Пресс-центр

Лазерный ионный источник: история, статус, перспективы

В 2021 году исполняется 30 лет первому эксперименту с лазерным ионным источником (ЛИС), который прошел в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ (в то время - ЛИЯФ) на масс-сепараторе ИРИС. Без преувеличения можно сказать, что это событие оказало огромное влияние на всю экспериментальную ядерную физику. В настоящее время практически все ведущие ядерные установки используют ту или иную модификацию ЛИС. История данного изобретения, его внедрения и применения весьма любопытна и заслуживает того, чтобы познакомить с ней тех, кто интересуется развитием науки.

Начало этой истории относится к 1970-м годам. Именно тогда внедрение лазеров на красителях с перестраиваемой длиной волны открыло новые перспективы для самых разных областей атомной физики. В 1971 г. В.С. Летоховым (Рис. 1.) был предложен и впервые реализован метод резонансной фотоионизации атомов. Суть этого метода — в последовательном возбуждении атома с уровня на уровень посредством настроенных в резонанс мощных перестраиваемых лазеров, с последующим переводом атома выше порога ионизации: либо с помощью нерезонансного излучения, либо резонансным возбуждением автоионизационного состояния, либо синхронизованным импульсом электрического поля, ионизирующим атом из высоковозбужденного (ридберговского) состояния и т. д. Эффективность такой схемы ионизации достигает десятков процентов. Но главной особенностью метода является его высокая селективность: частоты атомных переходов уникальны для каждого элемента, поэтому настроенные в резонанс с этими переходами лазеры ионизуют только атомы данного элемента. Очень скоро стало понятно, что именно эта особенность открывает новые возможности в разных областях физики и химии, в том числе, в физике ядерной.

В это же время, в начале 1970-х годов на первый план в исследовании удаленных от полосы стабильности ядер вышли работы, сделанные на масс-сепараторах. Принцип работы масс-сепаратора показан на Рис. 2: под действием протонов из ускорителя в веществе мишени образуются радиоактивные атомы, они диффундируют в ионный источник, где ионизуются, ионы вытягиваются электрическим полем и разделяются по массам в магнитном поле. Таким образом, становится возможным резкое снижение фона, поскольку магнит отсеивает ионы с массой, отличной от массы исследуемого изотопа. В Ленинградском институте ядерной физики по инициативе Э.Е. Берловича был создан масс-сепаратор ИРИС, первый и долгое время единственный масс-сепаратор в Советском Союзе. Э.Е. Берловичу же принадлежит идея привлечь ученых Института спектроскопии во главе с В.С. Летоховым к сотрудничеству — применение лазеров в ядерной физике с начала 1980-х гг. становилось все более востребованным и разнообразным, однако метод резонансной ионизации нигде прежде использован не был.

«Изюминка» этого метода заключалась как раз в его селективности. Действительно, хотя масс-сепаратор и отсеивал ионы «ненужных» масс, на его выходе к экспериментальным установкам поступали не только исследуемые изотопы данного элемента, но и изотопы множества иных элементов с тем же атомным числом, что и исследуемый изотоп (изобары). А поскольку представляющие наибольший интерес наиболее удаленные от полосы стабильности ядра образуются в мишени в значительно меньших количествах, чем ядра, близкие к стабильности, эксперименты с наиболее экзотическими ядрами оказывались в большом числе случаев невозможными из-за преобладающего фона изобар. Дело в том, что использовавшиеся ионные источники были неселективными, и ионизации подвергались атомы практически всех элементов. Селективность метода резонансной ионизации позволила бы решить эту проблему — для этого надо было создать ионный источник, использующий данный метод, и при этом обеспечить его эффективность, не уступающую методам традиционным.

Первые образцы ЛИС были реализованы группой сотрудников Института спектроскопии во главе с В.С. Летоховым (1984–1987). В этой конструкции боковые стенки камеры ионизации были сделаны из изолятора, тогда как торцевые — из металла. Это позволяло использовать для ионизации из высоковозбужденных атомных состояний (заселяемых лазерным излучением) импульс электрического поля, прикладываемый к торцевым стенкам. Однако в такой конструкции стенки камеры ионизации не могли быть нагреты до достаточно высокой температуры, чтобы препятствовать оседанию на них атомов, поступающих из мишени. В результате бóльшая часть радиоактивных атомов «выбывала из игры», «прилипая» к холодным стенкам и не долетая до лазерных лучей, что приводило к резкому уменьшению эффективности.

Совсем иная идея была предложена в нашем институте В.Н. Пантелеевым, Г.Д. Алхазовым и Э.Е. Берловичем. Предполагалось направлять лазерные лучи в нагретую до очень высокой температуры металлическую полость. Атомы радиоактивных изотопов в ходе своего теплового дрейфа в полости источника многократно пересекают лазерные лучи, что, соответственно, многократно повышает вероятность фотоионизации. При этом (и это самое главное) образовавшиеся фотоионы не садятся на стенки полости (что привело бы к их рекомбинации), поскольку вблизи поверхности полости возникает пристеночный потенциал из-за активного вылета электронов с нагретой металлической поверхности. Этот потенциал достигает нескольких вольт, чего достаточно для предотвращения попадания движущихся с тепловыми скоростями ионов на стенки. Потенциал, прикладываемый к полости для ее нагрева, вытягивает фотоионы к выходу из полости, где они подхватываются электронной оптикой масс-сепаратора. Поразительным образом, значительно более простая конструкция оказалась значительно более эффективной!

