Диссертация (1149404)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиФилянин Павел ЕвгеньевичИзмерение малых энергий β-распада нуклидов сиспользованием ионных ловушек ПеннингаСпециальность 01.04.16 —«Физика атомного ядра и элементарных частиц»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор ф.-м. наук, проф.Новиков Ю. Н.Санкт-Петербург — 20182ОглавлениеСтр.Введение . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4Глава 1. Использование малых энергий β-распада нуклидов в некоторыхзадачах фундаментальной физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1 Проблема массы и типа нейтрино . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .1.1.1 3 H, 163 Ho и 187 Re как классические нуклиды для определенияэффективной массы нейтрино . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1.2 Поиск новых кандидатов для определения ν . . . . . . . . . . . . . . .1.1.3 Стерильные нейтрино . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .1.2 Задача по определению путей протекания и свойств процессов нуклеосинтеза1.2.1 s-процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2.2 r -процесс . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111516192224Глава 2. Физические свойства, лежащие в основе работы ловушки2.1 Идеальная ловушка Пеннинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1.1 Траектория и частоты движения частицы . . . . . . . . . . .2.1.2 Энергия заряженной частицы в ловушке Пеннинга . .
. . . .2.1.3 От циклотронной частоты к массе . . . . . . . . . . . . . . . .2.2 Реальная ловушка Пеннинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.1 Флуктуации магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.2 Несоосность электрического и магнитного полей . . . . . . .2.2.3 Негармоничность электростатического потенциала . . . .
. .2.2.4 Неоднородность магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.5 Другие эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3 Методы измерения циклотронной частоты . . . . . . . . . . . . . . .2.3.1 Время-пролетный метод ToF-ICR . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.2 Метод фазового отображения PI-ICR . .
. . . . . . . . . . . .2.3.3 Метод Фурье-преобразования FT-ICR . . . . . . . . . . . . .282828323334353536363738383942Пеннинга. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .910Глава 3. Масс-спектрометры с ловушкой Пеннинга .
. . . . . . . . . . . . . . .3.1 Shiptrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2 Isoltrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .444448Глава 4. Эксперименты по измерению масс нуклидов на ShiptrapIsoltrap . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1 Определение -значений 123 Te, 163 Ho и 187 Re на Shiptrap . . . . . .4.2 Измерение массы 202 Tl на Isoltrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . .535458и. . . . . .. . . . . .. . . . . .3Стр.Глава 5. Результаты и выводы . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.15.25.35.45.55.6Зависимость времен жизни ряда нуклидов от температуры . . . . . . . . . . .Нуклид 123 Te и его электронный захват в звездах . . . . . . . . . . . . . . . . .Нуклид 187 Re для ядерной космохронологии . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .Нуклид 187 Re для определения массы нейтрино . . . . . . . . . . . . . . . . . .Нуклид 202 Pb и другие возможные кандидаты для определения массы нейтриноИдея поиска стерильных нейтрино в ε-захвате . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63636466707273Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .79Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82Приложение А. Схемы распадов некоторых нуклидов, представляющихастрофизический интерес . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .914ВведениеАктуальность темы. На сегодняшний день ионные ловушки играют важную роль вомножестве научных экспериментов, нацеленных на исследование фундаментальных законовприроды. Внедренные в физику еще в конце прошлого столетия и активно развивающиесяв последнее время, ионные ловушки доказали свою состоятельность в определении основополагающих свойств атомных систем и элементарных частиц, а особенно в определениитакого их свойства как масса. Наилучшим показателем по точности измерения масс заряженных частиц обладает такой тип ловушки, в которой частица удерживается в комбинацииквадрупольного электрического и однородного магнитного полей – так называемая ловушкаПеннинга. Именно этот тип ионных ловушек использовался для определения масс нуклидов,рассматриваемых в данной диссертации.Масса, являясь фундаментальным свойством атомов и элементарных частиц, позволяет решить широкий круг физических задач.
Так, важнейшей задачей в области нейтриннойфизики является определение массы нейтрино. Являясь нейтральной частицей, нейтрино неможет быть удержано и напрямую исследовано в ионных ловушках. В то же время, нейтрино может рождаться в процессе слабого взаимодействия – β-распаде, а детальное изучениеспектра β-распада является наименее модельно-зависимым способом определения массы нейтрино. В этом случае наибольший интерес вызван к нуклидам с малой энергией β-распада:до ∼ 100 кэВ. Таким образом, поиск нуклидов с соответствующими критериями для разныхтипов β-превращений является актуальной задачей.
