Диссертация (1149404), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Далее ионы транспортируются во вторую измерительную ловушку (ИЛ) гиперболического типа, находящуюся в магнитном поле 5.9 Тесла. Гиперболический тип ловушкипозволяет создать гармонический электрический потенциал в большем объеме ловушки,что уменьшает возможную систематическую ошибку измерений. Поскольку ПЛ и ИЛ наIsoltrap находятся в разных магнитах на расстоянии 2.5 метров друг от друга, а междуними еще находятся вакуумные насосы, то давление в ИЛ практически не зависит от давления буферного газа в ПЛ и поддерживается на достаточно низком уровне в ∼ 10−9 мбар,что положительно сказывается на точности измерения циклотронной частоты.
Измерениеνc в ИЛ производится посредством ToF-ICR методики. Ко времени участия мной в эксперименте по определению Q-значения 202 Pb на Isoltrap уже было начато внедрение PI-ICRметодики, однако она еще не до конца была оптимизирована, поэтому была задействованатолько стандартная ToF-ICR методика.Точно так же, как и в случае установки Shiptrap, на Isoltrap для стабилизациимагнитного поля в области ИЛ используется система стабилизации температуры и давления.Температура стабилизируется в объеме между трубой магнита и проходящей внутри неевакуумной камерой на уровне ±5 мК. Давление стабилизируется в резервуаре с жидкимгелием, в котором находится соленоид магнита, на уровне ±0.05 мбар.52Для оптимизации ловушек и всего ионного тракта установки Isoltrap можно использовать off-line источник поверхностной ионизации, установленный перед РЧК-банчером.
Крометого, массы многих ионов от этого источника хорошо известны, а поэтому они могут использоваться в качестве реперов в цикле измерения новых масс.53Глава 4. Эксперименты по измерению масс нуклидов на Shiptrap иIsoltrapОпределение массы иона в ловушке производится посредством измерения циклотронной частоты его движения в ней (см 2.1).
Определение циклотронной частоты иона νможет производится двумя принципиально разными методами: деструктивным или недеструктивным. При использовании деструктивных методов (ToF-ICR, PI-ICR) определенияν нужно каждый раз извлекать ионы из ловушки и производить их детектирование с помощью МКП-детектора. Для достижения необходимой точности измерения требуется наборсоответствующей статистики. С учётом эффективности проводки пучка и эффективностирегистрации, существует некоторое минимальное требование к количеству производимыхионов нужного сорта в единицу времени для того, чтобы за разумное время измерениядостичь необходимой точности.
Максимальная относительная точность измерений, достигнутая в данном методе для долгоживущих нуклидов, ∆/ ≈ 2 · 10−10 (∆ = 33 эВ дляслучая 163 Ho) [76]. В конструктивном методе (FT-ICR) измерение ν непрерывно производится все время нахождения иона в ловушке, причем чувствительность регистрации может бытьдостигнута даже к единичному иону. Время жизни иона в ловушке ограничено его периодом полураспада или же вакуумными условиями. Использование этого метода сопряжено созначительными техническими трудностями, однако только он позволяет еще больше раздвинуть границы возможностей масс-спектрометрии.
Так, для легкой массы = 3 наилучшаядостигнутая точность 1.4 · 10−11 , а для средних масс = 80 − 180 ≈ 1 · 10−10 . В ближайшее время в эксперименте Pentatrap для того же среднего диапазона масс планируетсядостичь 10−11 или лучше [104].У каждого из методов есть как преимущества, так и недостатки, поэтому выборконкретного метода строго зависит от поставленной физической задачи. Практически всенуклиды с малыми энергиями распада являются долгоживущими, с периодами полураспадаболее месяца, поэтому выбор метода детектирования в основном продиктован необходимой точностью измерения, которую нужно достичь для решения той или иной физическойзадачи. Для случая 123 Te была важна не столько высокая точность измерения, сколько достоверность этого значения, поэтому точности в ∼ 100 эВ оказывается вполне достаточно.Случаи 187 Re и 202 Pb интересны, например, для задачи по определению массы нейтрино,для которой, в конечном счете нужна беспрецедентно высокая точность измерений ∼ 1 эВ.Однако для решения промежуточных вопросов на пути к этой глобальной задаче необходимая точность измерений может быть гораздо хуже.
