RFQ охладитель луча - RFQ beam cooler - Wikipedia

А радиочастотный квадрупольный (RFQ) охладитель луча это устройство для охлаждение пучком частиц, особенно подходит для ионные пучки. Понижает температуру пучок частиц за счет уменьшения рассеивания энергии и эмиссия, эффективно увеличивая его яркость (блеск ). Преобладающим механизмом охлаждения в этом случае является охлаждение буферным газом, при котором луч теряет энергию из-за столкновений с легким, нейтральным и инертным газом (обычно гелий ). Охлаждение должно происходить в ограничивающем поле, чтобы противодействовать тепловой диффузии, возникающей в результате столкновений ионов с атомами.[нужна цитата ]

В квадрупольный масс-анализатор (а радиочастотный квадруполь используется в качестве массового фильтра) был изобретен Вольфгангом Полем в конце 1950-х - начале 60-х годов в Боннский университет, Германия. Пол разделил 1989 год Нобелевская премия по физике за его работу. Образцы для масс-анализа ионизируются, например, лазером (матричная лазерная десорбция / ионизация ) или разряд (электроспрей или же индуктивно связанная плазма ), а результирующий луч проходит через RFQ и «фильтруется» путем сканирования рабочих параметров (в основном амплитуды RF). Это дает масс-спектр или отпечаток пальца образца. Анализаторы остаточных газов также используют этот принцип.

Применение ионного охлаждения в ядерной физике

Несмотря на свою долгую историю, высокая чувствительность и точность измерения массы из атомные ядра продолжают оставаться очень важными областями исследований для многих отраслей физика. Эти измерения не только обеспечивают лучшее понимание ядерных структур и ядерных сил, но также дают представление о том, как материя ведет себя в некоторых из самых суровых природных условий. На таких объектах, как ИЗОЛЬДА в ЦЕРН и ТРИУМФ в Ванкувере, например, методы измерения теперь распространяются на короткоживущие радионуклеары, которые естественным образом встречаются только внутри взрывающихся звезд. Их короткие периоды полураспада и очень низкая производительность даже на самых мощных объектах требуют очень высокой чувствительности таких измерений.

Ловушки Пеннинга, центральный элемент в современных высокоточных высокочувствительных установках для измерения массы, позволяет измерять одиночные ионы с точностью до 1 части из 10 ^ 11. Однако для достижения этой цели в ловушках Пеннинга необходимо очень точно доставить измеряемый ион и с уверенностью, что это действительно нужный ион. Это предъявляет жесткие требования к устройству, которое должно извлекать атомное ядро ​​из мишени, в которой оно было создано, отсортировать его от множества других ионов, испускаемых мишенью, а затем направить его так, чтобы оно могло быть захвачено в ловушка измерения.

Было показано, что охлаждение этих ионных пучков, особенно пучков радиоактивных ионов, резко повышает точность и чувствительность измерения массы за счет уменьшения фазовое пространство рассматриваемых ионных сборов. При использовании легкого нейтрального фонового газа, как правило, гелия, заряженные частицы, исходящие из действующих сепараторов массы, подвергаются ряду мягких столкновений с молекулами фонового газа, что приводит к частичным потерям кинетической энергии ионов и снижению общей энергии ионного ансамбля. Однако для того, чтобы это было эффективным, ионы должны удерживаться с помощью поперечных радиочастотных квадрупольных (RFQ) электрических полей во время процесса столкновительного охлаждения (также известного как буферный газ охлаждение). Эти охладители RFQ работают по тем же принципам, что и квадрупольные ионные ловушки и было показано, что они особенно хорошо подходят для охлаждения буферного газа, учитывая их способность к полному удержанию ионов, имеющих большой разброс скоростей, соответствующий кинетической энергии до десятков электрон-вольт. Ряд охладителей RFQ уже был установлен на исследовательских центрах по всему миру, и список их характеристик можно найти ниже.

