zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-9-7-15zldm-1743Research ArticleАНАЛИЗ ВЕЩЕСТВАSUBSTANCES ANALYSISПечной источник с электронной ионизацией для калибровки спектрометра в целях прецизионного определения масс сверхтяжелых элементовFurnace ion source with electron ionization for calibrating a spectrometer for precise determination of masses of superheavy elementsДьяченкоА. А.DyachenkoA. A.

Артем Александрович Дьяченко

198095, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 31 – 33А

Artyem A. Dyachenko

31 – 33A, Ivana Chernykh ul., St. Petersburg, 198095

beni-chester94@mail.ruГромовИ. А.GromovI. A.

Иван Александрович Громов

194021, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 26

Ivan A. Gromov

26, Polytekhnicheskaya ul., St. Petersburg, 194021

МурадымовМ. З.MuradymovM. Z.

Марат Зарифович Мурадымов

198095, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 31 – 33А

Marat Z. Muradymov

31 – 33A, Ivana Chernykh ul., St. Petersburg, 198095

БеляеваО. А.BelyaevaO. A.

Ольга Андреевна Беляева

199155, г. Санкт-Петербург, Железноводская ул., д. 17/5Д

Olga A. Belyaeva

17/5D, Zheleznovodskaya ul., St. Petersburg, 199155

ГалльН. Р.GallN. R.

Николай Ростиславович Галль

194021, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 26

Nickolay R. Gall

26, Polytekhnicheskaya ul., St. Petersburg, 194021

ЯворМ. И.YavorM. I.

Михаил Игоревич Явор

198095, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 31 – 33А

Mikhail I. Yavor

31 – 33A, Ivana Chernykh ul., St. Petersburg, 198095

РодинА. М.RodinA. M.

Александр Михайлович Родин

141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6

Alexander M. Rodin

6, Zholio-Kyuri ul., Dubna, Moscow obl., 141980

КрупаЛ.KrupaL.

Любош Крупа

141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6

Luboš Krupa

6, Zholio-Kyuri ul., Dubna, Moscow obl., 141980

КарповА. В.KarpovA. V.

Александр Владимирович Карпов

141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6

Alexander V. Karpov

6, Zholio-Kyuri ul., Dubna, Moscow obl., 141980

Институт аналитического приборостроения РАНРоссияInstitute for Analytical Instrumentation of the Russian Academy of SciencesRussian FederationФизико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАНРоссияIoffe Physical Technical Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationООО «МС-Био»РоссияLLC «MS-Bio»Russian FederationОбъединенный институт ядерных исследованийРоссияJoint Institute for Nuclear ResearchRussian Federation202221092022889715Copyright © Дьяченко А.А., Громов И.А., Мурадымов М.З., Беляева О.А., Галль Н.Р., Явор М.И., Родин А.М., Крупа Л., Карпов А.В., 20222022Дьяченко А.А., Громов И.А., Мурадымов М.З., Беляева О.А., Галль Н.Р., Явор М.И., Родин А.М., Крупа Л., Карпов А.В.Dyachenko A.A., Gromov I.A., Muradymov M.Z., Belyaeva O.A., Gall N.R., Yavor M.I., Rodin A.M., Krupa L., Karpov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1743

