RFQ paprskový chladič - RFQ beam cooler - Wikipedia
A vysokofrekvenční čtyřpólový (RFQ) chladič paprsku je zařízení pro chlazení paprskem částic, zvláště vhodné pro iontové paprsky. Snižuje teplotu a paprsek částic snížením jeho disperze energie a emise, což účinně zvyšuje jeho jas (oslnivost ). Převládajícím mechanismem pro chlazení je v tomto případě chlazení nárazníkovým plynem, kdy paprsek ztrácí energii z kolizí s lehkým, neutrálním a inertním plynem (obvykle hélium ). Chlazení musí probíhat v uzavřeném poli, aby se zabránilo tepelné difúzi, která je výsledkem srážek iontů s atomy.[Citace je zapotřebí ]
The kvadrupólový hmotnostní analyzátor (A vysokofrekvenční kvadrupól použitý jako hromadný filtr) vynalezl Wolfgang Paul na konci padesátých let do začátku šedesátých let na University of Bonn, Německo. Paul sdílel rok 1989 Nobelova cena za fyziku za jeho práci. Vzorky pro hromadnou analýzu jsou ionizovány, například laserem (laserová desorpce / ionizace za pomoci matice ) nebo výboj (elektrosprej nebo indukčně vázaná plazma ) a výsledný paprsek je odeslán přes RFQ a „filtrován“ skenováním provozních parametrů (hlavně RF amplitudy). To poskytuje hmotnostní spektrum nebo otisk prstu vzorku. Tento princip také používají analyzátory zbytkového plynu.
Aplikace iontového chlazení na jadernou fyziku
Přes svou dlouhou historii, vysoce citlivý, vysoce přesný hmotnostní měření z atomová jádra i nadále velmi důležitými oblastmi výzkumu pro mnoho oborů fyzika. Tato měření nejen poskytují lepší porozumění jaderným strukturám a jaderným silám, ale také nabízejí pohled na to, jak se chová hmota v nejnáročnějších prostředích přírody. V zařízeních, jako je ISOLDE na CERN a TRIUMF například ve Vancouveru se nyní měřící techniky rozšiřují i na radionuklea s krátkým poločasem rozpadu, které se přirozeně vyskytují pouze ve vnitřku explodujících hvězd. Jejich krátký poločas a velmi nízká rychlost výroby i v těch nejsilnějších zařízeních vyžadují nejvyšší citlivost těchto měření.
Penningové pasti, ústřední prvek v moderních vysoce přesných a vysoce citlivých instalacích měření hmotnosti, umožňuje měření přesnosti blížící se 1 dílu v 10 ^ 11 na jednotlivých iontech. K dosažení tohoto Penningova pasti však musí být iont, který má být měřen, dodáván velmi přesně as jistotou, že se skutečně jedná o požadovaný iont. To ukládá přísné požadavky na aparát, který musí vyřadit atomové jádro z cíle, ve kterém bylo vytvořeno, seřadit jej z nesčetných dalších iontů, které jsou z cíle emitovány, a poté jej nasměrovat, aby mohl být zachycen v měřicí past.
Ukázalo se, že chlazení těchto iontových paprsků, zejména radioaktivních iontových paprsků, drasticky zvyšuje přesnost a citlivost měření hmotnosti snížením fázový prostor příslušných iontových sbírek. Pomocí lehkého neutrálního plynu na pozadí, typicky hélia, nabité částice pocházející z on-line odlučovačů hmoty procházejí řadou měkkých srážek s molekulami plynu na pozadí, což vede k částečným ztrátám kinetické energie iontů a ke snížení celkové energie iontového souboru. Aby to však bylo účinné, musí být ionty zadrženy pomocí příčných radiofrekvenčních kvadrupólových (RFQ) elektrických polí během procesu kolizního chlazení (také známého jako vyrovnávací plyn chlazení). Tyto RFQ chladiče fungují na stejných principech jako čtyřpólové iontové pasti a ukázalo se, že jsou zvláště vhodné pro chlazení vyrovnávacího plynu vzhledem k jejich kapacitě pro úplné zadržení iontů majících velkou disperzi rychlostí, odpovídající kinetickým energiím až do desítek elektronvoltů. Řada chladičů RFQ již byla nainstalována ve výzkumných zařízeních po celém světě a seznam jejich charakteristik naleznete níže.