Список объектов, на которых установлены охладители RFQ

ИмяВходной лучВходной эмиттансДлина кулерар0ВЧ напряжение, частота, постоянный токДиапазон массОсевое напряжениеДавлениеКачество выходного лучаИзображений
Колетт[1]

[2]

Пучок ISOLDE 60 кэВ замедляется до ≤ 10 эВ~ 30 π-мм-мрад504 мм (15 сегментов, гальванически развязаны)7 ммЧастота: 450-700 кГц–0,25 В / см0,01 мбар HeРазогнался до 59,99 кэВ; поперечный эмиттанс 8 π-мм-мрад при 20 кэВCOLETTE1

COLETTE2

Охладитель LPC[3]Балки типа СПИРАЛЬНЫЙДо ~ 100 π-мм-мрад468 мм (26 сегментов, с гальванической развязкой)15 ммRF: до 250 Vp, Freq: 500 кГц - 2,2 МГц––до 0,1 мбар–LPC1

LPC2

Охладитель SHIPTRAP[4]

[5][6]

Лучи типа SHIP 20–500 кэВ / А–1140 мм (29 сегментов, гальванически развязаны)3.9 ммRF: 30–200 Vpp, Freq: 800 кГц - 1,2 МГцдо 260 тыПеременная: 0,25 - 1 В / см~ 5 × 10-3 мбар He–SHIPTRAP1

SHIPTRAP2

Кулер JYFL[7]

[8]

Луч типа ИГИСОЛ на 40 кэВДо 17 π-мм-мрад400 мм (16 сегментов)10 ммRF: 200 Vp, Freq: 300 кГц - 800 кГц–~ 1 В / см~ 0,1 мбар He~ 3 π-мм-мрад, разброс по энергии <4 эВJYFL1

JYFL2

JYFL3

Охладитель MAFF[9]Пучок 30 кэВ замедлился до ~ 100 эВ–450 мм30 ммRF: 100–150 Vpp, частота: 5 МГц–~ 0,5 В / см~ 0,1 мбар HeЭнергетический разброс = 5 эВ, Эмиттанс при 30 кэВ: от = 36 π-мм-мрад до eT = 6 π-мм-мрад–
ORNL Кулер[10]Отрицательные РИ 20–60 кэВ замедляются до <100 эВ~ 50 π-мм-мрад (@ 20 кэВ)400 мм3,5 ммВЧ: ~ 400 В, частота: до 2,7 МГц--до ± 5 кВ на конических стержнях~ 0,01 мбарРазброс энергии ~ 2 эВORNL1

ORNL2

ORNL3

LEBIT Кулер[11]Лучи постоянного тока 5 кэВ––––––~ 1 × x10−1 мбар He (секция высокого давления)–LEBIT1

LEBIT2

LEBIT3

ЭТО КРУТО[12]

[13]

Луч ISOLDE 60 кэВдо 20 π-мм-мрад800 мм (с использованием сегментированных клиновых электродов постоянного тока)20 ммВЧ: до 380 В, частота: 300 кГц - 3 МГц10–300 ед.~ 0,1 В / см0,01 - 0,1 мбар He–ISCOOL1

ISCOOL2

ISCOOL3

ISCOOL4

Охладитель ISOLTRAP[14]Луч ISOLDE 60 кэВ–860 мм (сегментированный)6 ммВЧ: ~ 125 В, частота: ~ 1 МГц.––~ 2 × 10-2 мбар Heelong ≈ 10 эВ мкс, etrans ≈ 10p мм мрад.ISOLTRAP1

ISOLTRAP2

TITAN RFCT[15]непрерывный пучок ISAC 30–60 кэВ–––RF: 1000 Vpp, Freq: 300 кГц - 3 МГц–––6 π-мм-мрад при энергии извлечения 5 кэВТИТАН1

ТИТАН2

ТИТАН3

TRIMP Cooler[16]TRIMP балки–660 мм (сегментированный)5 ммRF = 100 Vp, Freq .: до 1,5 МГц6 <А <250--до 0,1 мбар--TRIMP1

