Диссертация (1149639), страница 4
Текст из файла (страница 4)
За счет торможениянамного более быстрого модифицированного циклотронного движения ионы будут центрироваться (см. рис. 1.11).Так как конверсия между магнетронным и истинным циклотронным движением происходит только при достаточно точном совпадении частоты возбуждения и истинной циклотронной частоты (в зависимости от давления газа, длительности и амплитуды импульса рассогласование частот может быть до нескольких сотен Герц), то происходит массо19изависимое охлаждение, когда интересующие нас ионы с заданным соотношением соответствующей ей истиной циклотронной частоте собираются у центральной оси ловушки, в то время, как остальные ионы остаются на некотором магнетронном радиусе.Таким образом, если после подачи центрирующего импульса квадрупольного возбуждения пропустить ионы через небольшую диафрагму, произойдет эффективная очисткапорции ионов в зависимости от массы.При необходимости, в случае, когда имеются нежелательные ионы с массой, близкой кискомой и известна их масса достаточно точно, их можно дополнительно вывести на больший радиус при помощи дипольного возбуждения на модифицированной циклотроннойчастоте.Радиус начального возбуждения желательно использовать достаточно большой, чтобыуменьшить вероятность нахождения вблизи оси нежелательных ионов после центрирования, но и достаточно малым, чтобы не столкнуться с эффектами зависимости частот отрадиуса движения из-за неидеальности электрического и, в меньшей степени, магнитногополей.
Обычно используется амплитуда, близкая к наиболее возможной для соответствующего функционального генератора и производится подстройка времени возбуждения.Для уменьшения требуемого времени и уменьшения начального радиуса для интересующих ионов можно начать прикладывать дипольное и квадрупольное возбуждения одновременно, что позволит несколько увеличить безопасную по отклонению частот времяамплитуду импульса на магнетронной частоте.При увеличении времени, в течение которого ионы движутся с высокой скоростью примодифицированном циклотронном движении, происходит их охлаждение практически дотемпературы буферного газа и происходит уменьшение их пространственного распределения.
С другой стороны это приводит к не полной, но достаточной для центрированияконверсии при достаточно сильной расстройке частоты задающего генератора для сигналаконверсии.Улучшение охлаждения и центрирования ионов происходит при увеличении амплитудыи длительности квадрупольного воздействия, тогда как подбор минимального времени иамплитуды, а также давления буферного газа, достаточных для полного центрированияинтересующих нас ионов несколько ухудшает распределение после очистки, но повышаетразрешающую силу такого масс-сепаратора.Для получения хорошего массового разрешения с хорошим охлаждением ионов возможно использовать так называемый двойной цикл, когда после первого этапа очисткивместе с центрированием, ионы проводятся через диафрагму, что приводит к отсечениюненужных, после чего возвращаются в ловушку с газом и производится еще один циклмасс-селективного охлаждения, но уже с параметрами, оптимальными именно для охлаждения.
Это, однако, приводит к удвоению времени очистки-охлаждения, что может бытьочень неудобно для работы с короткоживущими изотопами.20Глава 2Методы определения циклотроннойчастотыЦиклотронная частота захваченного в ловушку иона, представляющая собой сумму частот его движения согласно (1.13), является также истинной циклотронной частотой движения иона в магнитном поле и обратно пропорциональна его массе по (1.1).Таким образом возможно определить отношение массы интересующего нас иона относительно массы опорного, сравнив отношения их истинных циклотронных частот поформуле ( 2.1).+ (2.1) = (.
− )2.1Метод времяпролетного ионного циклотронного резонансаСтандартным методом определения циклотронной частоты при измерении масс ионовс помощью ловушек Пеннинга является метод времяпролетного ионного циклотронногорезонанса.Он основан на измерении зависимости времени пролета ионов при вылете из ловушкидо детектора.В качестве детектора чаще всего используется микроканальная пластинка, но, если требуется практически 100% регистрация ионов, применяются и каналотроны. Однако, так какразмер активной области МКП в несколько раз больше каналотрона, то применение каналотронов требует намного более точной настройки ионной оптики и более консервативныхнастроек возбуждения и профиля вытягивающего электрического поля для уменьшениярассеяния ионов в плоскости детектора.При движении ионов из ловушки к детектору, расположенному вне магнита, ион проходит существенный градиент магнитного поля (Типичная напряженность магнитного полявнутри ловушки 5-7 Тл, расстояние от ловушки до детектора порядка 1 метра, см.