Seznam zařízení obsahujících RFQ chladiče
| název | Vstupní paprsek | Vstupní emittance | Chladnější délka | R0 | RF napětí, frekvence, DC | Hmotnostní rozsah | Axiální napětí | Tlak | Vlastnosti výstupního paprsku | snímky |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Colette[1] | Paprsek 60 keV ISOLDE zpomalen na ≤ 10 eV | ~ 30 π-mm-mrad | 504 mm (15 segmentů, galvanicky odděleno) | 7 mm | Frekvence: 450 - 700 kHz | – | 0,25 V / cm | 0,01 mbar He | Zrychlil na 59,99 keV; příčná emisivita 8 π-mm-mrad při 20 keV | KOLETA 1 |
| LPC chladič[3] | Nosníky typu SPIRAL | Až do ~ 100 π-mm-mrad | 468 mm (26 segmentů, galvanicky odděleno) | 15 mm | RF: až 250 Vp, frekvence: 500 kHz - 2,2 MHz | – | – | až 0,1 mbar | – | LPC1 |
| Chladič SHIPTRAP[4] | Nosníky typu LODĚ 20–500 keV / A | – | 1140 mm (29 segmentů, elektricky izolováno) | 3,9 mm | RF: 30–200 Vpp, frekvence: 800 kHz - 1,2 MHz | až 260 u | Proměnná: 0,25 - 1 V / cm | ~ 5 × 10-3 mbar He | – | SHIPTRAP1 |
| Chladič JYFL[7] | Paprsek typu IGISOL při 40 keV | Až 17 π-mm-mrad | 400 mm (16 segmentů) | 10 mm | RF: 200 Vp, frekvence: 300 kHz - 800 kHz | – | ~ 1 V / cm | ~ 0,1 mbar He | ~ 3 π-mm-mrad, šíření energie <4 eV | JYFL1 |
| MAFF Cooler[9] | Paprsek 30 keV byl zpomalen na ~ 100 eV | – | 450 mm | 30 mm | RF: 100–150 Vpp, frekvence: 5 MHz | – | ~ 0,5 V / cm | ~ 0,1 mbar He | šíření energie = 5 eV, emise při 30keV: od = 36 π-mm-mrad do eT = 6 π-mm-mrad | – |
| ORNL Cooler[10] | 20–60 keV záporných RIB zpomaleno na <100 eV | ~ 50 π-mm-mrad (@ 20 keV) | 400 mm | 3,5 mm | RF: ~ 400 Vp, frekvence: až 2,7 MHz | -- | do ± 5 kV na zúžených tyčích | ~ 0,01 mbar | Šíření energie ~ 2 eV | ORNL1 |
| Chladič LEBIT[11] | 5 keV DC paprsků | – | – | – | – | – | – | ~ 1 × x10-1 mbar He (vysokotlaká část) | – | LEBIT1 |
| JE V POHODĚ[12] | Paprsek 60 keV ISOLDE | až 20 π-mm-mrad | 800 mm (s použitím segmentovaných DC klínových elektrod) | 20 mm | RF: až 380 V, frekvence: 300 kHz - 3 MHz | 10–300 u | ~ 0,1 V / cm | 0,01 - 0,1 mbar He | – | ISCOOL1 |
| Chladič ISOLTRAP[14] | Paprsek 60 keV ISOLDE | – | 860 mm (segmentovaný) | 6 mm | RF: ~ 125 Vp, frekvence: ~ 1 MHz. | – | – | ~ 2 × 10-2 mbar He | elong ≈ 10 eV us, etrans ≈ 10p mm mrad. | ISOLTRAP1 |
| TITAN RFCT[15] | nepřetržitý paprsek ISAC 30–60 keV | – | – | – | RF: 1000 Vpp, frekvence: 300 kHz - 3 MHz | – | – | – | 6 π-mm-mrad při extrakční energii 5 keV | TITAN1 |
| Chladič TRIMP[16] | TRIMP paprsky | – | 660 mm (segmentovaný) | 5 mm | RF = 100 Vp, frekvence: až 1,5 MHz | 6 | -- | až 0,1 mbar | -- | TRIMP1 |
| Chladič SPIG Leuven[17] | IGISOL paprsky | – | 124 mm (sextupole tyčová struktura) | 1,5 mm | RF = 0–150 Vpp, frekvence: 4,7 MHz | – | – | ~ 50 kPa He | Síla rozlišení (MRP) = 1450 | SPIG1 |
| Chladič Argonne CPT | – | – | – | – | – | – | – | – | – | Chladič CPT 1 |
| Chladič SLOWRI | – | – | 600 mm (segmentovaná šestinásobná tyčová konstrukce) | 8 mm | RF = 400 Vpp, frekvence: 3,6 MHz | – | – | ~ 10 mbar He | – | – |
| – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – |
Viz také
Kvadrupólový hmotnostní analyzátor
Reference
- ^ M. Sewtz; C. Bachelet; N. Chauvin; C. Guénaut; E. Leccia; D. Le Du & D. Lunney (2005). „Zpomalení a ochlazení paprsků těžkých iontů: projekt COLETTE“. Jaderné přístroje a metody ve výzkumu fyziky Sekce B. 240 (1–2): 55–60. Bibcode:2005 NIMPB.240 ... 55S. doi:10.1016 / j.nimb.2005.06.088.