TRIMP2

TRIMP3

Охладитель SPIG Leuven[17]Балки IGISOL–124 мм (секступольная стержневая структура)1,5 ммRF = 0–150 Vpp, частота: 4,7 МГц––~ 50 кПа HeМассовая разрешающая способность (MRP) = 1450SPIG1

SPIG2

SPIG3

Охладитель Argonne CPT–––––––––CPT Cooler1

CPT Cooler2

SLOWRI кулер––600 мм (сегментированная шестиконечная стержневая структура)8 ммRF = 400 Vpp, частота: 3,6 МГц––~ 10 мбар He––
–––––––––––

Смотрите также

Квадрупольный масс-анализатор

Рекомендации

  1. ^ М. Севц; К. Бачелет; Н. Шовен; К. Гено; Э. Леччиа; Д. Ле Ду и Д. Ланни (2005). «Торможение и охлаждение пучков тяжелых ионов: проект COLETTE». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 240 (1–2): 55–60. Bibcode:2005НИМПБ.240 ... 55С. Дои:10.1016 / j.nimb.2005.06.088.
  2. ^ Дэвид Ланни; Кирилл Бачелет; Селин Гено; Сильвен Генри и Майкл Сьютц (2009). «COLETTE: линейный охладитель пучка Пауля для масс-спектрометра MISTRAL». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция А. 598 (2): 379–387. Bibcode:2009NIMPA.598..379L. Дои:10.1016 / j.nima.2008.09.050.
  3. ^ Гийом Дариус (2004). «Etude et Mise en oeuvre d'un Dispositif для Mesure de Paramètre de Correlation Angulaire dans la Désintégration du Noyau Hélium 6». Кандидатская диссертация. Université de Caen / Basse-Normandie, Франция. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  4. ^ С. Рахаман; М. Блок; Д. Аккерманн; Д. Бек; А. Чаудхури; С. Елисеев; Х. Гейссель; Д. Хабс; Ф. Херфурт; F.P. Heßberger; и другие. (2006). «Он-лайн ввод в эксплуатацию SHIPTRAP». Международный журнал масс-спектрометрии. 251 (2–3): 146–151. Bibcode:2006IJMSp.251..146R. Дои:10.1016 / j.ijms.2006.01.049.
  5. ^ Йенс Диллинг (2001). «Прямые измерения массы экзотических ядер с помощью SHIPTRAP и ISOLTRAP». Кандидатская диссертация. Гейдельбергский университет, Германия. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  6. ^ Даниэль Родригес Рубиалес (2001). «Пакетировщик запросов предложений для накопления и охлаждения тяжелых радионуклидов в SHIPTRAP и высокоточных измерений массы нестабильных изотопов Kr в ISOLTRAP». Кандидатская диссертация. Университет Валенсии, Испания. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  7. ^ А. Йокинен; Дж. Уикари; А. Ниеминен и Дж. Эйстё (2002). «Первые охлаждаемые пучки из проекта ионного охладителя и ловушки JYFL». Ядерная физика A. 701 (1–4): 557–560. Bibcode:2002НуФА.701..557J. Дои:10.1016 / S0375-9474 (01) 01643-8.
  8. ^ Арто Ниеминен (2002). «Манипуляция пучками радиоактивных ионов низкой энергии с помощью охладителя RFQ; приложения к коллинеарной лазерной спектроскопии». Кандидатская диссертация. Университет Ювяскюля, Ювяскюля, Финляндия. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  9. ^ Дж. Серипо; Д. Хабс; С. Хайнц; Дж. Ноймайр; П. Тирольф; А. Вильфарт и Ф. Войт (2003). «MAFFTRAP: система ионной ловушки для MAFF». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 204: 512–516. Bibcode:2003НИМПБ.204..512С. Дои:10.1016 / S0168-583X (02) 02123-7.
