Диссертация (1149639), страница 3
Текст из файла (страница 3)
1.8 б) описывается формулойΦ = cos( + ),02(1.14)где Φ это приложенный потенциал дипольного возбуждения, - амплитуда напряжения, приложенная к противоположным сегментам электрода, 0 внутренний размер ловушки, см. рисунок 1.4, а и - круговая частота и начальнаяфаза приложенного напряжения возбуждения.При приложении дипольного возбуждения на модифицированной циклотронной частоте + или магнетронной − происходит изменение радиуса соответствующего движения.При подаче напряжения возбуждения в противофазе к движению иона, сначала радиуссоответствующего его движения уменьшается, а затем, начинает возрастать, пока ион нестолкнется со стенкой ловушки.Частота − в общем случае зависит как от , так и , см.
формулу 1.7, но в первомприближении магнетронная частота может быть записана как0,(1.15)22 то, значит, практически одинакова для всех ионов.Таким образом, при дипольном возбуждении на магнетронной частоте все ионы внутриловушки выходят на все больший радиус.
С другой стороны, при подаче напряжения возбуждения с частотой + , сильно зависящей от массы иона, есть возможность селективнона широкий радиус движения.вывести ионы с определенным отношением Поэтому если мы точно знаем, примесь каких ионов есть в ловушке, мы можем массселективно увеличить их радиус движения дипольным возбуждением на модифицированной циклотронной частоте, а затем отсечь их при помощи диафрагмы с малым отверстием.Еще одним вариантом воздействия на ионы в ловушке является приложение квадрупольного возбуждения.
При этом напряжение подается на 4 сегмента (см. рис. 1.8 а), а кэлектрическому полю внутри ловушки добавляется потенциал− ≈Φ = cos( + )(2 − 2 ),02(1.16)где 0 - внутренний размер ловушки, а , и – амплитуда, частота и начальнаяфаза сигнала возбуждения, соответственно.При этом на ионы в ловушке действует сила⃗ = cos( + )(2⃗ − 2 ⃗ ),02(1.17)что приводит к изменению радиальной части дифференциальных уравнений движенияиона 1.3 к виду2 2 −−(+2cos( + )) = 0,02202(1.18)2 2 +−(−2cos( + )) = 0.0220215Аксиальная часть остается такой-же, как и в (1.3)2 + 2 = 0.2Эта система имеет аналитическое решение и радиусы магнетронного и модифицированного циклотронного движений выражаются как+ () = {+ [ = 0] cos( )−11 + [ = 0]|( − )| + − [ = 0]0 Δsin( )} 2 ( − ) ,2(1.19)и− () = {− [ = 0] cos( )+11 − [ = 0]|( − )| + + [ = 0]0 −Δsin( )} 2 ( − ) ,2(1.20)где =12√︁( − )2 + 02 ,(1.21) 1,20 + − −(1.22)0 = 2иΔ = − (+ + − ).(1.23)При условии = уравнения (1.19) и (1.20) с учетом (1.21), (1.22), (1.23) принимают вид+ () = + [ = 0] cos(00) − − [ = 0]Δ sin( ),22(1.24)00− () = − [ = 0] cos( ) + + [ = 0]−Δ sin( ).22Таким образом, из полученных формул следует, что при квадрупольном возбуждениис истинной циклотронной частотой = происходит периодическое преобразованиемодифицированного циклотронного движения с частотой + в магнетронное на частоте− .Период изменения характера движения при квадрупольном возбуждении, то есть время,в течение которого необходимо прикладывать переменное напряжение на циклотроннойчастоте к сегментам электрода для полной конверсии модифицированного циклотронногодвижения с частотой + в магнетронное на частоте − или наоборот, составляет =(2 + 1)2(+ − − ) 0 , 2( = 0, 1, ...).(1.25)Расстройка частоты возбуждения относительно истинной циклотронной частоты приводит к все меньшей конверсии, а значит за один и тот-же период полная конверсияпроисходит только у ионов с одним отношением .Аналогичным образом при приложении дипольного возбуждения к оконечным электродам есть возможность воздействовать на аксиальное движение ионов.
