Диссертация (1149404), страница 11
Текст из файла (страница 11)
3.3. В зависимости от методики измерения (ToF-ICR или PI-ICR) на ионы в ИЛ воздействует некоторая последовательность РЧимпульсов, после чего ионы извлекаются из ловушки и регистрируются на МКП детекторе .Для использования PI-ICR методики необходимо, чтобы детектор обладал высокой позиционной чувствительностью. На Shiptrap в качестве детектора используется модель DLD40от компании RoentDek, фото и основные характеристики которого показаны на Рис. 3.4.Теоретические основы измерения циклотронной частоты иона с помощью ToF-ICR и PI-ICRметодик разобраны в главе 2.3.Эскиз тандема из двух ловушек представлен на Рис. 3.3.
Цилиндрическая геометрияПЛ с большим внутренним диаметром (32 мм) позволяет с большой эффективность захватывать в нее ионы. Ловушки разделены длинным узким каналом, который с одной стороныпозволяет в ПЛ производить масс-селективное охлаждение ионов в буферном газе, а с другойстороны препятствует образованию высокого давления в ИЛ. Ловушки расположены вдольоси сверхпроводящего магнита напряженностью 7 Тесла с двумя областями однородности4732 ммподготовительная ловушка (ПЛ)диафрагмаизмерительная ловушка (ИЛ)области однородностимагнитного поляz (мм)Рисунок 3.3 — Схема подготовительной (ПЛ) и измерительной (ИЛ) цилиндрическихловушек установки Shiptrap. Каждая из ловушек состоит из пяти электродов: одногокольцевого электрода (RE – Ring Electrode), двух корректирующих электродов (CE –Correction Electrode) и двух оконечных электродов (EC – End Cup).
В нижней частирисунка показана схема магнитного поля с двумя областями высокой однородности.ПараметрЗначениепозиционное разрешение< 0.1 ммвременное разрешение< 0.2 нсмертвое время10 – 20 нсдиаметр МКП44 ммдиаметр канала25 мкмчувствительная область> 50%Рисунок 3.4 — Фото и основные параметры детектора RoentDek DLD40.магнитного поля (см. Рис. 3.3). Относительная однородность магнитного поля ∆/ в 1 см3равна 10−6 для ПЛ и 0.14 · 10−6 для ИЛ. Ввиду конечного сопротивления соленоида магнита[94], его магнитное поля со временем слабо, но спадает.
Стабильность магнитного поля, измеренная за большой промежуток времени в 440 дней равна ∆/ = −4.063(7) · 10−10 /час[95]. Однако, нелинейные изменения -поля на коротких промежутках времени, связанные с флуктуацией температуры и давления окружающей среды, явно доминируют. Так,температурная стабильность ∆/ = 2.9(2) · 10−10 /мК, в то время как флуктуации давления жидкого гелия в резервуаре дают ∆/ = 1.24(3) · 10−8 /мбар. С целью минимизации48U0 (t,t0)изменение магнетроннойчастоты (мГц)флуктуации -поля на Shiptrap была установлена система стабилизации температуры идавления, позволившая достигнуть при нормальных условиях окружающей среды стабильности в δ/ = 7.60(64) · 10−11 /час [95].На Рис.
3.5 представлена измеренная за 18 часов стабильность магнетронной частоты иона в ловушке. Магнетронная частота пропорциональна глубине электрическогопотенциала ловушки 0 , но не зависит (в первом приближении) от магнитного поля (см.формулу 2.10). Измеряя ν− можно определить среднюю стабильность источников напряжения, подключенных к соответствующим электродам ловушки. Так, из Рис. 3.5 видно, чтоотносительная флуктуации источников напряжения для электродов ловушек не превышает∆/ < 8 · 10−5 /день, а абсолютная флуктуация ν− и, как следствие, ν+ не превышает100 мГц в день.время t (ч)Рисунок 3.5 — Стабильность магнетронной частоты для 133 Cs+ ионов (левая ось ординат) иотносительная стабильность соответствующего электрического потенциала ловушки0 (,0 ) (правая ось ординат) на установке Shiptrap [96].
0 (,0 ) – глубина электрическогопотенциала ловушки в момент времени , усредненное за время измерения 0 = 2 мин.3.2IsoltrapМасс-спектрометр Isoltrap является одной из частей большого комплекса экспериментальных установок, расположенных за масс-сепаратором ISOLDE (Isotope On-Line MassSeparator). Масс-сепаратор ISOLDE [97; 98] работает с 1967 года и расположен за синхротроном LINAC/Booster в ЦЕРН. Синхротрон может ускорять протоны до энергий 1 − 1.4 ГэВ синтенсивность пучка в 3 · 1013 протонов в импульсе с частотой ≈ 1 Гц. Ускоренные протонысталкиваются с толстой мишенью (∼ 50 г/см2 ), где в процессе ядерных реакций скалывания, деления или фрагментации рождается большое количество радиоизотопов.
Продуктыреакции диффундируют из центральных областей нагретой до 2000 градусов мишени к ееповерхности, где ионизуются одним из трех доступных способов: ионизация в плазме [99],49поверхностная ионизация или резонансная лазерная ионизация (RILIS) [100]. Затем, преимущественно однозарядные ионы извлекаются и ускоряются до 60 кэВ.ISOLDE состоит из двух масс-сепараторов: масс-сепаратор общего назначения (GPS– General Purpose Separator) и сепаратор с высоким разрешением (HRS – High ResolutionSeparator).
