Эффективность ионизации в горячей плоской дискообразной полости
Аннотация
Ионизаторы с горячей полостью различного типа находят широкое применение в атомной и массспектроскопии, в частности, в устройствах для разделения изотопов в режиме онлайн, представляют большой интерес для учёных и инженеров вследствие высокой эффективности ионизации, надёжности и чистоты луча. В работе предложен новый тип горячей ионизационной полости, а именно полости в форме плоского диска, особенно эффективной для ионизации короткоживущих нуклидов. Представлена численная модель ионного источника. Модель отслеживания частиц учитывает ионизацию на горячих поверхностях и позволяет моделировать как полость плоского диска, так и стандартные ионизаторы с удлинённой полостью. Модель позволяет выполнять расчёт общей эффективности ионизации и применима к стабильным и долгоживущим нуклидам.
Рассмотрено влияние геометрии полости плоского диска (толщина и радиус) и его температуры на общую эффективность ионизации – показано, что эффективность увеличивается с радиусом полости из-за растущего числа столкновений частиц со стенками. Данный эффект может оказаться важен для трудноионизируемых нуклидов.
Оптимальная геометрия ионизатора характеризуется эффективностью 90 % даже для трудноионизируемых веществ с коэффициентом ионизации порядка 0,05. Объясняется роль, которую играет размер экстракционного отверстия – показано, что эффективность ионизации увеличивается из-за уменьшения радиуса отверстия. Также доказано, что выходное напряжение 1–2 кВ достаточно для поддержания оптимальной эффективности.
Об авторе
M. Турек
Университет имени Марии Кюри-Склодовской в Люблине
Польша
Польша
Адрес для переписки: M. Turek – Institute of Physics, Maria Curie-Sklodowska University in Lublin, pl. M. Curie-Sklodowskiej 1, 20-031 Lublin, Poland e-mail: mturek@kft.umcs.lublin.pl
Список литературы
1. Studer D., Maske L., Windpassinger P., Wendt K. Laser spectroscopy of the 1001-nm ground-state transition in dysprosium. Phys. Rev. A, 2018, vol. 98, pp. 042504. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.042504
2. Duan Y., Danen R.E., Yan X., Steiner R., Cuadrado J., Wayne D., Majidi V., Olivares J.A. Characterization of an improved thermal ionization cavity source for mass spectrometry. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1999, vol. 10, pp. 917–1052. DOI: 10.1016/S1044-0305(99)00065-3
3. Maden C., Trinquier A., Fauré A.-L., Hubert A., Pointurier F., Rickli J., Bourdon B. Design of a prototype thermal ionization cavity source intended for isotope ratio analysis. International Journal of Mass Spectrometry, 2018, vol. 434, pp. 70–80. DOI: 10.1016/j.ijms.2018.09.006
4. Babcock C., Day Goodacre T., Gottberg A. Target and Ion Source Development for Better Beams in the ARIEL Era. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series, 2018, vol. 1067, pp. 052019. DOI: 10.1088/1742-6596/1067/5/052019
5. Alton G.D., Liu Y., Stracener D.W. High-efficiency target ion sources for radioactive ion beam generation. Rev. Sci. Instrum., 2006, vol. 77, pp. 03A711. DOI: 10.1063/1.2173968
6. Köster U., Arndt O., Bouquerel E., Fedoseyev V.N., Franberg H., Joinet A., Jost C., Kerkines I.S.K., Kirchner R. The TARGISOL Collaboration, Progress in ISOL target-ion-source-system. Nucl. Instrum Meth. B, 2008, vol. 266, pp. 4229–4239. DOI: 10.1016/j.nimb.2008.05.152
7. Woo H.J., Kang B.H., Tshoo K., Seo C.S., Hwang W., Park Y.H., Yoon J.W., Yoo S.H., Kim Y.K., Jang D.Y. Overview of the ISOL facility for the RISP. Journal of the Korean Physical Society, 2015, vol. 66, pp. 443–448. DOI: 10.3938/jkps.66.443
8. Beyer G.J., Herrmann E., Piotrowski A., Raiko V.I., Tyroff H. A new method for rare-earth isotope separation. Nucl. Instrum. Meth. 1971, vol. 96, pp. 437– 439. DOI: 10.1016/0029-554X(71)90613-6
9. Johnson P.G., Bolson A., Henderson C.M. A high temperature ion source for isotope separators. Nucl. Instrum. Meth., 1973, vol. 106, pp. 83–87. DOI: 10.1016/0029-554X(73)90049-9
10. Liu Y., Jost C.U., Mendez II A.J., Stracener D.W., Williams C.L., Gross C.J., Grzywacz R.K., Madurga M., Miernik K., Miller D. On-line commissioning of the HRIBF resonant ionization laser ion source. Nucl. Instrum. and Meth. B, 2013, vol. 298, pp. 5–12. DOI: 10.1016/j.nimb.2012.12.041
11. Lecesne N. Laser ion sources for radioactive beams. Rev. Sci. Instrum., 2012, vol. 83, pp. 02A916. DOI: 10.1063/1.3681148
12. Henares J.L., Lecesne N., Hijazi L., Bastin B., Kron T., Lassen J., Le Blanc F., Leroy R., Osmond B., Raeder S., Schneider F., Wendt K. Hot-cavity studies for the Resonance Ionization Laser Ion Source. Nucl Instr. Meth. B, 2016, vol. 830, pp. 520–525. DOI: 10.1016/j.nima.2015.10.061
