Диссертация (1149585), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Любой из трёх видов движения иона, показанных на Рисунке 6.2, может быть возбуждёнприложением РЧ дипольного поля определённой частоты и ориентации. Аксиальное движениевозбуждается РЧ дипольным полем, приложенным между чашевидными электродами. Оба радиальных движения возбуждаются РЧ дипольным полем, перпендикулярным магнитному полю.Для возбуждения циклотронного движения применяется РЧ квадрупольное поле [76].6.2.1Дипольное возбуждениеРисунок 6.3: Круговой сегмент кольцевого электрода с приложенным РЧ полем [77]. Слевапоказан случай дипольного возбуждения с напряжением разной полярности дляпротивоположных электродов. Справа показан случай квадрупольного возбуждения снапряжением одной полярности для противоположных электродовДипольное РЧ поле с амплитудой и частотой прикладывается к двум противоположным сегментам кольцевого электрода (см.
Рисунок 6.3), находящихся в противофазе. Данноевозбуждение, например, для -компоненты в радиальной плоскости описывается следующимвыражением:⃗ = cos( − )⃗ ,где – константа, зависящая от геометрии ловушки, – начальная фаза.Если частота дипольного возбуждения совпадает с частотой движения иона в ловушке, егоамплитуда непрерывно возрастает в течение времени приложения возбуждения. Магнетронноедвижение в первом порядке разложения квадратного корня из выражения (6.8) не зависит отмассы иона. Поэтому все ионы в ловушке могут быть одновременно возбуждены РЧ сигналом счастотой − , приложенному к сегментам кольцевого электрода.
Также появляется возможностьселективного удаления некоторых видов ионов из ловушки возбуждением зависящего от массы66иона модифицированного циклотронного движения на частоте + . При данном возбужденииионы с ненужными для эксперимента массами просто теряются на электродах ловушки.6.2.2Квадрупольное возбуждениеДля создания квадрупольного поля РЧ напряжение прикладывается к одной паре противоположных сегментов кольцевого электрода (см. Рисунок 6.3), а ко второй паре прикладываетсятоже РЧ напряжение, но оно находится в противофазе по отношению к первому напряжению.Создаваемое квадрупольное поле описывается следующими выражениями:⃗ = 2 cos( − )⃗ ,2⃗ = 2 cos( − )⃗ .2Если наблюдается резонанс, т.е. = , то происходит периодический переход магнетронногодвижения в модифицированное циклотронное движение с периодом, который также называетсявременем конвертации: =42 .Радиальная кинетическая энергия иона при квадрупольном возбуждении пропорциональнавыражению [78]:2 22 22 2 () ∼ ++ () − −− () ≈ ++ ().Здесь учтено, что + ≫ − , + и − – это амплитуды модифицированного циклотронного движения и магнетронного движения, соответственно.
Полная радиальная кинетическая энергияпринимает максимальное значение, когда радиальное движение полностью конвертировано вмодифицированное циклотронное. В случае нерезонансного возбуждения ( ̸= ), конверсияне является полной, и максимальная радиальная кинетическая энергия иона меньше, чем дляслучая резонанса.Квадрупольное возбуждение с циклотронной частотой является масс-селективным и может применяться для масс-селективного охлаждения в буферном газе, а также для определенияциклотронной частоты при помощи время-пролётного резонанса, о котором далее пойдёт речь.6.3Метод время-пролётного резонансаНа сегодняшний момент метод время-пролётного резонанса (ВПР) является основным приопределении иона, захваченного в ловушку [78, 79].
Помимо метода ВПР также существуетметод определения , основанный на Фурье-трансформации сигнала от иона, находящегося вловушке. Этот метод не рассматривается в данной работе, поскольку он не использовался вэксперименте, в отличии от метода ВПР.67Рассмотрим ион массой и зарядом , который двигается по окружности радиуса с угло⃗ . Полная кинетическая энергия такоговой скоростью внутри ловушки с магнитным полем иона будет делиться на две составляющие: радиальную и аксиальную, и в итоге принимаетследующий вид:11 = + = 2 + 2 2 .22Находясь в ловушке, ионы возбуждаются РЧ полем с магнетронной частотой − и двигаютсяв радиальной плоскости с радиусом − .
Радиус магнетронного движения стараются сделать максимально возможным, тем самым увеличивается значение радиальной кинетической энергии,однако при этом необходимо, чтобы поле внутри окружности движения иона оставалось однородным. Типичное значение − = 0.7 мм. После магнетронного возбуждения ионы возбуждаютсяквадрупольным полем с частотой , подбираемой максимально близко к ожидаемой циклотронной частоте . При этом магнетронное движение переходит в модифицированное циклотронное.В случае резонанса ( = ) радиальная энергия будет максимальна.