GPS состоит из поворотного на 70∘ магнита с разрешающей способностью/∆ ≈ 800. HRS состоит из двух последовательных поворотных на 90∘ и 60∘ магнитовс общим разрешением /∆ = 4000. Таким образом, более 70 различных химическихэлементов и около 1100 различных изотопов от He ( = 2) до Aс ( = 89) с периодамиполураспада до нескольких мс и интенсивностью пучка от нескольких ионов в секунду донескольких десятков нА становятся доступными для всевозможного их изучения, в том числе и для высоко-прецизионного измерения масс на установке Isoltrap, установленной замасс-сепаратором.Даже при использовании HRS его разрешающей способности не достаточно для очищения пучка от нуклидов изобарной цепочки и, тем более от изомерных примесей.
Поэтомуна Isoltrap предприняты дополнительные меры по очищению пучка для достоверных ивысоко-прецизионные измерений масс только интересующих нас нуклидов. Вся же установка Isoltrap, как видно из Рис. 3.6, состоит из следующих основных частей, которые будутподробнее описаны в дальнейшем:МКП детекторизмерительнаяловушка1 см5.9 Тдиагностикаподготовительнаяловушка5 см4.7 Тионный источникповерхностной ионизации2РЧК кулерISOLDE30-60 кэВвысоковольтная платформааятормозящаясекция< 100 эВMR-TOF MSая13.2 кэВтормозящаясекциядиагностикаРисунок 3.6 — Схематичное устройство масс-спектрометра Isoltrap.
Рисуноквоспроизведен из работы [101].∙ Газонаполненный радио-частотный квадруполь (РЧК) – (RFQ – Radio FrequencyQuadrupole ion beam cooler and buncher),50• MR-ToF MS (Multi-Reflectron Time-of-Flight Mass Separator) – время-пролетный многопроходный масс сепаратор,• Подготовительная ловушка – ловушка Пеннинга цилиндрического типа,• Измерительная ловушка – ловушка Пеннинга гиперболического типа,РЧК представляет собой линейную ловушку Поуля, наполненную буферным газом –гелием [102].
Целью РЧК является накопление, охлаждение и дискретизация (банчирование) 60 кэВ-ого непрерывного пучка ионов, поступающего от ISOLDE. РЧК состоит из 4-хсегментированных по длине набора цилиндрических электродов для аксиального и радиального удержания ионов (см Рис. 3.7). Сначала поступающий пучок тормозится и фокусируетсяэлектрическим полей входного электрода эллиптической формы. Для дальнейшего охлаждения захваченных в РЧК ионов используется гелий при давлении ∼ 10−2 мбар. Оптимальноевремя нахождения ионов в РЧК порядка нескольких мс. Однако конкретное время для каждого случая может сильно варьироваться в зависимости от времени жизни ионов или отинтенсивности поступающего пучка.
Эффективность РЧК, как отношение интенсивностейвходящего и исходящего пучка интересующих нас ионов, оценивается в 15%. По окончанииохлаждения и накопления пучка напряжения на крайних электрода РЧК переключается донуля и ионы с энергией 2.5–3.2 кэВ поступают в следующий масс-анализатор: MR-ToF.Гелийнепрерывный60 кэВ пучокдискретный пучокот ISOLDE2.5 - 3 кэВ60 кВ0В6 мм880 мм150 В1 МГц10-2 мбарРисунок 3.7 — Схематичное устройство РЧК банчера на Isoltrap.
В нижней частипоказано поперечное сечение электродов и подаваемое на них напряжение. Рисуноквоспроизведен из работы [103].MR-ToF сам по себе является хорошим масс-спектрометром. Состоит он из двух электростатических линз и пространства дрейфа между ними, а также из МКП детекторадля регистрации время-пролетного спектра [101] (см. Рис. 3.8). Его достоинствами являются следующие характеристики: 1) быстрый цикл измерения – около 30 мс, что гораздобыстрее ловушки Пеннинга, тем самым позволяя измерять массы более короткоживущихнуклидов; 2) высокая разрешающая способность 105 , позволяющая разрешать большинствоизобарных цепочек; 3) несканирующий режим измерения в MR-ToF позволяет получить51полный спектр (Рис. 3.8 справа) всего-лишь за несколько повторений цикла (в отличие отдрейфовое пространство460 ммэл.-статическое зеркало 1160 мм-с160 ммссэл.-статическое зеркало 1масмесьнуклидоврепе жикт мрометраинтенсивностьToF-ICR методики); 4) относительная простота и дешевизна изготовления и использования.На Isoltrap MR-ToF может использоваться в двух режимах: как масс-спектрометр, еслиссмавремя-пролетное разделениесепарированные траекторияпучка после многих отраженийионыпучкавремя пролета / мксаи м орж атре ареп-сионы отРЧК банчерак ловушкамVзатвор Бредбери-НильсонаtРисунок 3.8 — Схематичное устройство и принцип действия MR-ToF на Isoltrap.
Рисуноквоспроизведен из работы [101].после него установлен МКП детектор, или же как масс-сепаратор, если после него стоитзатвор Бредбери-Нильсона, позволяющий пропускать только интересующие нас ионы (см.Рис. 3.8) к первой подготовительной ловушке (ПЛ).ПЛ имеет цилиндрическую форму для большей эффективности инжекции и находится в магнитном поле сверхпроводящего магнита напряженностью 4.7 Тесла. В отличие отShiptrap, где обе ПЛ и ИЛ ловушки находятся в одном горизонтальном магните с двумя областями однородности, ловушки на Isoltrap находятся каждая в своем магните свертикально направленными магнитными полями, как показано на Рис. 3.6. В ПЛ подается гелий при типичном давлении ∼ 10−4 мбар для применения масс-селективной методикиохлаждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