рис. 2.1).При движении иона в ловушке, его магнитный момент равен = · 2 ,где(2.2)(2.3)2ток, соответствующий движению иона с зарядом по замкнутой траектории радиуса сугловой частотой .=21Рисунок 2.1: Схема перемещения иона из ловушки к детектору относительнонапряженности магнитного поля для определения истинной циклотронной частотыметодом времяпролетного ионного циклотронного резонанса.Максимальный магнитный момент соответствует случаю движения иона только с модифицированной циклотронной частотой + при максимальном + и − = 0. Тогда магнитный момент иона можно записать с учетом соотношения (1.12) как1+ = − + 2 = /.2(2.4)Изменить соотношение между значениями радиусов магнетронного − и модифицированного циклотронного + движения можно при помощи приложения квадрупольноговозбуждения на истинной циклотронной частоте (см.
1.2.2).Вначале ионы выводятся на некоторый начальный радиус магнетронного движенияприложением импульса дипольного возбуждения на магнетронной частоте − . Затем производится квадрупольное возбуждение на истинной циклотронной частоте . Параметрыимпульса возбуждения подстраиваются для получения полной конверсии.При этом производится сканирование частоты задающего генератора квадрупольноговозбуждения.
При некоторой расстройке частот происходит только частичная конверсия, анаибольший магнитный момент иона, соответствующий полной конверсии, и наибольшаяэнергия радиального движения соответствуют точному совпадению частоты возбужденияс истинной циклотронной частотой (см. рисунок 2.2).При пролете иона через градиент магнитного поля на выходе из магнита, выполняетсязакон сохранения магнитного момента (2.2), при этом на ион действует сила⃗⃗ = 22(2.5)Рисунок 2.2: Зависимость радиальной кинетической энергии движения иона в ловушке отрасстройки частоты при различных периодах приложения квадрупольного возбуждения (а) и различной степени конверсии при постоянном (б).
Одна конверсиясоответствуют переходу − → + , а 1.5 случаю − → + → − → + на примере иона85Rb+ с истинной циклотронной частотой = 1 071 210.60 на установкеISOL-TRAP [41].В результате ее воздействия происходит конверсия энергии радиального движения ваксиальное. Так как большая часть энергии радиального движения оказывается запасенной в циклотронном движении, то наибольшую прибавку радиальной энергии, а значит, иуменьшение времени пролета до детектора получается при наибольшем циклотронном радиусе, когда происходит полная конверсия медленного магнетронного движения в быстроемодифицированное циклотронное.Время пролета иона от ловушки до детектора в зависимости от частоты квадрупольноговозбуждения ( ) можно рассчитать [37, 41], как∫︁1 √︂( ) =,2(0 − () − ()(2.6)0где и – масса и заряд исследуемого иона, 0 его начальная энергия, 0 координатацентра ловушки, а 1 – координата детектора вдоль оси z, () и () напряженностиэлектрического и магнитного полей вдоль продольной оси в зависимости от положенияот центра ловушки и до детектора, магнитный момент иона при соответствующейчастоте квадрупольного возбуждения.Зависимость времени пролета от частоты возбуждения из-за своей формы называетсявремяпролетным резонансом и показана на рисунке 2.3.Ширина резонанса получается порядка ∼1 ,(2.7)где это время возбуждения.
Улучшить разрешение можно либо увеличивая время возбуждения, сокращая его амплитуду, либо используя так называемую схему Рамзи (см. ниже).Увеличение длительности возбуждения более 1-2 секунд неудобно, так как происходитуже достаточно сильное рассеяние ионов внутри ловушки на молекулах остаточного газас соответствующей потерей энергии. Это приводит к уширению пика. Также на полное23Рисунок 2.3: Времяпролетный резонанс для иона 85 + на установке ISOL-TRAP при = 1.2 .время цикла от получения ионов до их регистрации оказывает влияние время жизни самихионов и длительные периоды возбуждения можно использовать только при измерениях состабильными ионами.Схема Рамзи заключается в возбуждении не одним, а двумя квадрупольными импульсами длительностью по 0, 1 0 в начале и конце времени конверсии (см.
