Диссертация (1145374), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Время извлечения ионов из камеры не превышает несколькихдесятков миллисекунд [78].2.3 Газонаполненный радиочастотный квадрупольПродукты реакции извлекаются из газонаполненной камеры в виденепрерывного пучка низкозарядных ионов. Для измерения масс данныхнуклидов с помощью ловушки Пеннинга необходимо трансформироватьнепрерывный ионный пучок в последовательность ионных пакетов.
Этодостигается с помощью газонаполненного радиочастотного квадруполя(рисунок 2.5) [82].Рис. 2.5: Схема газонаполненного радиочастотного квадруполя. (Вверху): видвдоль ионооптической оси и с боку. (Внизу): электростатический градиент,созданный вдоль ионооптической оси рч-квадруполя. Благодаря столкновениямс атомами гелия ионы теряют энергию и, таким образом, термализуются.Электростатический градиент вынуждает ионы накапливаться в потенциальнойяме, созданной на выходе рч-квадруполя.Радиочастотный квадруполь состоит из четырёх параллельных, обычнокруглых, сегментированных стержней-электродов.
Сегментация позволяетсоздавать вдоль электродов электростатический градиент произвольной формы.В случае рч-квадруполя установки SHIPTRAP градиент представляет собойлинейноспадающийэлектрическийпотенциал,оканчивающийся41потенциальной ямой. В плоскости, перпендикулярной оси квадруполя, ионыудерживаются радиочастотным полем, приложенным к стержням.Непрерывный пучок ионов, извлекаемый из газонаполненной камеры,подаётсявдольосиврч-квадруполь.Квадрупольнаполненгелием,находящимся под давлением примерно 5·10-3 мбар.
Столкновения ионов сатомами гелия приводят к термализации ионов. Благодаря электростатическомуградиенту ионы направляются в потенциальную яму для накопления. Принеобходимости потенциал последнего электрода квадруполя понижается, чтоприводит к извлечению ионов из квадруполя в виде короткого по времени (~2µс) пакета. Данный ионный пакет направляется в ловушки Пеннинга.Важно отметить, что газонаполненный рч-квадруполь обладает почти 100%-ой трансмиссией ионов.2.4 Ловушки Пеннинга на установке SHIPTRAPМасс-спектрометр SHIPTRAP обладает двумя цилиндрическими ловушками,помещёнными в области однородного магнитного поля сверхпроводящегомагнита (рисунок 2.6) [83, 84].
Магнитное поле силой 7 тесла создаётсясверхпроводящим соленоидом. Высокая однородность магнитного поля вобластяхразмещенияловушексоздаётсянаборомкорректирующихсверхпроводящих катушек. Ловушки имеют внутренний диаметр, равный 32мм. Расстояние между ловушками составляет 200 мм. Ловушки разделенымежду собой длинной (50 мм) диафрагмой диаметром 1.5 мм. Диафрагмавыполняет двойную функцию: (1) она является барьером, необходимым дляобеспечения в ловушках разных вакуумных условий, и (2) она ограничиваетразмер радиального распределения ионов, поступающих из первой ловушки вовторую.Перваяловушканазываетсяловушкойочистки,вторая–измерительной ловушкой. Геометрия ловушек практически одинаковая.Ловушка очистки находится в области магнитного поля с относительной42однородностью ∆B/B в кубическом сантиметре, равной 10-6.
Однородностьмагнитного поля в измерительной ловушке на один порядок выше. Глубинадвух потенциальных ям ловушек равна примерно 40 вольтам. Ионы продуктовреакции транспортируются из газонаполненного рч-квадруполя сначала вловушку очистки для выполнения над ионами определённых подготовительныхманипуляций, необходимых для проведения высоко-прецизионного измерениямассы данных ионов в измерительной ловушке.Рис. 2.6: Схема цилиндрических ловушек Пеннинга установки SHIPTRAP.Ионы из газонаполненного рч-квадруполя подаются сначала в ловушку очисткидля удаления из ионного пакета нуклидов, не представляющих интерес. Послеэтого исследуемые ионы транспортируются в измерительную ловушку дляопределения их массы. Ловушки располагаются в высокооднородных областяхмагнитного поля силой 7 тесла, создаваемого сверхпроводящим соленоидом.Диафрагма обеспечивает разные вакуумные условия в ловушках, а такжеограничивает радиальное распределение ионов, транспортируемых из ловушкиочистки в измерительную ловушку.43Ловушка очистки и масс-селективное подавление ловушечных движений в газеВ ядерных реакциях слияния-испарения образуется большое количестворазличных нуклидов, не представляющих интерес.
Таким образом, дляпроведения высоко-прецизионных измерений масс короткоживущих нуклидоввозникает необходимость освободить ловушку от данных нуклидов, оставив вловушке только нужные ионы. Также необходимо уменьшить амплитудыловушечных движений нужных ионов до как можно меньших значений.Данный шаг позволяет локализовать ионы в области достаточно однородногомагнитного поля и квадратичного электрического потенциала.Для достижения этих целей используются ловушка очистки и методикамасс-селективного подавления ловушечных движений в газе [85]. В даннойметодике ловушка очистки наполняется гелием при давлении примерно 5·10-5мбар.Циклотронноеиаксиальноедвиженияявляютсястабильнымигармоническими осциляторами, а магнетронное движение представляет собойметастабильный гармонический осцилятор.
