Лазерный ионный источник: история, статус, перспективы

Среда, 25 ноября 2020

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

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт