10-9.34Методика FT-ICR основывается на измерении заряда, наведённого вэлектродах ловушки движущимся ионом. Преимуществом данной методикиявляется тот факт, что достаточно иметь только один ион для проведенияультра-прецизионных измерений масс.
Методика FT-ICR может применятьсядля измерения масс долгоживущих ионов с относительными точностями,превышающими 10-10. Её недостатком является необходимость охлаждать какэлектроды ловушки, так и детектирующую электронику до температурыжидкого гелия. Более того, ионы должны быть высокозарядные. Принципработы данной методики даётся в главе 7 в контексте описания установкиPENTATRAP.35Глава 2 Установка SHIPTRAPУстановка SHIPTRAP [66] представляет собой высоко-прецизионный массспектрометр на базе ловушек Пеннинга, предназначенный для измеренийкоротко-живущих нуклидов, образованных в реакциях слияния-испарения.
Наданной установке были проведены измерения масс протоноизбыточныхнуклидов для исследования астрофизического процесса быстрого протонногозахвата [67, 68], а также проведены измерения в области нуклидов среднихмасс, расположенных вдоль линии протонной устойчивости [69]. Основной жеэкспериментальной программой для установки SHIPTRAP является измерениемасс трансурановых нуклидов, включая сверхтяжёлые. В рамках даннойпрограммы были проведены измерения масс изотопов нобелия и лоуренсия [70,71] (см. главу 3). На установке SHIPTRAP также были успешно реализованытри программы измерений масс долгоживущих и стабильных нуклидов,соответственно, в рамках поиска резонансно-усиленных 0ν2EC-переходов [72](см. главу 4), для определения массы нейтрино [73, 74] и для проверкиквантовой электродинамики в сильных электромагнитных полях [75] (см.
главу6).Установка SHIPTRAP расположена в Германии, в Центре Гельмгольца поисследованиютяжёлыхнуклидов(GSIHelmholtzzentrumfürSchwerionenforschung GmbH). Блок-схема и фотография установки приведены,соответственно, на рисунках 2.1 и 2.2. Процесс измерения коротко-живущихнуклидов на установке SHIPTRAP разбит на несколько стадий. Сначалануклиды, образованные в реакции слияния-испарения, отделяются с помощьюсепаратора по скоростям SHIP [76] от интенсивного первичного пучка.
Далеевысокоэнергетичные продукты реакции поступают в газонаполненную камерудля их остановки [77, 78]. Из газонаполненной камеры продукты реакции ввиде непрерывного пучка низкоэнергетичных однозарядных или двухзарядных36ионов поступают в газонаполненный радиочастотный квадруполь (рчквадруполь)длятрансформациинепрерывногопучкаионоввпоследовательность коротких ионных пакетов, которые затем периодическидоставляются в ловушку очистки. Данная ловушка Пеннинга выполняетдвойную роль. Во-первых, в ней происходит удаление из ионного пакета всехтех нуклидов, которые не представляют интерес, но наличие которых можетпривести к ухудшению точности определения массы исследуемых нуклидов.Во-вторых,нуклиды,оставшиесяпослетакойпроцедуры“очистки“,фокусируются на ось ловушки с последующей их транспортировкой визмерительную ловушку для определения их массы.Рис. 2.1: Функциональные компоненты установки SHIPTRAP.
Продуктыреакции из сепаратора по скоростям SHIP останавливаются в газонаполненнойкамере. В газонаполненном рч-квадруполе происходит трансформациянепрерывного пучка низкоэнергетичных ионов в последовательность ионныхпакетов. После выделения в ловушке очистки из ионного пакета исследуемыхнуклидов происходит определение их массы в измерительной ловушке.Рис. 2.2: Фотография установки SHIPTRAP.372.1 Сепаратор по скоростям SHIPСепаратор по скоростям SHIP [76] широко известен в мире благодаряэкспериментам по получению и исследованию сверхтяжёлых элементов [79].На этой установке были открыты трансурановые элементы с протоннымичислами Z = 107 – 111. На рисунке (2.3) показана схема сепаратора.Рис. 2.3: Схема сепаратора по скоростям SHIP. Первичный пучок подаётся намишень, вызывая реакцию слияния-испарения. Сепаратор, являясь по сутифильтром Вина (Wien filter), производит отделение первичного пучка отпродуктов реакции.
