Кластеры в источниках излучения. Часть II. Атомные и ионные пучки, ионные ловушки, beam-foil-спектроскопия (стр. 2 )

Примером раздельного производства ионов и их захвата для измерения атомного времени жизни является  захват ионов из пучка, проходящего поперек объема электростатической ионной ловушки [8 и ссылки приведенные там]. Ионный пучок получается в ИИ ECR (типа ECRIS) и выделяется магнитом в определенном зарядовом состоянии в систему  транспортировки ионного пучка. Когда напряжение на ловушке поднимается до рабочих значений, часть пучка (около 10 см длины) захватывается внутрь ее и в течение нескольких секунд наблюдается оптическое излучение. ИИ ECR в данных установках позволяет получать МЗИ вплоть до q = +14. Энергия ионов находится в области нескольких кэВ, что оказывается лучше для определенности эксперимента, чем энергии ионов, получаемых прямо в обычных ловушках (1 – 10 эВ), однако сечение столкновения остается все-таки высоким по сравнению с МэВ-ными ионами в сторожевых кольцах.

3.2.1  Ионные ловушки с электронным пучком EBIT

Ловушки EBIT используются как для получения многозарядных ионов [29 – 31] (схема NIST EBIT доступна на сайте [30]), так и для изучения спектров атомов (рентгеновских или оптических) [32]. МЗИ могут извлекаться из EBIT и доставляться к специальным устройствам для изучения.

Работу ИИ EBIT для производства МЗИ (и голых ядер урана) можно представить следующим образом [31]. В источнике EBIT электронный пучок, сжатый магнитным полем порядка 3 Т, распространяется вдоль оси ловушки. Аппаратура работает при температуре 4 К. Средняя плотность тока электронного пучка соответствует  ~ 5000 А/см2 (при радиусе пучка 35 мкм). Положительные ионы удерживаются в электронном пучке его пространственным зарядом и подходящим распределением электрического поля вдоль ловушки. Для длительного удержания ионов урана в [32] применялась техника испарительного ион-ионного охлаждения. При этом колимированный пучок атомов неона с контролируемой плотностью пересекает электронный пучок перпендикулярно к нему; часть атомов неона (~ 0,2%) захватывается после ионизации, нагревается, преимущественно столкновениями с ионами урана, и достигает высокого среднего зарядового состояния до аксиального выхода из ловушки, унося ~ 300 эВ на ион. Малозарядными ионами урана ловушка первоначально заполняется инжекцией из источника с вакуумной искрой [32].

EBIT для спектроскопических измерений можно рассмотреть на примере работы [10]. Первичные ионы вольфрама производятся в ИИ металлический пар в вакуумной дуге MEVVA (a metal vapor vacuum arc) [33]. Энергии электронного луча 3 кэВ достаточно для производства ионов вольфрама всех зарядовых состояниях, представляющих интерес. Далее ионы вольфрама инжектируются в EBIT II и удерживаются там комбинацией электрических полей дрейфовой трубки и несущего магнитного поля. Захваченные ионы ионизируются столкновениями с быстрыми электронами. Наивысшие зарядовые состояния достигаются, когда энергия электронного пучка превышает потенциал ионизации иона. Следовательно, энергия электронов может варьироваться так, чтобы изменять распределение зарядовых состояний. В частности, она может быть подведена к границе производства конкретного иона. Последовательность таких экспериментов при различной энергии электронов даст, таким образом, спектры, которые отличаются вкладом одного зарядового состояния.

Для измерения атомных времен жизни в источнике EBIT [8] энергия электронного пучка модулируется выше или ниже границы производства и/или возбуждения, или выключается после периода производства ионов. В последнем случае получается режим магнитной ловушки Пеннинга со временем сохранения ионов до нескольких секунд. EBIT дополняет работу сторожевого кольца при определении атомных времен жизни МЗИ.

3.3  Эксперименты на сторожевом кольце для тяжелых ионов

Сторожевое кольцо тяжелых ионов – это чрезвычайно длинная ловушка для захвата части пучка ионов – кольцевой сосуд, в котором вращается пучок [см. ссылки в 8]. Для низкозарядных ионов спин-обменные, интеркомбинационные переходы имеют слишком малую скорость, чтобы определяться методом beam-foil спектроскопии. Сторожевые кольца позволили расширить измерения интеркомбинационных времен жизни вплоть до однократно заряженных ионов, а также облегчили подобные измерения для запрещенных электрических дипольных переходов. Вновь инжектированный в кольцо ионный пучок, как нитка на шпульке, слегка смещается после оборота, чтобы принять следующий виток. Техника, называемая укладка в штабель, позволяет аккумулировать пучок сохраненных ионов свыше 30 витков [на тестовом сторожевом кольце (TSR) в Гейдельберге], прежде чем фазовое пространство кольца заполнится и инжекция закончится, пучок может быть оставлен дрейфовать несколько минут. Далее ионный пучок может быть охлажден взаимодействием с холодным электронным пучком примерно той же скорости, это сжимает пучок в фазовом пространстве и позволяет добавить больше таких циклов накопления. Однако для низких зарядовых состояний ионов время охлаждения составляет порядка одной и более секунд, что является слишком длительным в сравнении с интересующим атомным времени жизни, и никаких преимуществ от охлаждения получено не будет.