13. Day Goodacre T., Billowes J., Catherall R., Cocolios T.E., Crepieux B., Fedorov D.V., Fedosseev V.N., Gaffney L.P., Giles T., Gottberg A., Lynch K.M., Marsh B.A., Mendonça T.M., Ramos J.P., Rossel R.E., Rothe S., Sels S., Sotty C., Stora T., Van Beveren C., Veinhard M. Blurring the boundaries between ion sources: The application of the RILIS inside a FEBIAD type ion source at ISOLDE. Nucl Instr. Meth. B, 2016, vol. 376, pp. 39–45. DOI: 10.1016/j.nimb.2016.03.005
14. Kalinnikov V.G., Gromov K.Ya., Janicki M., Yushkevich Yu.V., Potempa A.W., Egorov V.G., Bystrov V.A., Kotovsky N.Yu., Evtisov S.V. Experimental complex to study nuclei far from the beta-stability line – ISOL-facility YASNAPP-2. Nucl. Instr. and Meth. B, 1992, vol. 70, pp. 62–68. DOI: 10.1016/0168-583X(92)95910-J
15. Zhai L., Deng H., Wei G., Li Z., Wang C., Li X., Zhou G., Su Y., Zhang Z. A new, ohmic-heating based thermal ionization cavity source for mass spectrometry. International Journal of Mass Spectrometry, 2011, vol. 305, pp. 45–49. DOI: 10.1016/j.ijms.2011.05.015
16. Eléon C., Jardin P., Gaubert G., Saintlaurent M., Alcantaranunez J., Alvesconde R. Development of a surface ionization source for the production of radioactive alkali ion beams in SPIRAL. Nucl. Instr. and Meth. B, 2008, vol. 266, рр. 4362–4367. DOI: 10.1016/j.nimb.2008.05.067
17. Reponen M., Moore I.D., Pohjalainen I., Rothe S., Savonen M., Sonnenschein V., Voss A. An inductively heated hot cavity catcher laser ion source. Rev Sci Instrum. 2015, vol. 86, pp. 123501. DOI: 10.1063/1.4936569
18. Alton G.D., Zhang Y. A fast effusive-flow vaportransport system for ISOL-based radioactive ion beam facilities. Nucl. Instrum. and Meth. A, 2005, vol. 539, pp. 540–546. DOI: 10.1016/j.nima.2004.11.027
19. Alton G.D., Liu Y., Zaim H., Murray S.N. An efficient negative surface ionization source for RIB generation. Nucl. Instrum. and Meth. B, 2003, vol. 211, pp. 425–435. DOI: 10.1016/S0168-583X(03)01365-X
20. Hausladen P.A., Weisser D.C., Lobanov N.R., Fifield L.K., Wallace H.J. Simple concepts for ion source improvement. Nucl. Instrum. and Meth. B, 2002, vol. 190, pp. 402–404. DOI: 10.1016/S0168-583X(01)01307-6
21. Turek M., Pyszniak K., Drozdziel A., Sielanko J. Ionization efficiency calculations for cavity thermoionization ion source. Vacuum, 2008, vol. 82, pp. 1103–1106. DOI: 10.1016/j.vacuum.2008.01.025
22. Turek M., Pyszniak K., Droździel A. Influence of electron impact ionization on the efficiency of thermoemission ion source. Vacuum, 2009, vol. 83, pp. S260–S263. DOI: 10.1016/j.vacuum.2009.01.077
23. Turek M., Drozdziel A., Pyszniak K., Maczka D., Slowinski B. Simulations of ionization in a hot cavity surface ion source. Rev. Sci. Instrum., 2012, vol. 83, pp. 023303. DOI: 10.1063/1.3685247
24. Turek M. Modeling of Ionization in a Spherical Surface Ionizer. Acta Phys. Pol. A, 2011, vol. 120, pp. 188–191. DOI: 10.12693/APhysPolA.120.188
25. Turek M. Ionisation Efficiency in Conical Hot Cavities. Acta Phys. Pol. A, 2017, vol. 132, pp. 259–263. DOI: 10.12693/APhysPolA.132.259
26. Maden C., Baur H., Fauré A.-L., Hubert A., Pointurier F., Bourdon B. Determination of ionization efficiencies of thermal ionization cavity sources by numerical simulation of charged particle trajectories including space charge. Int. J. Mass Spectr., 2016, vol. 405, pp. 39–49. DOI: 10.1016/j.ijms.2016.05.013
27. Liu Y., Batchelder J.C., Galindo-Uribarri A., Chu R., Fan S., Romero-Romero E., Stracener D.W. Ion source development for ultratrace detection of uranium and thorium. Nucl. Instrum. and Meth. B, 2015, vol. 361, pp. 267–272. DOI: 10.1016/j.nimb.2015.04.081
28. Turek M. Ionization of short-lived isotopes in a hot cavity – Numerical simulations. Vacuum, 2014, vol. 104, pp. 1–12. DOI: 10.1016/j.vacuum.2013.12.016
29. Hadjidimos A. Successive overrelaxation (SOR) and related methods. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2000, vol. 123, pp. 177–199. DOI: 10.1016/S0377-0427(00)00403-9
30. Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical recipes in FORTRAN (2nd ed.): The art of scientific computing, 1992, Cambridge University Press New York.
31. Latuszyński A., Mączka D. High temperature cavity thermo-ionizer. Vacuum, 1998, vol. 51, pp. 109– 112. DOI: 10.1016/S0042-207X(98)00142-0
Для цитирования:
Турек M. Эффективность ионизации в горячей плоской дискообразной полости. Приборы и методы измерений. 2020;11(2):132-139. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2020-11-2-132-139
For citation:
Turek M. Ionization Efficiency in a Hot Flat Disc-Shaped Cavity. Devices and Methods of Measurements. 2020;11(2):132-139. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2020-11-2-132-139
Просмотров: 33
Послать статью по эл. почте 