Диссертация (1149639), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Применение трансформатора позволяет значительно увеличить соотношение сигнал-шум в интересующей нас полосе частот.Рисунок 2.8: Схема подключения усилителя при узкополосном считывании зарядаизображения.Для улучшения характеристик согласующий трансформатор размещается непосредственно на выходе из магнита и делается на основе сверхпроводящих обмоток и, соответственно, требует охлаждения до температуры жидкого гелия 4К.Рисунок 2.9: Фурье-спектр движения шести ионов 12 5+ в ловушке.При дипольном подключении усилителя к сегментам центрального электрода для преобразовании сигнала считываются частоты движения иона в ловушке: магнетронная − и27модифицированная циклотронная + . Частота магнетронного движения намного ниже частоты модифицированного циклотронного, а значит создает намного более слабый сигнал.Поэтому на практике используется только детекция сигнала высокой частоты + .Таким образом, при использовании одного опорного иона с хорошо известной массойневозможно точно определить массу измеряемого иона при помощи формулы (2.1).
Но, таккак по теореме инвариантности (1.13)+ = − − ,а частота − практически не зависит от массы иона согласно (1.15), то, так как массаопорного иона близка к массе измеряемого, с достаточной точностью можно считать, чточастоты их магнетронного движения равны.Так же существует возможность определения и истинной циклотронной частоты методом узкополосной детекции и преобразования Фурье. При этом используется квадрупольное подключение к сегментам ловушки, то есть возбуждение не только модифицированногоциклотронного, но и магнетронного движения (см. рис. 2.10) [32].Рисунок 2.10: Схема подключения сегментов центрального электрода для ловушки прииспользовании квадрупольного считывания сигнала для Фурье-преобразования.Пример спектра сигнала при квадрупольном считывании приведен на рисунке 2.11.Особенностью методов детекции, основанных на преобразовании Фурье является ихнедеструктивность в отношении исследуемых ионов.
В принципе, для проведения измерений достаточно одного иона, находящегося в ловушке.Ширина пиков в спектре определяется, как и в случае времяпролетного ионного циклотронного резонанса временем накопления данных и равна аналогично формуле (2.7) ∼1 ,где это время накопления данных для проведения преобразования.28(2.8)Рисунок 2.11: Фурье-спектр при квадрупольном считывании сигнала при движении вловушке ионов аргона.В верхней части показан случай возбуждения только на модифицированной циклотроннойчастоте и, соответственно, при радиусе магнетронного движения много меньшим, чеммодифицированного циклотронного.В нижней части представлен спектр в случае возбуждения и на магнетронной, и намодифицированной циклотронной частоте при примерно одинаковых радиусах обоихдвижений [32].2.3Метод фазового отображенияМетод фазового отображения – это новый метод определения частот движения иона вловушке, позволяющий значительно улучшить точность их измерения.
Впервые внедренна установке SHIP-TRAP в GSI в Дармштадте [4].Метод фазового отображения основан на регистрации углового положения иона посленекоторого периода свободного движения, то есть конечной фазы его радиального движения (см. рисунок 2.12).После снятия запирающего потенциала с оконечного выходного электрода ловушки,ион под действием вытягивающего поля движется к детектору через область дрейфа. Приэтом в области убывающего магнитного поля еще сохраняется все уменьшающееся вращательное движение и в области с практически отсутствующим магнитным полем траекторииионов расходятся, но так как подобие угловых распределений сохраняется, то в плоскостидетектора получается изображение распределения ионов в сечении ловушки, но увеличенное в G раз и с постоянным малым фазовым сдвигом.29Для уменьшения погрешности при проецировании движения ионов на детектор во всейобласти дрейфа, в отличие от метода времяпролетного ионного циклотронного резонанса, создается одинаковый потенциал.
Обычно к электродам прикладывается напряжениепорядка 1,5-2,0 кВ.Рисунок 2.12: Схема движения ионов из ловушки до позиционно-чувствительногодетектора.Коэффициент увеличения имеет сложную зависимость от напряжения на вытягивающих электродах области дрейфа (см. рис. 2.13). Также увеличение зависит от соотношенияаксиальной компоненты магнитного поля в центре ловушки к напряженности в точке детекции√︃ (, 0)∼.(2.9)= ( , )Рисунок 2.13: Зависимость коэффициента увеличения проекции движения ионов вловушке на плоскость детектора от напряжения на электродах области дрейфа,измеренная на ионах 133 Cs+ на установке SHIP-TRAP.Пунктирной линией показано среднее значение увеличения.Для регистрации не только момента попадания иона на поверхность детектора,но и точного положения, которое соответствует проекции конечной точки радиально30го движения, используется детектор на основе микроканальной пластины с позиционночувствительным анодом (см.
