Диссертация (1149639), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В пятой главе описаны эксперименты по измерениюмасс 48 Ca, 163 Ho и 163 Dy и обсуждаются физические выводы, следующие из полученныхданных.Заключение посвящено представлению результатов, полученных в диссертационной работе и положений, которые выносятся на защиту. Приводятся аргументы в пользу актуальности, новизны и своевременности проведенных исследований.5Глава 1Ионные ловушкиДля удержания ионов в некоторой замкнутой области пространства используются ловушки Поля и ловушки Пеннинга.1.1Ловушки ПоляВ ловушках поля ионы удерживается постоянным аксиальным и радиочастотным квадрупольным полем в радиальном направлении.
Радиочастотные квадруполи удобно исполь-Рисунок 1.1: Схема радиочастотного квадруполя – ловушки Поля.зовать для накопления, предварительного охлаждения ионов и формирования прерывистойвременной структуры пучка для последующей загрузки в сверхпрецизионные ловушкиПеннинга для масс-спектрометрии [41]. Конструкции на основе радиочастотных квадруполей применяются в качестве ионопроводов для переноса ионов или при создании времяпролетных спектрометров.Для создания аксиального удерживающего поля можно применить оконечные электроды, смещенные постоянным напряжением относительного среднего поля для центральныхэлектродов. Подобная конструкция хороша в случае коротких ловушек.
Подобным образом сделана накопительная ловушка в составе лазерного ионного источника на установкеTRIGA-TRAP (см. ниже рис. 3.18). Подобная конфигурация позволяет более эффективноудержать образованные ионы и сконцентрировать их в центральной области за счет тренияв заполняющем газе.6Рисунок 1.2: Схема радиочастотного квадруполя – накопителя-формирователя временнойструктуры.Особенностью подобных ловушек является необходимость применения достаточно высоких напряжений, порядка 800 В, что требует применения дополнительных усилителейрадиочастоты. В связи с тем, что при использовании подобной ловушки в качестве накопителя требуется точная установка среднего напряжения на центральных электродах, то дляих смещения применяются дополнительные источники постоянного тока с трансформаторным или RC-смешиванием.Использование газонаполненных накопителей на основе ловушек Поля позволяет увеличить акцептанс.
Для получения лучшей временной структуры импульса после выпуска накопленных ионов из ловушки применяют продольное сегментирование электродовдля создания оптимального продольного распределения потенциала. При выпуске ионовиз накопителя чаще используется не переключение отдельного торцевого электрода, а переключение постоянного смещения группы сегментов в районе потенциальной ямы (см.рисунок 1.2). На рисунке 1.3 представлен вид модели и схема накопителя-формирователя,предполагаемого для перспективной установки ПИ-ТРАП в Гатчине – ионной ловушки нареакторе ПИК [3].Для проведения прецизионных измерений наиболее удобны и, соответственно, и распространены ловушки Пеннинга.7Рисунок 1.3: Изображение модели и схема радиочастотного квадруполя –накопителя-формирователя временной структуры перспективной установки PI-TRAP,планируемой в Петербургском институте ядерной физики в Гатчине [3].1, 2 - входные электроды, 3 - электрод торможения, 4, 9 - концевые электроды, 5 сегменты электродов квадруполя, 6 - поддерживающие диски, 7, 8 - несущие стержни, 10,11 - выходная оптика.На поперечном разрезе 1, 8 - поддерживающие конструкции, 2, 3, 4 - стержни,герметизирующие газонаполненную область, 5 - электроды РЧК, 6 - несущие стержни, 7 контур концевого электрода, 9 - выходное окно РЧК.81.2Ловушки ПеннингаРисунок 1.4: Схема гиперболической (а) и цилиндрической (б) ловушек ПеннингаВ ловушках Пеннинга ионы радиально удерживаются сильным магнитным полем, а аксиально – слабым электрическим.
Возможно создать удерживающее электрическое полетолько квадрупольной конфигурации [1]. Таким образом при использовании только постоянного электрического поля не удается создать ловушку. Для удержания ионов нужно в дополнение к электрическому использовать магнитное поле. При отсутствии электрического,только в магнитном поле ионы будут двигаться по окружности вокруг оси, параллельнойлиниям магнитного поля на циклотронной частоте =0,(1.1)где и заряд и масса иона, соответственно, а 0 – напряженность магнитного поля.Для радиального удержания ионов добавляется электрическое поле квадрупольной конфигурации, описываемое потенциаломΦ=0(2 2 − 2 − 2 ),22где2 2 − 2 − 2 = 202 ,√︁ = 02 + 02 /2– характерный размер ловушки.Сформировать потенциал гиперболической формы можно либо применив 3 группы профилированных электродов, либо разделив каждую группу цилиндрических электродов нанесколько сегментов (см. рис.
1.4). Гиперболическая форма электродов (см. рис. 1.5) впервом приближении требует меньшего количества источников напряжения. Но, так какконцевые электроды имеют конечные размеры и отверстия в точке их пересечения с продольной осью для загрузки и выпуска ионов, необходимо применять дополнительные корректирующие электроды.Преимуществом гиперболических ловушек является небольшой минимальный радиусцентрального электрода, а значит его близость к траектории ионов и большее значениезаряда изображения, что несколько упрощает задачу съема сигнала при использованииметодики Фурье-преобразования (см. раздел 2.2).9Рисунок 1.5: Схема гиперболической ловушки Пеннинга и возмущения магнитного поля,внесенные каждым из ее электродов на примере измерительной ловушки на установкеTRIGA-TRAP.Существенным минусом гиперболической конфигурации является то, что электродыловушки образуют замкнутый объем, который требует длительной откачки для получениясверхглубокого вакуума внутри ловушки.Также возможна цилиндрическая конфигурация ловушки, когда концевые цилиндрические электроды разделяются на несколько сегментов для оптимизации формы поля(см.