рисунок 2.4) притой же самой полной длительности цикла.Структура времяпролетного резонанса при возбуждении по схеме Рамзи (см. рисунок 2.5) изменяется.Это позволяет повысить точность определения частоты, соответствующей полной конверсии.Некоторым недостатком схемы Рамзи является то, что минимумы времяпролетного резонанса одинаковы по форме и глубине и легко спутать центральный минимум, соответствующий полной конверсии, с одним из боковых. Для предупреждения подобной ошибки требуется произвести первоначальные измерения при стандартной схеме непрерывноговозбуждения, а уже на основе полученных данных о частоте перейти к ее уточнению посхеме Рамзи.На установке TRIGA-TRAP применение схемы Рамзи в области однозарядных ионов смассой порядка 200 а.
е. м. позволяет улучшить точность определения частоты от десятковмиллиГерц до 6-8 миллиГерц при полном времени возбуждения 2 секунды.24Рисунок 2.4: Схема подачи сигнала квадрупольного возбуждения при использованииметода Рамзи. Произведение амплитуды на длительность импульса одинаково в обоихслучаях. При использовании стандартного непрерывного возбуждения амплитудой 0,04 Впри 1 с длительности в схеме Рамзи заменяется на 2 импульса, длительностью по 0,1 самплитудой 0,2 В.Рисунок 2.5: Времяпролетный резонанс для иона 243 16 + на установке TRIGATRAPпри = 2 × 0.2 и 0 = 2 .252.2Метод Фурье-преобразованияВ процессе движения иона внутри ловушки, он попеременно приближается и удаляетсяк соответствующим стенкам. Если разделить электрод ловушки на несколько сегментов, тона каждом из них появится заряд изображения, который при движении иона будет изменяться.Движение иона или облака из нескольких ионов в ловушке представляет собой вращение электрического монополя и может быть разложено на вращательное движение диполяи двух монополей, см.
рис. 2.6 [6, 21]. Для простоты рассмотрим изменение зарядов изображения на бесконечных параллельных пластинах, между которыми движется ион.Рисунок 2.6: Простая модель колебаний облака ионов между двумя параллельнымибесконечными пластинами. Вращение точечного заряда может быть разложено навращение диполя и пары монополей с той же частотой.В случае определения частоты движения облака ионов можно непосредственно подключить усилитель к электродам (см. рисунок 2.7). В этом случае реализуется метод широкополосной схемы детектирования.Сложным моментом является необходимость детектирования очень малых сигналов.Отношение1<2не может быть больше, так как ион движется внутри ловушки, к тому-же сильное увеличение радиуса траектории иона приводит к изменению частоты его движения в связи снарастающим с расстоянием от центра ловушки отклонением магнитного и электрическогополей от оптимальной формы распределения.Рисунок 2.7: Принципиальная схема широкополосного детектирования зарядаизображения и обработки методом преобразования Фурье.
Подобная технология внедренана цилиндрической подготовительной ловушке установки TRIGA-TRAP.Так же увеличение числа ионов в облаке более нескольких десятков приводит к локальному искажению электрического поля и сдвигу частот (см. раздел 2.4.4). Таким образомдля проведения точных измерений требуется применение более чувствительных методик.26Одной из таких методик является узкополосная детекция (см. рис. 2.8). В этой методике производится подключение электродов ловушки к первичной обмотке трансформатора.Параллельно считывающим электродам подключаются варикапы, подстраиваемая емкостькоторых (с учетом емкости монтажа и самих сегментных электродов) и индуктивностипервичной обмотки образуют колебательный контур, который позволяет выделить узкуюполосу частот, в которой и ищется пик, соответствующий частоте движения иона.Ко вторичной обмотке подключается предусилитель, усилитель и системы для произведения Фурье-преобразования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