Первичный пучок поглощается заглушкой, тогда какпродукты реакции транспортируются к детекторам.Тяжёлые и сверхтяжёлые нуклиды образуются в реакции слиянияиспарения, вызванной взаимодействием интенсивного (µΑ) первичного пучка стонкой металлической мишенной фольгой. Энергия первичного пучка равнапримерно 5 МэВ/А, тогда как энергия продуктов реакции не превышаетнескольких сотен кэВ/А. Продукты реакции эффективно отделяются отпервичного пучка с помощью комбинации электростатических и магнитных38дефлекторов, образующих фильтр Вина (Wien filter).
Первичный пучокотклоняется от главной ионооптической оси и поглощается заглушкой.Продукты реакции транспортируются в экспериментальную зону, в которой вчастности расположена установка SHIPTRAP.Так как сепаратор SHIP производит разделение по скоростям, то факторподавления первичного пучка зависит от отношения скоростей первичногопучка и продуктов реакции, а значит от отношения их масс. Из этого следует,что ассиметричные реакции (лёгкий первичный пучок – тяжёлая мишень)обладают более высоким фактором подавления, чем симметричные реакции.Фактор подавления на сепараторе SHIP достигает значений 107-1011 [76, 80].Эффективность трансмиссии сепаратора равна примерно 10% [76, 80].2.2 Газонаполненная камера для остановки продуктов реакцииПродукты реакции на выходе сепаратора SHIP обладают большойкинетической энергией, равной нескольким сотням кэВ/а.е.м., а такжедостаточно существенной шириной энергетического распределения порядканескольких десятков кэВ/а.е.м.
Более того, пучок ионов на выходе сепаратораобладает довольно большим размером, равным 50×30 мм2. Для измерения масснуклидов с помощью масс-спектрометра SHIPTRAP необходимо затормозитьпродукты реакции до энергии порядка нескольких десятков эВ, а такжезначительно уменьшить эммитанс пучка.
Это достигается с помощьюгазонаполненной камеры [77, 78].Схематичное изображение газонаполненной камеры приведено на рисунке2.4. Продукты реакции попадают в камеру через входное окно, представляющеесобой титановую фольгу толщиной порядка 3 µм. Основные потери энергиипродуктов реакции (~90%) происходят в данном окне.
Их окончательноеторможение происходит в объёме порядка 0.05 м3, наполненном гелием39комнатной температуры. Давление гелия обычно выбирается в интервале от 50до 100 мбар в зависимости от входной энергии продуктов реакции.Рис. 2.4: Схема газонаполненной камеры для остановки высокоэнергетичныхпродуктов реакции, поступающих на установку SHIPTRAP из сепаратора SHIP.Продукты реакции через тонкое титановое входное окно поступают втормозной объём, наполненный гелием комнатной температуры, где ониостанавливаются посредством их соударения с атомами гелия. После остановкипродукты в виде одно- и двухзарядных ионов направляются с помощьюкомбинации градиента постоянного электрического поля (электродытормозного объёма) и радиочастотного электрического поля (рч-воронка [81]) квыходному соплу камеры.
Извлечение ионов из камеры происходитпосредством сверхзвуковой струи и извлекающего рч-квадруполя.После остановки продукты реакции находятся в состоянии одно- илидвухзарядных ионов в термодинамическом равновесии с атомами гелия. Частьнуклидов нейтрализуется. Градиент электростатического поля (5-10 В/см),созданный вдоль оси камеры электродами тормозного объёма, направляет ионыв область радиочастотной воронки (рч-воронки) [81], которая, в свою очередь,фокусирует ионы на выходное сопло диаметром 0.3 мм. Извлечение ионов изкамерыпроисходитпосредствомсверхзвуковойизвлекающего радиочастотного квадруполя.гелиевойструии40Полная эффективность извлечения ионов из газонаполненной камеры равнапримерно 10%.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