  10. ^ Ю. Лю; J.F. Liang G.D. Alton; J.R. Beene; Z. Zhou; Х. Волльник (2002). «Столкновительное охлаждение пучков отрицательных ионов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 187 (1): 117–131. Bibcode:2002НИМПБ.187..117Л. Дои:10.1016 / S0168-583X (01) 00844-8.
  11. ^ Г. Боллен; С. Шварц; Д. Дэвис; П. Лофи; Д. Моррисси; Р. Рингл; П. Шури; T. Sun; Л. Вайсман (2004). «Охлаждение пучка на установке низкоэнергетических пучков и ионных ловушек в ННЦЯ / МГУ». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A. 532 (1–2): 203–209. Bibcode:2004НИМПА.532..203Б. Дои:10.1016 / j.nima.2004.06.046.
  12. ^ И. Подадера Алиседа; Т. Фритьофф; Т. Джайлз; А. Йокинен; М. Линдроос и Ф. Венандер (2004). «Проектирование ионного охладителя и пакетирующего устройства RFQ второго поколения (RFQCB) для ISOLDE». Ядерная физика A. 746: 647–650. Bibcode:2004НуФА.746..647П. Дои:10.1016 / j.nuclphysa.2004.09.043.
  13. ^ Иван Подадера Алиседа (2006). «Новые разработки по приготовлению охлажденных и сгруппированных пучков радиоактивных ионов на установках ISOL: проект ISCOOL и охлаждение с вращающимися стенками». Кандидатская диссертация. ЦЕРН, Женева, Швейцария. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ Т. Дж. Джайлз; Р. Катералл; В. Федосеев; У. Георг; Э. Куглер; Дж. Леттри и М. Линдроос (2003). «Спектрометр высокого разрешения ISOLDE». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 204: 497–501. Bibcode:2003НИМПБ.204..497Г. Дои:10.1016 / S0168-583X (02) 02119-5.
  15. ^ Дж. Диллинг; П. Брико; М. Смит; Х. -Дж. Клюге; и другие. (Коллаборация TITAN) (2003). «Предлагаемая установка TITAN в ISAC для очень точных измерений массы сильно заряженных короткоживущих изотопов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 204 (492–496): 492–496. Bibcode:2003НИМПБ.204..492Д. Дои:10.1016 / S0168-583X (02) 02118-3.
  16. ^ Эмиль Трайков (2006). «Производство радиоактивных пучков для улавливания атомов». Кандидатская диссертация. Университет Гронингена, Нидерланды. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  17. ^ П. Ван ден Берг; С. Франчу; Дж. Гентенс; M. Huyse; Ю.А. Кудрявцев; А. Пехачек; Р. Раабе; И. Рейзен; П. Ван Дуппен; Л. Вермерен; А. Wiihr (1997). «SPIG, повышение эффективности и качества пучка ионопровода на основе поточного сепаратора изотопов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 126 (Страницы 194–197).

Библиография

  • Ф. Херфурт; Дж. Диллинг; А. Келлербауэр; и другие. (2001). «Линейная радиочастотная ионная ловушка для накопления, группировки и улучшения эмиттанса пучков радиоактивных ионов». Ядерные инструменты и методы A. 469 (2): 254–275. arXiv:nucl-ex / 0011021. Bibcode:2001NIMPA.469..254H. Дои:10.1016 / S0168-9002 (01) 00168-1. S2CID  14155609.
  • Я. Шенфельдер; Д. Аккерманн; Х. Бакке; и другие. (2002). «SHIPTRAP - установка для улавливания и хранения тяжелых радионуклидов в GSI». Ядерная физика A. 701 (1–4): 579–582. Bibcode:2002НуФА.701..579С. Дои:10.1016 / S0375-9474 (01) 01648-7.
  • Дж. Кларк; Р. К. Барбер; К. Будро; и другие. (2003). «Улучшения в системе ввода канадского масс-спектрометра с ловушкой Пеннинга». Ядерные инструменты и методы B. 204: 487–491. Bibcode:2003НИМПБ.204..487С. Дои:10.1016 / S0168-583X (02) 02117-1.

внешняя ссылка