рис. 1.6). На дополнительные корректирующие электроды прикладывается напряжениенесколько меньше, чем на конечные, что также позволяет более точно подстроить формупотенциала для каждого конкретного экземпляра ловушки.10Рисунок 1.6: Схема и изображение модели цилиндрических подготовительной иизмерительной ловушек Пеннинга перспективной установки PI-TRAP, планируемой вПетербургском институте ядерной физики в Гатчине [3].1, 2, 3, 4 – входные оконечные электроды подготовительной ловушки, 5, 7, 12, 17 –сегментированные корректирующие электроды, 6 – сегментированный центральныйэлектрод подготовительной ловушки, 8, 9, 10 – оконечные электроды подготовительнойловушки, 11, 12 – диафрагма, 13, 14, 18, 19, 20 – оконечные электроды измерительнойловушки, 16 – сегментированный центральный электрод измерительной ловушки, 21 –изоляторы, 22, 23 – поддерживающие конструкции, 24 – трубка подачи газа вподготовительную ловушку.111.2.1Движение иона в ловушке ПеннингаНа ион в ловушке действуют сила Лоренца от магнитного поля⃗ = (()˙ ⃗ − ()˙ ⃗ )и КулонаΦ0(2⃗ + 2 ⃗ − 4 ⃗ )⃗ =40от электрического поля.
Движение иона под действием этих сил определяется уравнениями[25]⃗⃗ = −∇Φ + (⃗ × )(1.2)Дифференциальные уравнения движения иона в ловушке под действием этих сил, расписанные по координатам будут иметь вид2 1− 0 − 2 = 0,222 1 2− = 0,+ 0222+ 2 = 0,2(1.3)где0истинная циклотронная частота из формулы 1.1, а√︂20 = 20 =частота аксиального движения ионов в ловушке.Для решения системы уравнений 1.3 используем подстановку = + и получим дифференциальное уравнение второго порядка2 1 2−− = 0,022(1.4)решение которого будем искать в виде = − .После подстановки для определения частот решим квадратное уравнение1 2 − 0 + 2 = 0(1.5)2и получим выраженные через частоту аксиального движения и истинную циклотроннуючастоту.
Частоты+ =1( + 1 ),2(1.6)−1=( − 1 ),212гле1 =√︀2 − 22 .Для получения вещественных частот + и − нужно, чтобы2 > 22 ,а значит2 0240>2 2и4 0> 2 2. 0Обычно это условие выполняется. Соотношение между частотами имеет вид > + > >> − .(1.7)Обычно и + порядка 100 кГц - 1 МГц, порядка нескольких десятков кГц, а −нескольких кГц.Рисунок 1.7: Примерная траектория движения иона в ловушке.Решение уравнения 1.4 имеет вид = + [−(+ + + )] + − [−(− + − )].(1.8)С учетом неравенств 1.7 и при записи решений уравнений движения в декартовых координатах получается = + cos(+ + + ) + − cos(− + − ), = −[+ sin(+ + + ) + − sin(− + − )],|| = cos( + ).(1.9)(1.10)(1.11)Таким образом движение иона в ловушке представляет собой комбинацию 3х движений: быстрого вращения вокруг продольной оси с модифицированной циклотронной частотой + , медленной прецессией вокруг продольной оси с магнетронной частотой − иаксиальных колебаний с частотой , (см рис.
1.7).13Кинетическая энергия радиального движения иона в ловушке составляет112 22 2+ + ++ .. = +22(1.12)Из решения 1.7 уравнения 1.4 следует важный вывод+ + − = ,2+ − = 2 ,22++ −+ 2 = 2 .(1.13)Эти соотношения частот движения иона в ловушке называются теоремой инвариантности и позволяют быстро определить все частоты по их паре.Так как магнетронная частота зависит в большей степени от параметров потенциалаи магнитного поля и очень слабо от иона, то при помощи соотношений 1.13 легкополучаются нулевые приближения для + и из оценки .Вторым важным следствием теоремы инвариантности является возможность получитьзначение истинной циклотронной частоты , зависящей только от отношения иона инапряженности магнитного поля, которая во времени меняется достаточно медленно, припомощи измерения и суммирования частот движения иона в ловушке + и − .1.2.2Манипуляция с ионами, захваченными в ловушкуДля воздействия на движение ионов, захваченных в ловушку, прикладывается дополнительное электрическое поле.
Обычно используется дипольное или квадрупольное возбуждение. Поле прикладывается в плоскости, перпендикулярной оси ловушки.Для этого центральный, а иногда и внутренние коррекционные электроды ловушки (смрис. 1.6) делают разделенными на несколько сегментов. Если коррекционные электродыразделяются на 2 части, то центральный обычно на 4 или 8. Затем к различным частямэлектрода подаются напряжения возбуждения (см. рисунок 1.8).Рисунок 1.8: Подключение к сегментированному центральному электроду ловушкигенераторов для квадрупольного (а) и дипольного (б) возбуждения.В случае, когда потенциал электрода равен нулю, к сегментам подключается непосредственно соответствующий выход генератора, а если необходимо обеспечить постоянныйпотенциал на всех электродах, то используется подключение через трансформатор с центральным отводом вторичной обмотки для подачи постоянного напряжения или RC цепочку.14Для работы системы достаточно подать напряжение возбуждения только одной фазы, анекоторым изменением потенциала всего электрода при малых напряжениях возбужденияможно пренебречь, что приводит к существенному упрощению схемы, особенно в случаепрямого подключения генераторов.Дипольное возбуждение (см рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