С этой целью нами были выполненыon-line измерения массы 202 Tl, на основании которых были сделаны выводы о том, являетсяли 202 Pb альтернативным кандидатом для изучения спектра его ε-захвата с целью определения массы нейтрино.Нуклидом с наименьшей энергией распада = 2.5 кэВ в секторе β− -распада является187Re . За последние 50 лет было выполнено 7 экспериментов по набору его β− -спектра, вкаждом из которых было получено граничное значение энергии спектра.
Не все полученныерезультаты, однако, согласуются между собой. С целью разрешения данной проблемы намибыли предприняты прямые независимые измерения -значения 187 Re, то есть разницы масс187Re − 187 Os. Полученный нами результат разрешил этот актуальный вопрос и показал перспективность использования криогенных микрокалориметров в дальнейших исследованияхдля определения массы нейтрино.Обозначенные выше проблемы нейтринной физики касаются определения массы активного нейтрино, подчиняющегося слабому взаимодействию, описываемому СтандартнойМоделью элементарных частиц.
Однако в последнее время активно обсуждается возможность существования так называемого стерильного нейтрино с массой в диапазоне от ∼ 1 кэВдо нескольких десятков кэВ [1]. Существование таких частиц могло бы объяснить наличие Темной Материи во Вселенной. Нами был предложен способ обнаружения стерильных5нейтрино в спектре ε-захвата при помощи метода криогенной микрокалориметрии с использованием результатов ионной масс-спектрометрии. Важным критерием к нуклидам дляизучения их спектра ε-захвата является все та же малая (до ∼ 100 кэВ) энергия их распада.Определение путей протекания астрофизических процессов нуклеосинтеза и исследование свойств этих процессов является еще одной актуальной проблемой современной физики.Так, при определении пути протекания -процесса (медленного захвата нейтронов) к нуклидам с малыми энергиями распада уделяется особое внимание. Путь -процесса зависит отбаланса между сечением захвата нейтронов и вероятностью β-распада каждого из рассматриваемых нуклидов.
Проблема заключается в том, что для нуклидов с малыми энергиямираспада вероятность их β-переходов может существенно изменяться при больших температурах, то есть сильно отличаться от той, которая измерена в лабораторных условиях.
Введениесоответствующих поправок на высокотемпературный эффект основывается, в том числе, и наточном и достоверном знании полной энергии распада таких нуклидов, что на сегодняшнийдень могут обеспечить только ионные ловушки Пеннинга.Целью данной работы является высоко прецизионное измерение как абсолютныхзначений масс нуклидов, так и их разностей при помощи ловушек Пеннинга для задач нейтринной физики и ядерной астрофизики.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие техническиеи методические задачи:– переоборудование и настройка масс-спектрометра Shiptrap для работы в off-lineрежиме,– подготовка и настройка масс-спектрометра Isoltrap для измерений в режиме online.Научная новизна: проведение полномасштабного off-line эксперимента по прямому измерению масс нуклидов с использованием фазового метода регистрации PI-ICR на установкeShiptrap, изначально предназначенной для on-line исследований.
Впервые была измеренаразница масс 123 Te − 123 Sb и 187 Re − 187 Os, а также абсолютное значение массы 202 Tl. Напримере нуклида 123 Te показано значительное, на много порядков величины, уменьшениевремени жизни нуклида в высокотемпературных астрофизических условиях по сравнению сземными условиями.
Впервые продемонстрирована возможность метода совместного использования калориметров и ловушек Пеннинга для поиска стерильного нейтрино.Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что– подтверждена правильность измерений малой граничной энергии β-распада методоммикрокалориметрии, что свидетельствует об отсутствии значимых систематическихсдвигов этих значений и открывает зелёную дорогу для использования этого методав экспериментах по определению абсолютной массы нейтрино;– продемонстрированный эффект изменения времени жизни 123 Te в высокотемпературных звездных условиях в дальнейшем был использован для описания процессаядерного синтеза изотопов теллура 122−124 Te в ходе -процесса в звездах [2]. Этотрезультат, так же, как и в случае нуклида 187 Re, свидетельствует о необходимостипроверки наличия такого сильного эффекта сокращения времени жизни и у других6долгоживущих нуклидов с целью создания в будущем карты времён их жизни в астрофизических условиях;– полученное значение полной энергии распада 202 Pb позволило исключить этот нуклид из рассмотрения его как альтернативного кандидата для определения массынейтрино;– продемонстрированная на качественном уровне чувствительность предложенного нами способа к детектированию присутствия стерильного нейтрино в дальнейшемможет помочь в проектировании соответствующего эксперимента для обнаруженияэтой частицы;– полученные в данной работе масс-спектроскопические значения включены в общуюбазу ядерных данных [3].Достоверность полученного значения энергии распада 187 Re подтверждается тем,что это значение хорошо согласуется с тремя последними более точными (однако косвенными) измерениями этой энергии методом криогенной микрокалориметрии.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