- ^ David Lunney; Cyril Bachelet; Céline Guénaut; Sylvain Henry & Michael Sewtz (2009). „COLETTE: Lineární chladič paprsků Paul-trap pro on-line hmotnostní spektrometr MISTRAL“. Jaderné přístroje a metody ve výzkumu fyziky Sekce A. 598 (2): 379–387. Bibcode:2009 NIMPA.598..379L. doi:10.1016 / j.nima.2008.09.050.
- ^ Guillaume Darius (2004). „Etude et Mise en oeuvre d'un Dispositif pour la Mesure de Paramètre de Correlation Angulaire dans la Désintégration du Noyau Hélium 6“. Disertační práce. Université de Caen / Basse-Normandie, Francie. Citovat deník vyžaduje
| deník =(Pomoc) - ^ S. Rahaman; M. Block; D. Ackermann; D. Beck; A. Chaudhuri; S. Eliseev; H. Geissel; D. Habs; F. Herfurth; F.P. Heßberger; et al. (2006). "On-line uvedení do provozu SHIPTRAP". International Journal of Mass Spectrometry. 251 (2–3): 146–151. Bibcode:2006 IJMSp.251..146R. doi:10.1016 / j.ijms.2006.01.049.
- ^ Jens Dilling (2001). "Přímé měření hmotnosti na exotických jádrech pomocí SHIPTRAP a ISOLTRAP". Disertační práce. University of Heidelberg, Německo. Citovat deník vyžaduje
| deník =(Pomoc) - ^ Daniel Rodriguez Rubiales (2001). „RFQ Buncher pro akumulaci a chlazení těžkých radionuklidů na SHIPTRAP a vysoce přesná měření hmotnosti na nestabilních izotopech Kr na ISOLTRAP“. Disertační práce. University of Valencia, Španělsko. Citovat deník vyžaduje
| deník =(Pomoc) - ^ A. Jokinen; J. Huikari; A. Nieminen & J. Äystö (2002). "První ochlazené paprsky z JYFL iontového chladiče a projektu lapače". Jaderná fyzika A. 701 (1–4): 557–560. Bibcode:2002NuPhA.701..557J. doi:10.1016 / S0375-9474 (01) 01643-8.
- ^ Arto Nieminen (2002). „Manipulace s nízkoenergetickými radioaktivními iontovými paprsky pomocí RFQ chladiče; Aplikace pro kolineární laserovou spektroskopii“. Disertační práce. University of Jyväskylä, Jyväskylä, Finsko. Citovat deník vyžaduje
| deník =(Pomoc) - ^ J. Szerypo; D. Habs; S. Heinz; J. Neumayr; P. Thirolf; A. Wilfart a F. Voit (2003). "MAFFTRAP: systém iontové pasti pro MAFF". Jaderné přístroje a metody ve výzkumu fyziky Sekce B. 204: 512–516. Bibcode:2003NIMPB.204..512S. doi:10.1016 / S0168-583X (02) 02123-7.
- ^ Y. Liu; J.F. Liang G.D. Alton; J. R. Beene; Z. Zhou; H. Wollnik (2002). "Collisional Cooling of Negative-Ion Beams". Jaderné přístroje a metody ve výzkumu fyziky Sekce B. 187 (1): 117–131. Bibcode:2002 NIMPB.187..117L. doi:10.1016 / S0168-583X (01) 00844-8.
- ^ G. Bollen; S. Schwarz; D. Davies; P. Lofy; D. Morrissey; R. Ringle; P. Schury; T. Sun; L. Weissman (2004). „Chlazení paprsků v zařízení s nízkoenergetickým paprskem a lapačem iontů v NSCL / MSU“. Jaderné přístroje a metody ve fyzikálním výzkumu A. 532 (1–2): 203–209. Bibcode:2004 NIMPA.532..203B. doi:10.1016 / j.nima.2004.06.046.
- ^ I. Podadera Aliseda; T. Fritioff; T. Giles; A. Jokinen; M. Lindroos & F. Wenander (2004). "Návrh druhé generace RFQ iontových chladičů a děrovačů (RFQCB) pro ISOLDE". Jaderná fyzika A. 746: 647–650. Bibcode:2004NuPhA.746..647P. doi:10.1016 / j.nuclphysa.2004.09.043.
- ^ Ivan Podadera Aliseda (2006). „Nový vývoj v oblasti přípravy chlazených a seskupených radioaktivních iontových paprsků v zařízeních ISOL: Projekt ISCOOL a chlazení rotující stěny“. Disertační práce. CERN, Ženeva, Švýcarsko. Citovat deník vyžaduje
| deník =(Pomoc) - ^ T. J. Giles; R. Catherall; V. Fedosseev; U. Georg; E. Kugler; J. Lettry & M. Lindroos (2003). „Spektrometr s vysokým rozlišením na ISOLDE“. Jaderné přístroje a metody ve výzkumu fyziky Sekce B. 204: 497–501. Bibcode:2003NIMPB.204..497G. doi:10.1016 / S0168-583X (02) 02119-5.
- ^ J. Dilling; P. Bricault; M. Smith; H. -J. Kluge; et al. (Spolupráce TITAN) (2003). „Navrhované zařízení TITAN na ISAC pro velmi přesná hromadná měření na vysoce nabitých krátkodobých izotopech“. Jaderné přístroje a metody ve výzkumu fyziky Sekce B. 204 (492–496): 492–496. Bibcode:2003NIMPB.204..492D. doi:10.1016 / S0168-583X (02) 02118-3.
- ^ Emil Traykov (2006). "Výroba radioaktivních paprsků pro zachytávání atomů". Disertační práce. University of Groningen, Nizozemsko. Citovat deník vyžaduje
| deník =(Pomoc) - ^ P. Van den Bergh; S. Franchoo; J. Gentens; M. Huyse; Yu.A. Kudryavtsev; A. Piechaczek; R. Raabe; I. Reusen; P. Van Duppen; L. Vermeeren; A. Wiihr (1997). „SPIG, zlepšení účinnosti a kvality paprsku iontového vodiče založeného na on-line separátoru izotopů“. Jaderné přístroje a metody ve výzkumu fyziky Sekce B. 126 (Strany 194–197).
Bibliografie
- F. Herfurth; J. Dilling; A. Kellerbauer; et al. (2001). "Lineární radiofrekvenční iontová past pro akumulaci, shlukování a vyzařování vylepšení paprsků radioaktivních iontů". Jaderné přístroje a metody A. 469 (2): 254–275. arXiv:nucl-ex / 0011021. Bibcode:2001 NIMPA.469..254H. doi:10.1016 / S0168-9002 (01) 00168-1. S2CID 14155609.
- A. Kellerbauer; T. Kim; R. B. Moore; P. Varfalvy (2001). "Chlazení vyrovnávacích plynů iontových paprsků". Jaderné přístroje a metody A. 469 (2): 276–285. Bibcode:2001 NIMPA.469..276K. CiteSeerX 10.1.1.619.6527. doi:10.1016 / S0168-9002 (01) 00286-8.
- J. Schönfelder; D. Ackermann; H. Backe; et al. (2002). „SHIPTRAP - zařízení pro zachycování a skladování těžkých radionuklidů v GSI“. Jaderná fyzika A. 701 (1–4): 579–582. Bibcode:2002NuPhA.701..579S. doi:10.1016 / S0375-9474 (01) 01648-7.
- J. Szerypo; A. Jokinen; V. S. Kolhinen; et al. (2002). „Penning trap at IGISOL“. Jaderná fyzika A. 701 (1–4): 588–591. Bibcode:2002NuPhA.701..588A. doi:10.1016 / S0375-9474 (01) 01650-5.
- S. Schwarz; G. Bollen; D. Lawton; et al. (2003). "Bunkr a chladič iontového paprsku druhé generace". Jaderné přístroje a metody B. 204: 474–477. Bibcode:2003NIMPB.204..474S. doi:10.1016 / S0168-583X (02) 02114-6.
- G. Sikler; D. Ackermann; F. Attallah; et al. (2003). "První on-line test SHIPTRAP". Jaderné přístroje a metody B. 204: 482–486. Bibcode:2003NIMPB.204..482S. doi:10.1016 / S0168-583X (02) 02116-X.
- J. Clark; R. C. Barber; C. Boudreau; et al. (2003). "Vylepšení vstřikovacího systému kanadského hmotnostního spektrometru s pastí Penning". Jaderné přístroje a metody B. 204: 487–491. Bibcode:2003NIMPB.204..487C. doi:10.1016 / S0168-583X (02) 02117-1.
- D. Habs; M. Groß; W. Assmann; et al. (2003). "Mnichovský urychlovač štěpných fragmentů MAFF". Jaderné přístroje a metody B. 204: 739–745. Bibcode:2003NIMPB.204..739H. doi:10.1016 / S0168-583X (03) 00496-8.
- T. Faestermann; W. Assmann; L. Beck; et al. (2004). "Mnichovský akcelerátor pro štěpné fragmenty - MAFF". Jaderná fyzika A. 746: 22–26. Bibcode:2004NuPhA.746 ... 22F. doi:10.1016 / j.nuclphysa.2004.09.106.
- J. B. Neumayr; L. Beck; D. Habs; et al. (2006). Msgstr "Zařízení pro zachycování iontů pro SHIPTRAP". Jaderné přístroje a metody B. 244 (2): 489. Bibcode:2006NIMPB.244..489N. doi:10.1016 / j.nimb.2005.10.017.