Enfriador de haz RFQ

Un enfriador de haz cuadrupolo de radiofrecuencia ( RFQ ) es un dispositivo para enfriar haces de partículas , especialmente adecuado para haces de iones . Reduce la temperatura de un haz de partículas al reducir su dispersión de energía y emitancia , lo que aumenta de manera efectiva su brillo ( brillantez ). El mecanismo predominante para enfriar en este caso es el enfriamiento con gas amortiguador, por el cual el haz pierde energía a partir de las colisiones con un gas ligero, neutro e inerte (normalmente helio ). El enfriamiento debe tener lugar dentro de un campo de confinamiento para contrarrestar la difusión térmica que resulta de las colisiones ion-átomo. [ cita requerida ]

El analizador de masas cuadrupolo (un cuadrupolo de radiofrecuencia utilizado como filtro de masas) fue inventado por Wolfgang Paul a finales de los años 50 y principios de los 60 en la Universidad de Bonn , Alemania. Paul compartió el Premio Nobel de Física en 1989 por su trabajo. Las muestras para el análisis de masas se ionizan, por ejemplo, mediante láser ( ionización/desorción láser asistida por matriz ) o descarga ( electrospray o plasma acoplado inductivamente ) y el haz resultante se envía a través del RFQ y se "filtra" escaneando los parámetros operativos (principalmente la amplitud de RF). Esto proporciona un espectro de masas, o huella digital, de la muestra. Los analizadores de gases residuales también utilizan este principio.

Aplicaciones del enfriamiento iónico a la física nuclear

A pesar de su larga historia, las mediciones de masa de núcleos atómicos de alta sensibilidad y alta precisión siguen siendo áreas de investigación muy importantes para muchas ramas de la física . Estas mediciones no solo proporcionan una mejor comprensión de las estructuras y fuerzas nucleares, sino que también ofrecen información sobre cómo se comporta la materia en algunos de los entornos más hostiles de la naturaleza. En instalaciones como ISOLDE en el CERN y TRIUMF en Vancouver, por ejemplo, las técnicas de medición se están extendiendo ahora a radionúcleos de vida corta que solo se producen de forma natural en el interior de estrellas en explosión. Su corta vida media y sus tasas de producción muy bajas incluso en las instalaciones más potentes requieren la máxima sensibilidad de tales mediciones.

Las trampas de Penning , elemento central de las modernas instalaciones de medición de masas de alta precisión y alta sensibilidad, permiten realizar mediciones con una precisión cercana a 1 parte en 10 11 en iones individuales. Sin embargo, para lograr esto, las trampas de Penning deben recibir el ion que se desea medir con mucha precisión y con la certeza de que se trata del ion deseado. Esto impone requisitos severos al aparato que debe extraer el núcleo atómico del objetivo en el que se ha creado, separarlo de la miríada de otros iones que se emiten desde el objetivo y luego dirigirlo de manera que pueda ser capturado en la trampa de medición.

Se ha demostrado que enfriar estos haces de iones, en particular los haces de iones radiactivos, mejora drásticamente la precisión y la sensibilidad de las mediciones de masa al reducir el espacio de fase de las colecciones de iones en cuestión. Utilizando un gas de fondo neutro ligero, normalmente helio, las partículas cargadas que se originan en los separadores de masa en línea sufren una serie de colisiones suaves con las moléculas del gas de fondo, lo que da como resultado pérdidas fraccionarias de la energía cinética de los iones y una reducción de la energía total del conjunto de iones. Sin embargo, para que esto sea efectivo, los iones deben estar contenidos mediante campos eléctricos de cuadrupolo de radiofrecuencia transversal (RFQ) durante el proceso de enfriamiento por colisión (también conocido como enfriamiento de gas tampón ). Estos enfriadores RFQ funcionan según los mismos principios que las trampas de iones cuadrupolo y se ha demostrado que son particularmente adecuados para el enfriamiento de gas tampón dada su capacidad para el confinamiento total de iones que tienen una gran dispersión de velocidades, correspondientes a energías cinéticas de hasta decenas de electronvoltios. Ya se han instalado varios refrigeradores RFQ en centros de investigación de todo el mundo y a continuación encontrará una lista de sus características.