Затем ион испускается изловушки путём понижения потенциала на оконечных электродах, и далее измеряется его времяпролёта до детектора. В качестве детектора обычно используются микроканальные пластины.На установке SHIPTRAP в немецком национальном центре GSI под Дармштадтом расстояние отизмерительной ловушки Пеннинга до детектора около метра. В этой области дрейфа магнитноеполе понижается от 7 Тл до, примерно, нуля. Схематически этот процесс показан на Рисунке6.4. На ион в дрейфовой трубе с сильным градиентом магнитного поля действует сила:B(z)lzРисунок 6.4: Градиент магнитного поля от ловушки до детектора. – расстояние пролёта иона⃗,⃗ = ⃗·68где – магнитный момент иона.
Под действием данной силы радиальная кинетическая энергияиона переходит в аксиальную кинетическую энергию. Аксиальная энергия однозначно связанасо скоростью иона и, следовательно, со временем его пролёта до детектора, которое выражаетсяследующим образом:∫︁ √︂( ) =0,2(0 − () − ( )())где 0 – начальная аксиальная кинетическая энергия иона, () – электрическое напряжение,() – магнитное поле. Чем короче времена пролёта иона, тем большей радиальной энергии онисоответствуют, и наоборот. Время пролёта измеряется для разных частот возбуждения . Есличастота возбуждения совпадает с циклотронной частотой ( = ), то радиальная энергия максимальна, а значит ионы будут иметь наименьшее время пролёта до детектора. Соответственнодля определения циклотронной частоты необходимо найти минимум кривой времени пролёта отчастоты возбуждения.
А зная частоту и заряд иона, легко можно определить его массу. Стандартный вид резонансной кривой, при возбуждении иона прямоугольным импульсом, показанСреднее время пролёта, мксна Рисунке 6.5. Область, в которой происходит сканирование циклотронной частоты, зависитνq – νc , ГцРисунок 6.5: ВПР однозарядного иона 133 Cs представлен в виде среднего времени пролёта отчастоты возбуждения.
Экспериментальные точки фитируются теоретической кривойот времени возбуждения. Данная область выбирается таким образом, чтобы были видны двабоковых минимума резонансной кривой. Форма кривой хорошо описывается теорией с использованием Фурье-преобразования прямоугольного импульса, результат которого дается функциейвида sinc(). Основная ошибка при измерении циклотронной частоты определяется шириной наполувысоте главного минимума.Помимо стандартного возбуждения прямоугольным импульсом, в измерениях используетсяRamsey возбуждение [80], которое базируется на нескольких последовательных прямоугольныхимпульсах длительностью 1 , разделённых временным промежутком 0 .
Сравнение стандартногоимпульса и различных вариантов Ramsey импульса представлено на Рисунке 6.6.69Амплитуда(1)(2)(3)(4)t, мсРисунок 6.6: Схемы возбуждения: (1) стандартный импульс, (2), (3), (4) различные вариантыRamsey импульса. Амплитуда Ramsey импульсов выбирается так, чтобы их суммарная площадьравнялась площади стандартного импульсаПри использовании Ramsey возбуждения боковые минимумы сравниваются по высоте с главным минимумом.
Вследствие Фурье-преобразования данного импульса это приводит к тому, чтоширина главного минимума уменьшается, т.е. он становится острее, что способствует уменьшению ошибки при определении циклотронной частоты. Именно поэтому, на сегодняшний день,Ramsey возбуждение доминирует в методе ВПР.
Форма резонансной кривой при использованииСреднее время пролёта, мксдвойного Ramsey импульса показана на Рисунке 6.7. Единственным его недостатком, в отличиеνq – νc , ГцРисунок 6.7: ВПР однозарядного иона 130 Te, представленный в виде среднего времени пролётаот частоты возбужденияот стандартного возбуждения, является необходимость большого количества ионов исследуемогонуклида.70Статистическая погрешность определения циклотронной частоты в методе ВПР зависитот числа регистрируемых ионов и времени возбуждения [81]:1 ( ) ∼ √ · 6.4Эксперимент по измерению разностей масс в изобарныхтриплетахОсновной задачей эксперимента являлась проверка выполнения условия для резонансногофактора (5.5) в трёх изобарных триплетах для нуклидов124Xe,130 Ba,136 Ce, описываемых в раз-деле 5.3.
В случае получения положительного результата, требовалась оценка периодов полураспада данных нуклидов для моды безнейтринного двойного e-захвата [82].6.4.1Экспериментальная установка SHIPTRAPЭксперимент проводился в научно-исследовательском центре GSI, Дармштадт (Германия) намасс-спектрометре SHIPTRAP [83], основой которого является ловушка Пеннинга.
Схема экспериментальной установки представлена на Рисунке 6.8. Установка состоит из двух основныхСекция источника ионовСекция масс-спектрометраподготовительная ловушкаизмерительная ловушкаэлектронная пушкаМКП-детекторионно-транспортнаяоптикаобразцысверхпроводящий магнитмишеньлазерный лучРисунок 6.8: Схема установки SHIPTRAP, используемой для определения разностей масс нуклидовсекций: секции источника ионов и секции самого масс-спектрометра. Стоит отметить, что всеионы, полученные от источника ионов, были однократно ионизированы, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
