Устройство для измерения оптических и ядерных изомерных спектров изотопа торий-229

Полезная модель относится к области метрологии, в частности, к устройствам для получения оптических и ядерных изомерных спектров испускания и поглощения изотопов ²²⁹Th. Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности использования пробы, уменьшение объема использования радиоактивных материалов, уменьшение опасности накопления радиоактивных материалов, возможность использования как однозарядных, так и трехзарядных ионов тория. Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения оптических и ядерных изомерных спектров изотопов ²²⁹Th, включающем источник ионов ²²⁹Th, квадрупольную радиочастотную ионную ловушку линейной конфигурации, сверхвысоковакуумную систему, набор лазеров, спектрометр, в источник ионов ²²⁹Th введены электронная пушка для испарения и ионизации тория, предварительно осажденного на вольфрамовом стержне, а также энергетический фильтр и квадрупольный фильтр масс. 1 с.п.ф. 2 илл.

Полезная модель относится к области метрологии, в частности, к устройствам для получения оптических и ядерных изомерных спектров испускания и поглощения изотопа торий-229.

Известно устройство для измерения оптических и ядерных изомерных спектров изотопа торий-229. Устройство позволяет исследовать ионы Th⁺, полученные из металлического тория при его облучении лазером и удерживаемые в квадрупольной линейной ионной ловушке. О.А. Herrera-Sancho, M.V. Okhapkin, К. Zimmermann, С. Tamm, . Peik, A.V. Taichenachev, V.I. Yudin, P. Gowacki Two-photon laser excitation of trapped ²³² Th⁺ ions via the 402 nm resonance line, Physical Review A, 85 (3), 033402.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и применяемым в качестве прототипа является устройство для измерения оптических и ядерных изомерных спектров изотопа торий-229. Устройство позволяет исследовать ионы Th³⁺ . Для получения этих ионов используется импульсный ИАГ лазер, воздействующий на мишень. Мишень располагается с торца квадрупольной линейной ионной ловушки, используемой для удержания ионов, полученных при облучении мишени лазером. Мишень содержит торий в твердой фазе. Лазерные импульсы длительностью 5 не, с энергией 200 мкДж фокусируются на мишени в пятно диаметром 10-15 мкм. Ловушка представляет собой четыре параллельных стержня диаметром 9.5 мм, оси которых в точках пересечения с перпендикулярной им плоскостью формируют вершины квадрата со стороной 12.4 мм. С торцов ловушки установлены диафрагмы с отверстием диаметром 5 мм, расположенным коаксиально оси ловушки. Расстояние между торцевыми диафрагмами составляет 39 мм. Улавливающий потенциал подается на торцевые диафрагмы ловушки с временной задержкой, обеспечивающей максимальную эффективность улавливания целевых компонент.

С.J. Campbell, A.V. Steele, L.R. Churchill, M.V. DePalatis, D.E. Naylor, D.N. Matsukevich, A. Kuzmich, M.S. Chapman Multiply Charged Thorium Crystals for Nuclear Laser Spectroscopy, Physical Review Letters, 102, 233004 (2009).

Вышеуказанные устройства имеют общие недостатки, т.к. лазерная абляция твердой пробы в сочетании с квадрупольной ионной ловушкой линейной конфигурации характеризуется недостаточной воспроизводимостью числа отобранных ионов, низкой эффективностью использования пробы и необходимостью использования существенного объема радиоактивных материалов.

Задачей полезной модели является создание простой в управлении конструкции, обеспечивающей эффективное и воспроизводимое формирование либо однозарядных, либо трехзарядных ионов ²²⁹Th и ²³²Th, их транспортировку и фильтрацию, последующее улавливание и локализацию в области воздействия лазерного излучения для получения оптических и ядерных изомерных спектров испускания и поглощения изотопов ²²⁹Th.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности использования пробы, уменьшение объема использования радиоактивных материалов, уменьшение опасности накопления радиоактивных материалов, возможность использования как однозарядных, так и трехзарядных ионов тория.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения оптических и ядерных изомерных спектров изотопов ²²⁹ Th, включающем источник ионов ²²⁹Th, квадрупольную радиочастотную ионную ловушку линейной конфигурации, сверхвысоковакуумную систему, набор лазеров, спектрометр, в источник ионов ²²⁹ Th введены электронная пушка для испарения и ионизации тория, предварительно осажденного на вольфрамовом стержне, а также энергетический фильтр и квадрупольный фильтр масс.

Электронная пушка формирует пучок быстрых электронов, разогревающий вольфрамовый стержень, на который осажден торий, и обеспечивающий испарение тория. Атомы тория ионизируются в пучке быстрых электронов и ускоряются в направлении, противоположном движению электронов. Повышение эффективности использования пробы, уменьшение объема использования радиоактивных материалов, уменьшение опасности накопления радиоактивных материалов достигается благодаря возможности эффективной фокусировки электронного пучка в зоне нанесения малого количества радиоактивных материалов на аноде. Появление трехкратно заряженных ионов тория обусловлено энергией электронного удара, достаточной для трехкратной ионизации атомов тория. Возможность использования как однозарядных, так и трехзарядных ионов тория обеспечивается применением квадрупольного фильтра масс.

Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1, 2. На фиг. 1 схематично представлено устройство для измерения оптических и ядерных изомерных спектров изотопа торий-229, где: 1 - сверхвысоковакуумная камера, 2, 3 - сверхвысоковакуумные затворы, 4, 5 - турбомолекулярные насосы, 6 - геттерно-ионный насос, 7, 8 - манометры, 9 - резервуар с гелием, 10 - натекатель, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 - высоковакуумные окна, 18, 19, 20, 21 - лазеры для первичного охлаждения ионов ²²⁹Th, 22 - лазер для вторичного охлаждения ионов ²²⁹Th, 23 - лазер для возбуждения флюоресценции ионов ²²⁹Th, 24 - лазер с перестраиваемой длиной волны излучения для изучения часового перехода, 25 - оптический спектрометр, 26 - испаритель тория, 27 - энергетический фильтр, 28 - квадрупольный фильтр масс, 29 - квадрупольная ионная ловушка линейной конфигурации, 30 - вторично-электронный умножитель.

На фиг. 2 схематично представлен испаритель тория 26, где: 31 - вольфрамовый стержень (анод), 32 - мишень, содержащая осажденный торий, 33 - экранирующий электрод электронной пушки, 34 - нагреваемый катод электронной пушки, 35 - система электродов, фокусирующих пучок ионов.

Устройство работает следующим образом.

Необходимое давление в вакуумной камере 1 (фиг. 1) обеспечивается турбомолекулярными насосами 4 и 5 и геттерно-ионным насосом 6. Коммутация потоков обеспечивается сверхвысоковакуумными затворами 2 и 3. Для понижения давления в системе используется гелий, содержащийся в резервуаре 9 и напускаемый в систему через натекатель 10.

Для формирования исходного пучка ионов тория используется испаритель 26. Мишень 32 (фиг. 2), содержащая торий, осажденный на вольфрамовом стержне (аноде) 33, испаряется при нагревании анода пучком электронов энергией 0.6-1 кэВ, эмитируемых с нагреваемого катода электронной пушки 34, за которым находится экранирующий электрод электронной пушки 33. После испарения осуществляется транспортировка и последовательная ионизация в пучке этих электронов с повышением кратности заряда, после чего пучок формируется системой фокусирующих электродов испарителя 35.

Для фильтрации ионов по энергии в диапазоне от U₀-2 эВ до U₀ +2 эВ, где U₀ - соответствует максимуму энергетического распределения для ионов выбранной кратности заряда, и уменьшения энергии до величины менее 5 эВ, используется энергетический фильтр 27 (фиг. 1).

Для фильтрации ионов по выбранному отношению массы к заряду используется квадрупольный фильтр масс 29.

Для последовательного улавливания ионов, отфильтрованных по энергии и по отношению массы к заряду, используется квадрупольная ионная ловушка линейной конфигурации 29. Квадрупольная ионная ловушка линейной конфигурации содержит четыре цилиндрических электрода, на которые подается радиочастотное напряжение. Каждый из цилиндрических электродов разделен на три сегмента: входной сегмент, улавливающий сегмент, выходной сегмент. На каждый из сегментов может подаваться независимо свое постоянное напряжение смещения. Квадрупольная ионная ловушка линейной конфигурации работает в режиме транспортировки и режиме улавливания. В режиме транспортировки на входной и выходной сегменты подается положительное постоянное напряжение смещения 0.5-1 В, все выбранные ионы проходят через ловушку и, попадая на детектор 33, позволяют рассчитать интенсивность ионного тока, соответствующую выбранному изотопу тория выбранной кратности заряда. В режиме улавливания на входной и выходной сегменты подается дополнительное положительное постоянное напряжение смещения, позволяющее запереть в ловушке ионы, проходящие в момент подачи потенциала через ловушку. Уловленные ионы удерживаются в ловушке при поступлении буферного газа (гелия) и при достижении давления 10^-4 Торр охлаждаются до средней энергии 0.025 эВ.

Вакуумные окна 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 служат для воздействия на удерживаемые ионы лазерным излучением после загрузки и охлаждения ионов обоих изотопов тория необходимой кратности заряда. Лазеры для первичного охлаждения ионов ²²⁹Th 18, 19, 20, 21 используются для охлаждения ионов от комнатной температуры до температур порядка мК. Дальнейшее охлаждение с целью перехода системы в основное состояние и образования вигнеровского кристалла осуществляется лазером для вторичного охлаждения ионов ²²⁹Th 22. Для возбуждения флюоресценции ионов ²²⁹Th используется лазер 23. Для изучения часового перехода ионов ²²⁹Th используются лазер с перестраиваемой длиной волны 24 и оптический спектрометр 25.

Устройство для измерения оптических и ядерных изомерных спектров изотопа торий-229, включающее источник ионов ²²⁹Th, квадрупольную радиочастотную ионную ловушку линейной конфигурации, сверхвысоковакуумную систему, набор лазеров, спектрометр, отличающееся тем, что в источник ионов ²²⁹Th введены электронная пушка для испарения и ионизации тория, предварительно осажденного на вольфрамовом стержне, а также энергетический фильтр и квадрупольный фильтр масс.

РИСУНКИ