Lista de instalaciones que contienen refrigeradores RFQ

NombreInstalaciónHaz de entradaEmitancia de entradaLongitud del enfriadorR0​Voltaje RF, frecuencia, CCRango de masaTensión axialPresiónCalidades del haz de salidaImágenes
Colette [1] [2]CERNHaz ISOLDE de 60 keV desacelerado a ≤ 10 eV~ 30 π-mm-mrad504 mm (15 segmentos, aislados eléctricamente)7 milímetrosFrecuencia: 450 – 700 kHz–0,25 V/cm0,01 mbar HeReacelerado a 59,99 keV; emitancia transversal 8 π-mm-mrad a 20 keVCOLETA1

COLETA2

Enfriador LPC [3]GanilVigas tipo ESPIRALHasta ~ 100 π-mm-mrad468 mm (26 segmentos, aislados eléctricamente)15 milímetrosRF: hasta 250 Vp, frecuencia: 500 kHz – 2,2 MHz––hasta 0,1 mbar–LPC1

LPC2

Enfriador SHIPTRAP [4] [5] [6]GSIVigas tipo SHIP de 20 a 500 keV/A–1140 mm (29 segmentos, aislados eléctricamente)3,9 milímetrosRF: 30–200 Vpp, Frecuencia: 800 kHz – 1,2 MHzhasta 260 uVariable: 0,25 – 1 V/cm~ 5×10-3 mbar Él–TRAMPA DE BARCO1

TRAMPA DE BARCO2

Enfriador JYFL [7] [8]Universidad de JyväskyläHaz tipo IGISOL a 40 keVHasta 17 π-mm-mrad400 mm (16 segmentos)10 milímetrosRF: 200 Vp, Frecuencia: 300 kHz – 800 kHz–~1 V/cm~0,1 mbar Él~3 π-mm-mrad, dispersión de energía < 4 eVJYFL1

JYFL2

JYFL3

Enfriador MAFF [9]FRM IIHaz de 30 keV desacelerado a ~100 eV–450 milímetros30 milímetrosRF: 100 – 150 Vpp, Frecuencia: 5 MHz–~0,5 V/cm~0,1 mbar Éldispersión de energía = 5 eV, emitancia a 30 keV: desde = 36 π-mm-mrad hasta eT = 6 π-mm-mrad–
Enfriador ORNL [10]ORNLRIB negativos de 20 a 60 keV desacelerados a <100 eV~50 π-mm-mrad (@ 20 keV)400 milímetros3,5 milímetrosRF: ~400 Vp, Frecuencia: hasta 2,7 MHz--hasta ±5 kV en varillas cónicas~0,01 mbarPropagación de energía ~2 eVORNL1

ORNL2

ORNL3

Enfriador LEBIT [11]FRIBRayos de corriente continua de 5 keV––––––~1×x10−1 mbar He (sección de alta presión)–LEBIT1

LEBIT2

LEBIT3

Escuela de idiomas [12] [13]CERNHaz ISOLDE de 60 keVhasta 20 π-mm-mrad800 mm (utilizando electrodos de cuña de CC segmentados)20 milímetrosRF: hasta 380 V, Frecuencia: 300 kHz – 3 MHz10–300 uds.~0,1 V/cm0,01 – 0,1 mbar He–Escuela 1

Escuela 2

Escuela 3

Escuela 4

Enfriador ISOLTRAP [14]CERNHaz ISOLDE de 60 keV–860 mm (segmentado)6 milímetrosRF: ~125 Vp, Frecuencia: ~1 MHz.––~2×10-2 mbar Élelongación ≈ 10 eV us, etrans ≈ 10p mm mrad.Trampa isotrópica 1

Trampa isotrópica 2

RFCT TITAN [15]TRIUNFOHaz ISAC continuo de 30 a 60 keV–––RF: 1000 Vpp, Frecuencia: 300 kHz – 3 MHz–––6 π-mm-mrad a una energía de extracción de 5 keVTITAN1

TITAN2

TITAN3

Enfriador TRIMP [16]Universidad de GroningenVigas TRIMP–660 mm (segmentado)5 milímetrosRF= 100 Vp, Frecuencia: hasta 1,5 MHz6 < A < 250--hasta 0,1 mbar--TRIMP1

TRIMP2

TRIMP3

Refrigerador SPIG Leuven [17]Universidad Católica de LovainaVigas IGISOL–124 mm (estructura de varilla sextupolar)1,5 milímetrosRF = 0–150 Vpp, frecuencia: 4,7 MHz––~50 kPa ÉlPoder de resolución de masa (MRP) = 1450SPIG1

SPIG2

SPIG3

Enfriador CPT ArgonneLaboratorio Nacional Argonne–––––––––Enfriador CPT1

Enfriador CPT2

Enfriador SLOWRIRIKEN––600 mm (estructura de varilla séxtuple segmentada)8 milímetrosRF = 400 Vpp, Frecuencia: 3,6 MHz––~10 mbar Él––

Véase también

Referencias

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Bibliografía

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  • Proyecto LEBIT NSCL/MSU
  • Configuración experimental de ISOLTRAP
  • TITAN: La trampa de iones de TRIUMF para la ciencia atómica y nuclear
  • TRIMP – Isótopos radiactivos atrapados: microlaboratorios para la física fundamental
  • El experimento SHIPTRAP
  • El proyecto ISCOOL
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