При хорошем вакууме пучки МэВ-ионов в сторожевых кольцах могут оставаться многие секунды, минуты, иногда часы. Оптимальная рабочая область измерения атомного времени жизни может быть оценена, как от нескольких сот микросекунд до нескольких секунд. В экспериментах используют долгоживущие или метастабильные уровни ионов, получаемые в ИИ или обдирателе инжектора ускорителя.

Также существуют  эксперименты, которые используют лазерное излучение в качестве пробника заселенности уровня сохраняемого ионного пучка или для сдвига его из метастабильного уровня на короткоживущий уровень, распад которого может быть легко наблюдаем [см. ссылки в 8].

Возбуждение внутри сторожевого кольца осложнено, так как взаимодействие с твердым веществом мишени будет деструктивным для ионного пучка. Поэтому возбуждение пучка взаимодействием с газовой мишенью или с электронами в секции охладителя применяется для спектроскопии, но не для измерений атомных времен жизни, так как ионы после успешного изменения заряда не могут более сохраняться.

3.4  Взаимодействие пучка ионов с мишенью. Beam-foil-спектроскопия

Отличие получения МЗИ методом обдирки от ионизации электронным ударом заключается в том, что в первом случае используются быстрые ионы и холодные электроны мишени, а во втором, наоборот, – холодные ионы и быстрые электроны.

Длительное время beam-foil-спектроскопия была единственной техникой способной измерять атомные времена жизни ионов любых элементов в любых зарядовых состояниях. В этом методе пучок быстрых ионов посылается через тонкую фольгу, где он испытывает столкновения в основном с электронами материала мишени. Ионы теряют небольшую часть своей энергии, но все-таки остается хорошо определяемый пучок, который имеет небольшое распределение относительно средней скорости. Размещение фольги на известном расстоянии от линии наблюдения спектрометра позволяет записывать испускание света через определенное время после возбуждения, и таким образом строить кривые распада (из которых можно извлечь атомные времена жизни) [7].

Чтобы однозначно определить, оптические свойства каких именно частиц измеряются, необходимо четко представлять надежность выделения и идентификации ионов заданной кратности заряда. Для уверенности в чистоте пучков атомов и ионов, используемых при определении оптических характеристик, проанализируем возможность кластерообразования в пучках и ловушках.

4.  Кластеры в пучках атомов, ионов, ионных ловушках

Кластер – это система связанных атомов, молекул или ионов, и, как физический объект, он занимает промежуточное положение между молекулами – с одной стороны, и конденсированными системами – с другой. Кластеры металлов, углерода и других тугоплавких элементов отличаются от слабосвязанных ван-дер-ваальсовых кластеров сильной связью (1 – 10 эВ) и не разрушаются при сильном возбуждении, когда энергия, приходящаяся на один атом кластера, составляет порядка 1 эВ.

В данной работе под кластерами понимают нейтральные и заряженные частицы, состоящие из двух и более атомов. Подробно с производством и свойствами кластеров можно ознакомиться в работах [34 – 37].

4.1  Образование кластеров при получении пучков атомов

Как правило, атомные пучки получают из веществ, находящихся при обычных условиях в конденсированном состоянии [6]. Считается, что все металлы испаряются преимущественно в виде атомов и, в меньшей степени, димеров или тримеров; основные компоненты насыщенных паров неметаллов состоят в основном из кластеров: от димеров до декамеров (и более) [37].

С целью достижения максимальной чувствительности спектроскопических измерений на атомных пучках увеличивают их интенсивность, поднимая давление пара повышением температуры в ячейке. Это может приблизить эффузионный режим истечения атомарного пучка к газодинамическому. В первом случае источником атомного (молекулярного) пучка является насыщенный пар в эффузионной камере, во втором – молекулярный пучок формируется на выходе газодинамической струи и состоит, в том числе, из кластеров, образовавшихся в процессе конденсации адиабатно расширяющегося газа.

Зарастание отверстия эффузионной ячейки, вследствие конденсации пара, приведет к изменению его формы: удлинению (и формированию подобия сопла для производства кластеров). Применение капилляров, вместо отверстий в тонких крышках, способствует кластерообразованию в атомном пучке. К тому же, отражение части пучка от краев отверстия или узкой колимирующей щели, приводит к дополнительным преобразованиям в пучке. При этом вещество пучка, осажденное на краях, может распыляться атомами пучка в виде малых кластеров.

Высокие скорости откачки, для получения высокого вакуума в приборе, приводят к обогащению пучка кластерами, т. к. более легкие атомные частицы рассеиваются и откачиваются в первую очередь.

4.2 Образование кластеров при возбуждении атомных спектров в пучках

  С целью получения атомных спектров и параметров излучения прибегают к возбуждению, ионизации атомов (или ионов) электронным пучком или лучом лазера. Появление в пучках кластеров (и их фрагментов) может быть вызвано тем, что облучение пучка мощными потоками электронов (или лазерных фотонов) приводит к образованию катионов и/или анионов, а также некоторому смещению траекторий части атомов или ионов вследствие электронного давления (подобно электронному ветру в плазменных ускорителях) или светового давления (как в радиационных ускорителях). Это вызывает ион-ионные и ион-молекулярные реакции в присутствии нейтрализующих электронов (первичных или вторичных). Кластерные ионы – это, как правило, более прочные образования, чем нейтральные комплексы.