Так, для поиска новых кандидатов дляопределения массы нейтрино достаточно будет ∼ 1 кэВ, а для развития метода криогенноймикрокалориметрии для определения массы нейтрино необходима точность ∼ 30 эВ.544.1Определение -значений123Te,163Ho и187Re на ShiptrapСогласно формуле 2.20, для определения -значения нуклида нужно измерить отношение циклотронных частот материнского и дочернего ионов. Процедура измеренияциклотронных частот во всех трех рассматриваемых в данном разделе случаях была абсолютна идентична, за исключением подготовки образцов мишенного вещества для лазерногоисточника.
Нуклиды 123 Sb, 163 Dy, 187 Re и 187 Os представлены в достаточном количестве вестественной смеси изотопов соответствующего вещества, поэтому в качестве мишени использовались их образцы в металлической форме размером ∼ 5 × 5 мм2 . Изотоп теллура123Te имеет всего лишь 0.9% распространенности, поэтому для удобства получения ионовв достаточном количестве, использовался обогащенный до 70% 123 Te в порошковой металлической форме общей массой несколько миллиграмм.
Изотоп холмия 163 Ho распадается спериодом полураспада в 4570(25) лет, поэтому не присутствует в естественной смеси изотопов в природе и должен быть искусственно произведен в достаточном количестве в особочистой форме. С этой целью обогащенный 162 Er был помещен в зону ядерного реактора1 сбольшим потоком нейтронов. После захвата нейтрона 162 Er превращается в 163 Er (1/2 = 75мин) и распадается в 163 Ho. Далее 163 Ho был очищен методом ионообменной хромотографии.Капля водного раствора очищенного нитрата 163 Ho была помещена на титановую подложку10 × 10 мм2 , после высыхания которой получился конечный образец с содержанием ∼ 1016атомов 163 Ho. В таблице 1 представлена суммарная информация по использованным образцам для ионного источника.Таблица 1 — Распространенность нуклидов в естественной смеси. 123 Te был обогащен с0.89% до 70%.
163 Ho был наработан в ядерном реакторе с помощью реакцииβ−162Er(n,γ) 163 Er −−−−→ 163 Ho.75 минНуклидСодержание в образцеВид образца123Te0.9% → 70%металлический порошок123Sb43%металл163Ho1016 атомовнитрат163Dy25%металл187Re63%металл187Os2%металлДля получения однократно заряженных ионов всех шести представленных в таблице 1нуклидов использовался только лазерный источник ионов. -значения исследуемых намислучаев 123 Te, 163 Ho и 187 Re гораздо меньше 1 МэВ, а следовательно материнский и дочернийатомы не могут быть разрешены в подготовительной ловушке. Поэтому в случае присутствияв исходном пучке ионов обоих сортов, они также будут присутствовать и в измерительной1Ядерный реактор института Лауэ-Ланжевина (Laue-Langevin Institute) в Гренобле, Франция55ловушке при измерении их частот, что, в свою очередь, приведет к систематической ошибке.Для минимизации вероятности одновременного получения в лазерном источнике ионов материнского и дочернего атомов, их образцы были диаметрально разнесены на столике так,чтобы лазерный луч мог попадать только на один из выбранных образцов (см.
Рис. 3.2).Измерение частоты одного нуклида производится в течение 5 минут, после чего столик собразцами нужно повернуть, подставив под луч лазера другой образец. Столик с образцаминаходится в вакуумной камере, а его вращение может осуществляться снаружи камеры посредством механического манипулятора. Для автоматизации процесса переключения междуобразцами мною к манипулятору был прикреплен шаговый электромотор, управляемый микроконтроллером Arduino. Таким образом, переключение между образцами стало возможнымосуществлять удаленно, сидя за общим компьютером системы управления Shiptrap.Расстояние от окна выхода лазерного луча до столика с образцами порядка полутораметров, поэтому пятно лазурного луча на образце становится расфокусированным и дажемаксимальной интенсивности лазера недостаточно для получения ионов.
Мною была установлена телескопическая система из двух оптических линз, позволяющая иметь хорошосфокусировать лазерный луч на образце, что позволило при мощности лазера около 30%иметь достаточное количество ионов. Однако получение ионов 163 Ho было осложнено малым количеством мишенного вещества (всего ∼ 1016 атомов неравномерно распределенныхна площади 1 см2 ). Для получения сколь-нибудь стабильного пучка ионов лазерный лучбыл несколько расфокусирован, а интенсивность лазерного луча увеличена до 70% от егополной мощности.Общая схема очередности действий для реализации PI-ICR методики на Shiptrap представлена на Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