Это значит, что при столкновениииона с атомами гелия амплитуды циклотронного и аксиального движенийуменьшаются, тогда как амплитуда магнетронного движения увеличивается.Чтобы уменьшить амплитуду магнетронного движения, с помощью -импульсапроизводится конверсия магнетронного движения в циклотронное. Данныйпроцесс происходит до тех пор, пока ионы не достигнут термодинамическогоравновесия с атомами гелия.В квадратичном потенциале распределение плотности вероятности энергии ионов, находящихся в термодинамическом равновесии с атомами гелия(термализованых ионов), подчиняется распределению Больцмана() =1 �−� ,(2.1)44где k и T – соответственно постоянная Больцмана и температура гелия.
Такимобразом, распределение плотности вероятности для амплитуды циклотронногодвижения + термализованых ионов выражается следующим образом:+ (+ )+ ≈2+2 2++ �−2� + + .(2.2)Или в декартовых координатах+ (+ , + )+ + ≈2+2 �−2 � 2 + 2 �+++2� + + .(2.3)Так как магнетронное движение термолизуется не через прямые столкновения сатомами гелия, а посредством его конверсии в циклотронное движение, тоэнергия − = − ⁄2 термализованного магнетронного движения равна − =(− /+ )+ , где + = + ⁄2движения.Такимобразом,- энергия термализованного циклотронногораспределениеплотностивероятностидляамплитуды магнетронного движения − термализованых ионов выражаетсяследующим образом:− (− )− ≈2+ �−2 2+−2� − − .(2.4)Или в декартовых координатах− (− , − )− − ≈2+2 �−2 ( 2 + 2 )+−−2� − − .(2.5)Вероятность (, ) обнаружить ион в определённом месте с координатами(, ) выражается следующим образом:+∞(, ) = ∬−∞ + (+ , + )− ( − + , − + ) + + =45=где = �Таким=1√222+2 +2 +(−+)2 +(−− )2�+∞ �− + −2+ +∬22−∞( )1 �− 22�∙21 �−√2 221�=22= �−2 22 2�,(2.6).образом,радиальное(вxy-плоскости)распределениетермализированных ионов подчиняется распределению Гаусса с полнойшириной на полувысоте 2∆, равной2.352∆ ≈В случае однозарядных ионов+�2.(2.7)Ho, термализированных в гелии при163комнатной температуре в магнитном поле силой 7 Тл, 2∆ ≈ 0.1 мм.
Даннаяпроцедура называется “центрированием“.Конверсиямагнетронногодвижениявциклотронноепосредствомπ−импульса происходит только для тех ионов, чья свободная циклотроннаячастота совпадает с частотой конверсии. Это означает, что все ионы с отличнойот частоты конверсии свободной циклотронной частотой не центрируются, т.е.радиус их магнетронного движения не уменьшается. Если перед конверсиейувеличить радиусмагнетронного движениявсехионов дозначения,превышающего радиус диафрагмы (0.75 мм), то в измерительную ловушкубудут транспортироваться только ионы, прошедшие процедуру центрирования.Таким образом, происходит процесс отделения исследуемых нуклидов отнуклидов, не представляющих интерес.
Разрешающая способность даннойметодики m/∆m достигает значения 105, что позволяет разделять изобары (см.рисунок 2.7)46Рис. 2.7: Число ионов с массовым числом A=147, прошедших через диафрагму,в зависимости от частоты конверсии. В зависимости от выбора частотыконверсии можно добиться пропускания через диафрагму в измерительнуюловушку ионов, принадлежащих только определённой изобаре.Измерительная ловушка и методика время-пролётного циклотронногорезонанса по определению свободной циклотронной частотыИсследуемые ионы транспортируются через диафрагму в измерительнуюловушку, где происходит определение их свободной циклотронной частоты. Наустановке SHIPTRAP применяются две методики определения свободнойциклотронной частоты: (1) время-пролётный циклотронный резонанс (методикаToF-ICR) [63] и (2) фазовый метод определения свободной циклотроннойчастоты (методика PI-ICR).Методика PI-ICR была предложена и разработана автором даннойдиссертации, поэтому описанию данной методики посвящена отдельная глава(глава 5).
В данном разделе даются основы методики ToF-ICR, с помощьюкоторойнаустановкеSHIPTRAPпроизводилисьизмерениямасстрансурановых нуклидов (см. главу 3), а также поиск резонансно-усиленных0ν2EC-переходов (см. главу 4).47Методика ToF-ICR базируется на измерении времени пролёта иона междуловушкой и детектором, расположенным на оси симметрии электродовловушки в области слабого магнитного поля, равного примерно 10 мТл(рисунок 2.8). В качестве детектора обычно применяются микроканальныепластинки (МКП).Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
