Криогенную газонаполненную ловушку ионов создали в ОИЯР | Новости науки

Ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне разработали новую модель криогенной газонаполненной ловушки. Универсальное устройство предназначено для охлаждения, сепарации продуктов ядерных реакций и последующего их анализа. Прибор поможет изучать физические и химические свойства сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева.

Такая ловушка служит ключевым элементом новой установки лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) для прецизионного, то есть сверхточного, измерения масс ядер тяжелых и сверхтяжелых элементов. Сейчас конструкция проходит стендовые испытания, рассказали в пресс-службе ОИЯИ.

Газовая ловушка работает так: ядра, получающиеся в реакциях, при необходимости замедленные твердотельным поглотителем, тормозятся в газовой ячейке, заполненной гелием. Давление в газовой ячейке зависит от энергии вторичных пучков и может изменяться в пределах от 100 до 1000 мбар. При торможении и рекомбинации в гелии сохраняются только одно- или двухзарядные ионы. С помощью небольшого постоянного ускоряющего электрического напряжения ионы выводятся в вакуум в виде пучка через сверхзвуковое сопло, установленное в торце ячейки.

К электродам цилиндрической и конусной части ячейки одновременно прикладывается и радиочастотное напряжение, препятствующее попаданию ионов на электроды. В дальнейшем пучок формируется с помощью регулярной электростатической или радиочастотной структуры, размещенной в вакуумном объеме, куда ионы выносятся сверхзвуковым потоком буферного газа. В результате с помощью такой техники получается пучок низкой энергии с тепловым разбросом и эмиттансом не более 3π·мм·мрад. Это создает идеальные условия для масс-спектрометрического анализа.

Криогенная газонаполненная ловушка ионов уже проходит стендовые испытания в ЛЯР ОИЯИ. Ловушка стала ключевым элементом установки для прецизионных измерений масс ядер тяжелых и сверхтяжелых элементов и будет работать совместно с многоотражательным времяпролетным масс-спектрометром (MR-TOF-MS).

Ловушку могут установить на новом ускорителе в ОИЯИ, и с ее помощью можно будет точно измерять массы изотопов.

«Прецизионное измерение массы позволяет определить полную энергию связи ядра – интегральную характеристику всех атомных и ядерных сил, что может стать ключом к решению задач фундаментальной физики как в микро-, так и в макромире», — рассказал младший научный сотрудник сектора масс-спектрометрии и лазерной спектроскопии тяжелых нуклидов ЛЯР ОИЯИ Вячеслав Веденеев.

По словам ученого, преимущество этой ловушки состоит в том, что, во-первых, отсутствует зависимость от химических и физических свойств нуклидов, пучки которых формируются в ловушке. Во-вторых, значительно более короткое время экстракции (порядка десятков миллисекунд) по сравнению с твердотельным или жидким поглотителем (секунды). В-третьих, нет необходимости в специальном источнике ионов. И, наконец, потенциально большая эффективность преобразования потока продуктов реакций с тяжелыми ионами при энергиях 5-10 МэВ/нуклон в пучок низкой энергии (до 40 %).

Заряженные ионы, проходящие через камеру, тормозятся и практически останавливаются примерно в центре камеры. Дальше на них действует сила электростатического поля многоэлектродной системы. Дополнительно движение осуществляется за счет движения газа. Затем газ гелий, с практически «вмороженными» ионами, выходит через сопло Лаваля в виде сверхзвуковой струи в камеру дифференциальной откачки, а ионы движутся по транспортировочному квадруполю в систему анализа и регистрации. Большим плюсом ученые считают то, что ионы не рекомбинируют полностью, а лишь заполняют часть электронной оболочки таким образом, что остаются лишь ионы с зарядовыми числами +1 и +2. Это преимущество позволяет избежать необходимости дополнительной ионизации.

«Первые тесты криогенной системы показали, что ловушка может охлаждаться до температуры 30 К, что составляет примерно -243 °С. Также был выполнен спектральный анализ остаточных газов в объеме ловушки и продемонстрировано уменьшение концентрации примесей при охлаждении газа. Было подтверждено, что основную часть газов составляет гелий, а остальные газы, составляющие воздушную смесь, выморожены», — отметил Вячеслав Веденеев.

Тесты показали, что для ловушки доступно охлаждение до температур ниже минимально необходимых, а это значит, что нежелательные компоненты точно будут отсутствовать. Первый эксперимент с ней может пройти уже в следующем году.