Описание новой конструкции ЛИС было опубликовано в 1988 и 1989 гг. В 1987 г. было получено авторское свидетельство на это изобретение.

Впервые реализован ЛИС был также на масс-сепараторе ИРИС в 1991 г.: была впервые измерена силовая функция бета-распада ¹⁵²Ho, что было невозможно ранее из-за преобладающего фона ¹⁵²Dy.

Успешное использование ЛИС на ИРИСе побудило руководителей крупнейшего в мире масс-сепаратора ИЗОЛДЕ (ЦЕРН) также взять курс на использование этого замечательного инструмента. В создании, эксплуатации и модернизации ЛИС в ЦЕРНе активное участие принимали и принимают сотрудники Лаборатории короткоживущих ядер (ИРИС) ПИЯФ. В настоящее время до 70% всех экспериментов на ИЗОЛДЕ проводится с использованием ЛИС (из-за изобарной селективности и универсальности, отсутствующих у прочих вариантов ионного источника). Разработаны и применены эффективные схемы ионизации более 40 элементов Периодической системы.

Однако ЛИС, помимо использования в качестве «поставщика» экзотических ядер для самых различных экспериментов, успешно применяется также непосредственно для измерения важнейших характеристик ядра — изменений среднеквадратичных зарядовых радиусов, спинов и электромагнитных моментов основных и изомерных состояний ядер.

При переходе от одного изотопа данного элемента к другому частоты атомных переходов немного меняются. Это изменение, называемое изотопическим сдвигом (ИС), пропорционально изменению среднеквадратичного зарядового радиуса ядра. Вследствие взаимодействия магнитного момента ядра с магнитным полем, создаваемым электронами, происходит расщепление оптических линий (сверхтонкое расщепление, СТР), изучая которое можно определить спин, магнитный дипольный и электрический квадрупольный моменты ядра. Таким образом, если на первой ступени возбуждения использовать узкополосный лазер, то при сканировании его частоты ионный сигнал на выходе масс-сепаратора будет возникать при совпадении этой частоты с частотами компонент сверхтонкой структуры (см. рис. 4).

Первые эксперименты по использованию этой «лазерной спектроскопии в источнике» были также проведены на ИРИСе (1992 г.) — были измерены ИС и СТР для изотопов ^153–155Yb. Использование ЛИС для измерения указанных характеристик ядра позволило достичь рекордной чувствительности: так, удалось получить данные о радиусе и моментах ядра ¹⁷⁷Hg, скорость образования которого в мишени составляет ~1 атом за 100 сек. Ни одна из лазерных методик, используемых для измерения ИС и СТР, пока не смогла приблизиться к подобной чувствительности.

Со второй половины 2000-х гг. на ИРИСе и на ИЗОЛДЕ реализуется скоординированная программа по исследованию ядер в районе свинца с помощью «спектроскопии в лазерном источнике», позволившая максимально эффективно использовать возможности обеих установок (отметим, что в этих экспериментах на ИЗОЛДЕ одну из ведущих ролей играют сотрудники нашей лаборатории). Получены данные для более чем сотни ядер, обнаружены интересные и неожиданные эффекты, существенно меняющие наши представления об эволюции и сосуществовании форм ядра. Наиболее значимые результаты опубликованы в таких престижных изданиях, как Nature Physics и Physical Review Letters.

Лазерный ионный источник помимо изобарной селективности обладает возможностью осуществлять разделение изомеров. Изомеры — сравнительно долгоживущие возбужденные ядерные состояния — имеют, как правило, сверхтонкую структуру, отличную от сверхтонкой структуры основного состояния ядра. На примере ядра ¹⁸⁸Bi (Рис. 5) видно, что можно подобрать частоту лазера таким образом, чтобы ионизовался только один выбранный изомер. Впервые лазерное разделение изомеров с помощью резонансной фотоионизации также было продемонстрировано в экспериментах нашей лаборатории (1987 г.). Разделение изомеров стало решающим условием осуществления целого ряда исследований (спиновая зависимость запаздывающего деления, бета распад вблизи дважды магического ¹³²Sn и др.).

Лазерный ионный источник постоянно совершенствуется, возникают новые модификации, позволяющие расширить его возможности. Увеличивается список лабораторий, так или иначе использующих идеи и наработки, связанные с ЛИС (см. Рис. 6). Лазерный ионный источник, предложенный и созданный в нашем Институте, остается одним из важнейших инструментов экспериментальной ядерной физики!

Ведущий научный сотрудник Лаборатории короткоживущих ядер
Отделения физики высоких энергий
А.Е. Барзах