рис. 2.14).Рисунок 2.14: Детектор на базе микроканальной пластины и позиционно-чувствительногоанода на основе двух линий задержки [22].Изображения различных движений иона приведены на рисунке 2.15.Так как коэффициент увеличения не зависит от массы иона, то по полученным изображениям можно судить о соотношении радиусов движения различных ионов. Таким образомможно легко определить параметры начального движения ионов после захвата их в измерительную ловушку и настроить активное подавление этого движения.Рисунок 2.15: Распределения ионов на позиционно-чувствительном детекторе приразличных фазах движения:а) магнетронного; б) модифицированного циклотронного после его конверсии подачейквадрупольного импульса в магнетронное; в) модифицированного циклотронного; г)совокупности магнетронного и модифицированного циклотронного движений.Как видно из рисунке 2.15, позиционно-чувствительный детектор позволяет легко определить фазу медленного магнетронного движения, но не быстрого циклотронного.
К томуже сильно различный характер изображения движений позволяет точно настроить момент31полной конверсии магнетронного движения в модифицированное циклотронное по минимальному размеру изображения пятна.Проекции изображения захваченного пятна, представляющего собой распределениеточек, зарегистрированных позиционно-чувствительным детектором за несколько минут,представлены на рисунке 2.16. Эти распределения можно аппроксимировать распределением Гаусса.
При этом за погрешность положения берется погрешность аппроксимациицентра распределения, а размер пятна характеризуется его шириной.Рисунок 2.16: Распределение зарегистрированных ионов и проекции распределения накоординатные оси.В данном случае показана проекция ионов 40 Ca+ , находящихся в центре ловушки наустановке SHIP-TRAP. В данном случае приведено распределение 1336 ионов, времянакопления данных – 5 минут.Размер пятна, в свою очередь, в наибольшей степени определяется тепловым движением ионов и, соответственно, степенью термализации в подготовительной ловушке в процессе охлаждения (см.
раздел 1.2.4). Также размер пятна увеличивается от взаимодействияионов с остаточным газом внутри ловушки.2.3.1Независимое определение частот движения иона в методе фазового отображенияПри использовании метода фазового отображения возможно регистрировать фазу движения иона в ловушке. Если определить положение иона сразу после загрузки и посленекоторого времени движения иона в ловушке – времени накопления фазы, можно определить полную фазу, накопленную ионом при движении за это время.С одной стороны за это время ион в процессе движения пройдет "угловой"путь вΦ = 2 · ,32(2.10)Рисунок 2.17: Схема определения угла между пятнами проекции ионов.Изображение проекции ионов, находящихся в центре ловушки и проекции магнетронногодвижения иона при увеличении времени накопления фазы на 80 мкс на каждом шаге.
Вданном случае ионы 133 Cs+ движутся на магнетронном радиусе около 0,5 мм наустановке SHIP-TRAP [5].где – частота движения иона. Но с другой стороны, исходя из начального и конечногоположений иона (см. рис. 2.17) с точностью до полного числа оборотов , полную фазудвижения можно записать какΦ = 2 · + ,(2.11)и тогда частота движения иона выражается, как=2 · + .2 · (2.12)Так как положение пятна изображения удобнее всего получать через аппроксимациюего проекций, то получая его декартовы координаты на плоскости детектора, можно выразить угол между центрами изображений как⃒(︂ )︂(︂ )︂⃒⃒ ⃒⃒ = ⃒⃒arctan− arctan, 0≤≤(2.13) ⃒и⃒(︂ )︂(︂ )︂⃒⃒ ⃒⃒⃒ = 2 − ⃒arctan− arctan, ⃒ ≤ ≤ 2,(2.14)где( ± , ± ) и33( ± , ± )(2.15)– координаты относительно проекции центра движения (1) с учетом погрешностей начальной и конечной точек, соответственно (2 и 3 на рисунке 2.17).Погрешность определения частоты равнаΔ =Δ2(2.16)с учетом уравнений (2.13), (2.14) и (2.15)(︀ )︀2 arcsin ΔΔ≈иΔ =√︂∑︀2[()2 + ()2 ], =.(2.17)22 Временные диаграммы независимого определения магнетронной и модифицированнойциклотронной частоты движения иона в ловушке методом фазового отображения показанына рисунке 2.18.Рисунок 2.18: Тайминги, схема а.После загрузки иона в ловушку и подавления начального движения иона подачей дипольного импульса на соответствующей частоте на шаге 1 начинается непосредственнопроцесс измерения.
На шаге 2 производится дипольное возбуждение. Радиус движения,до которого производится из соображений минимизации погрешности Δ (см. уравнения (2.17)). Радиус движения выбирается наибольшим, на пределе начала искажения частот вследствие влияния негармоничности электрического и неоднородности магнитногополей.Для определения начальной фазы производится выпуск ионов сразу после возбуждения,а для получения конечной добавляется время накопления фазы перед открытием ловушки.Если в случае определения медленного магнетронного движения − можно регистрировать непосредственно саму фазу движения, то для быстрого модифицированного циклотронного движения + напрямую это не получается (см. рис. 2.15 а) и в)) и требуетсядополнительный шаг.При измерении фазы модифицированного циклотронного движения + производитсяконверсия его в медленное магнетронное приложением квадрупольного возбуждения наистинной циклотронной частоте (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
