В Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ разработана криогенная газонаполненная ловушка ионов 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.

Сотрудники Сектора масс-спектрометрии и лазерной спектроскопии тяжелых нуклидов ЛЯР ОИЯИ, работающие над созданием ловушки

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 ниже. 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.

За прототип криогенной газовой ловушки была взята аналогичная установка, созданная в GSI (Дармштадт), но по сравнению с этим аналогом в ней был сделан целый ряд технологических усовершенствований. Данная ловушка может быть установлена 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», — 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.

По словам ученого, преимущество данной 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, отсутствует необходимость 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 %).

Технической особенностью описываемой техники являются высокие требования к чистоте буферного газа (гелий), которая лимитирует уровень примесей не
более 10^-9 ат/ат. Это, в свою очередь, приводит к необходимости соблюдения строжайших требований сверхвысоковакуумной гигиены. Но благодаря использованию криогенной технологии отсутствует необходимость очищать буферный газ до уровня 1 ppb, так как при температуре 40 К все нежелательные примеси вымораживаются, и находятся в твердой фазе, и, следовательно, не могут повлиять на чистоту газа.

Общий вид ловушки с габаритными размерами в разрезе представлен на рисунке. Газовая ячейка 3, охлаждаемая до 40 К, помещена в вакуумный объем 2. В газовой ячейке размещены: цилиндрическая восьмиэлектродная система транспорта 4 и радиочастотный многоэлектродный конус 5. На выходе ячейки установлено сопло Лаваля 7, которое формирует из смеси газа и ионов сверхзвуковую струю и направляет ее в объем, где нейтральный газ эвакуируется системой откачки, а пучок ионов радиочастотной квадрупольной системой транспорта 8 переносится в следующий объем, где следующая квадрупольная система формирует из непрерывного пучка ионов сгустки (банчи).

Общий вид криогенной газовой ионной ловушки. Позиции на рисунке: 1 – входное окно; 2 – внешняя теплая вакуумная оболочка; 3 – внутренняя холодная камера; 4 – цилиндрические электроды постоянного электрического поля; 5 – радиочастотный многоэлектродный конус; 6 – головная часть криорефрижератора; 7 – сверхзвуковое сопло; 8 – транспортный радиочастотный квадруполь

Криогенная газонаполненная ловушка ионов состоит из двух вакуумных камер, вложенных коаксиально одна в другую (по принципу «термоса»). Вакуумный промежуток между камерами создает хорошую термоизоляцию. Внешняя камера (теплая) внутри имеет отражающее покрытие для уменьшения лучистой тепловой нагрузки. Внутренняя, холодная, камера покрыта слоем меди для лучшего температурного распределения. Через нее прокачивается рабочий газ – сверхчистый гелий 99,99999 %, он не вступает в реакции с налетающими ядрами, но при многократных соударениях с ними тормозит движение последних. Ловушку необходимо охладить до низких температур, около 40 К (-233,1 °С) для вымораживания остаточного газа и органических соединений.

Основные параметры криогенной газовой ионной ловушки:

• Длина холодной газовой ячейки – 300 мм.
• Диаметр – 250 мм.
• Рабочая температура газа – Т = 40 К.
• Давление газа при рабочей температуре – 5-7 мбар.
• Эффективность торможения ионов с энергиями ~ 0,1 МэВ/нуклон в ячейке ≥ 70 %.
• Максимальный поток газа из ячейки – 10 Торр∙л/с.
• Эффективность экстракции ~ 30 %.
• Время экстракции ~ 25 мс.

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.

Младший научный сотрудник сектора масс-спектрометрии и лазерной спектроскопии ЛЯР ОИЯИ Вячеслав Веденеев

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.