При приложении16Рисунок 1.9: Траектория иона в ловушке при конвертировании магнетронного движения вциклотронное (а) и наоборот (б).соответствующего поля с частотой происходит увеличение или, при приложении напряжения в противофазе относительно начального движения, затухание аксиального движенияионов.Использование дипольных возбуждений, приложенных к сегментам центрального электрода с частотой − и к оконечным электродам с частотой при соответствующей настройке длительности, частоты и начальной фазы для каждой массы ионов, позволяет остановить их в центре ловушки и практически полностью избавиться от влияния начальногодвижения, возникающего после загрузки ионов в ловушку.1.2.3Использование газаИонные ловушки позволяют производить охлаждение ионов за счет трения.Понижение разряжения в ловушке за счет подачи некоторого количества инертного газаприводит к появлению трения между ионами и молекулами газа.
В случае, когда энергияионов ≥ (1.26)а ≫ (1.27)то можно использовать для описания взаимодействия модель вязкого трения [23, 34].В этом случае силу трения между захваченными в ловушку ионами и газом можнозаписать, как⃗ = −⃗ ,(1.28)где это масса, ⃗ – скорость иона, а коэффициент выражается как= 1.(1.29)Здесь через обозначена подвижность иона. Для данных давления буферного газа в ловушке и его температуры подвижность расчитывается как = 0 /0,/017(1.30)где 0 и 0 это нормальные давление и температура, соответственно равные0 = 271 и 0 = 1 атм,а 0 – подвижность при нормальных условиях, значения которой можно найти в справочниках [30](см.
рисунок 1.10).Рисунок 1.10: Подвижность (а) различных ионов в гелии при давлении 10−3 ипостоянная времени затухания энергии, (б) в зависимости от энергии ионов [30].Из формулы 1.29 следует, что изменение скорости иона во времени определяется уравнением= −,(1.31)соответственно, постоянная времени затухания скорости будет равна1 = .(1.32)Траектории движения ионов в зависимости от начального радиуса для магнетронногоили модифицированного циклотронного движения показаны на рис. 1.11.Так как кинетическая энергия зависит от скорости квадратично,= 2 2 2=,22то постоянная времени диссипации кинетической энергии в буферном газе равна=.(1.33)2 2Из формул 1.33 и 1.30 постоянная времени обратно пропорциональна давлению газа вловушке.
Подачу газа легко организовать при практически любой конструкции. Типичноедавление буферного газа порядка 10−3 .При наличии в ловушке некоторого давления инертного газа, например гелия, в первуюочередь быстро затухает намного более быстрое модифицированное циклотронное движение, затем примерно на порядок дольше аксиальное и еще на порядок слабее магнетронное.На основе этого создана методика масс-селективного охлаждения ионов в ловушке сгазом. =18Рисунок 1.11: Примерная траектория иона с начальным магнетронным имодифицированным циклотронным движением в газе (а) и центрирование иона приквадрупольном возбуждении (б).1.2.4Масс-селективное охлаждение ионов в ловушке с газомПри использовании газонаполненной ловушки Пеннинга есть возможность производить масс-селективное охлаждение и использовать ловушку как прецизионный масссепаратор, в том числе для выделения нуклидов вплоть до изомерных состояний для − − −спектроскопии в составе установки для послеловушечной спектроскопии.Обычно создаются системы из двух последовательно установленных ловушек, когдапервая по ходу ловушка является подготовительной.
Она заполняется буферным газом придавлении порядка 10−3 и используется для масс-сепарации и охлаждения ионов. Вторая ловушка используется для сверхточных измерений масс.В ряде случаев, например на установках SHIP-TRAP, TRIGA-TRAP или JIFL-TRAPиспользуется магнит с двумя зонами однородного магнитного поля, и обе ловушки расположены внутри одного магнита в соответствующих зонах.
На установке ISOL-TRAPиспользуются два независимых магнита для подготовительной и точной измерительнойловушек.Рассмотрим процесс масс-зависимого охлаждения и выделения ионов в ловушке с газом.Сначала ионы выводятся на некоторый радиус магнетронного движения при помощикороткого импульса дипольного возбуждения. За счет того, что магнетронная частота достаточно низкая, ионы не теряют всю свою энергию и могут двигаться на радиусе порядканескольких миллиметров в течение нескольких секунд.
Более детально процесс настройкиподготовительной ловушки описан в разделе 4.1.Затем подается достаточно длительный импульс квадрупольного возбуждения на истинной циклотронной частоте, производящий конверсию медленного магнетронного движенияв намного более быстрое модифицированное циклотронное движение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
