В Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ разработана криогенная газонаполненная ловушка нового типа, особым качеством которой является ее универсальность. Устройство предназначено для охлаждения и сепарации продуктов ядерных реакций и последующего их анализа. Такая ловушка служит ключевым элементом новой установки ЛЯР ОИЯИ для прецизионного, то есть сверхточного, измерения масс ядер тяжелых и сверхтяжелых элементов. Сейчас конструкция проходит стендовые испытания. В будущем новое оборудование поможет ученым ОИЯИ в изучении физических и химических свойств сверхтяжелых элементов Таблицы Менделеева.
Такие ловушки получили широкое распространение в экспериментальной ядерной физике и радиохимии в последние десятилетия благодаря своему относительно короткому времени сепарации и высокой эффективности. Образующиеся в мишени ядра имеют высокую энергию, несколько десятков МэВ, и проводить их анализ при таких энергиях невозможно.
Принцип работы газовой ловушки довольно прост. Ядра, получающиеся в реакциях, предварительно замедленные твердотельным поглотителем (если это необходимо), 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, приложенного к кольцевым электродам и направленного по оси ячейки, 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. Дальнейшее формирование пучка осуществляется с помощью регулярной электростатической или радиочастотной структуры, размещенной в вакуумном объеме, куда ионы выносятся сверхзвуковым потоком буферного газа, как показано на рисунке. В результате с помощью такой техники получается пучок низкой энергии с тепловым разбросом и эмиттансом не более 3π·мм·мрад, что создает идеальные условия для масс-спектрометрического анализа.
Криогенная газонаполненная ловушка ионов изготовлена, собрана и уже проходит стендовые испытания в ЛЯР ОИЯИ. Ловушка является ключевым элементом установки для прецизионных измерений масс ядер тяжелых и сверхтяжелых элементов и будет работать совместно с многоотражательным времяпролетным масс-спектрометром, т.н. MR-TOF-MS.
«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», — пояснил младший научный сотрудник сектора масс-спектрометрии и лазерной спектроскопии тяжелых нуклидов ЛЯР ОИЯИ Вячеслав Веденеев. Именно эта задача является одной из основных в изучении свойств сверхтяжелых элементов.
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 является 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», — сообщил Вячеслав Веденеев. Таким образом, тесты продемонстрировали, что для ловушки доступно охлаждение до температур ниже минимально необходимых, а это значит, что нежелательные компоненты точно будут отсутствовать.
К настоящему времени установка подготовлена к комплексным тестам, цель которых —измерение таких ключевых параметров, как время и эффективность экстракции ионов, заторможенных в газовой ячейке. Первый эксперимент с ней может быть проведен уже в следующем году.
По материалам ОИЯИ