Точное определение масс изотопов сверхтяжелых элементов, получаемых при полном слиянии ионов 48Ca+ с такими мишенями, как Au, Pb, Bi, U, Pu, может дать ценную информацию о механизмах ядерных реакций, ведущих к образованию этих элементов. Такое определение возможно с использованием специализированного многооборотного времяпролетного масс-спектрометра. Источником целевых изотопов является циклотрон ДЦ-280 — «фабрика сверхтяжелых элементов» — в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна). Особенность задачи состоит в том, что ионы сверхтяжелых элементов образуются достаточно редко даже в специализированном ускорителе ОИЯИ: во время последнего эксперимента частота их появления составила до 10 событий в день. Прецизионное определение массового числа требует сравнения времени пролета сверхтяжелого иона через масс-анализатор с аналогичным временем для иона калибранта, массовое число и заряд которого точно известны априори исходя из процесса его возникновения. Проведение такого масс-спектрометрического анализа потребовало разработки источника ионов, способного стабильно работать на протяжении длительного времени. Для решения этой задачи был рассмотрен ряд источников ионов. Обоснован выбор источника ионов с электронной ионизацией. Предложен и испытан такой источник с тиглем, в котором калибрант испаряется при нагреве. В качестве калибранта рассмотрены различные вещества (PbBr2, Nd, C60, фуллереновая сажа). Представлены масс-спектры соединений неодима и фуллереновой сажи. Показано, что использование последней является оптимальным, поскольку ее масс-спектр содержит пики ионов в интервале массовых чисел от 12 до 800 и выше, в частности, множество пиков в интересующей области массовых чисел 275 – 300 а.е.м. Экспериментально показано, что интенсивности пиков ионов в пределах указанного диапазона различаются меньше, чем на порядок величины, что обусловливает применение фуллереновой сажи в качестве стандартного образца для калибровки времяпролетного масс-спектрометра высокого разрешения.

Precise determination of the isotope masses of superheavy elements obtained by the complete fusion of 48Ca+ ions with Au, Pb, Bi, U, and Pu targets can provide valuable information on the mechanisms of nuclear reactions leading to the formation of these elements. A specialized multi-turn time-of-flight mass spectrometer is to be used to match the goal. The source of the target isotopes is a DC-280 cyclotron, a «factory of superheavy elements» at the Joint Institute for Nuclear Research (JINR, Dubna, Russia). The point of the problem is that ions of superheavy elements are formed quite rarely even in the specialized accelerator of JINR: during the last experiment, the frequency of their appearance was up to 10 events per day. Precise determination of the mass number requires comparing the time of flight of a superheavy ion through a mass analyzer with the same time for a calibrant ion, the mass number and charge of which are precisely known a priori from the process of its formation. Implementation of such a mass spectrometric analysis required the development of an ion source capable of stable operation for a long time. To solve the problem, a number of ion sources were considered. The choice of an ion source with electron ionization is substantiated. A source with a crucible in which the calibrant evaporates during heating was proposed and tested. Various substances (PbBr2, Nd, C60, fullerene soot) were considered as a calibrant. The mass spectra of these compounds are presented, namely, the spectrum of neodymium compounds and the mass spectrum of fullerene soot. It is shown that the use of fullerene soot is optimal, since the mass spectrum of fullerene soot contains ions in the range of mass numbers from 12 to 800 and higher. Moreover, the mass spectrum of fullerene soot contains many peaks in the mass number region of interest 275 – 300 a.m.u. It has been experimentally shown that the ion intensities within the indicated range differ by less than an order of magnitude which makes the use of fullerene soot a standard sample for calibration of a high-resolution time-of-flight mass spectrometer.

печной источникэлектронная ионизациямасс-спектрометриясверхтяжелые элементыфуллереныфуллереновая сажаfurnace ion sourceelectron ionizationmass spectrometrysuperheavy elementsfullerenefullerene sootReferencesOganessian Yu. Heaviest nuclei from 48Ca-induced reactions / J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 2007. Vol. 34. N 4. P. R165 – R242. DOI: 10.1088/0954-3899/34/4/R01Oganessian Yu. Heaviest nuclei from 48Ca-induced reactions / J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 2007. Vol. 34. N 4. P. R165 – R242. DOI: 10.1088/0954-3899/34/4/R01Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K. Super-heavy element research / Rep. Prog. Phys. 2015. Vol. 78. N 3. 036301. DOI: 10.1088/0034-4885/78/3/036301Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K. Super-heavy element research / Rep. Prog. Phys. 2015. Vol. 78. N 3. 036301. DOI: 10.1088/0034-4885/78/3/036301Düllmann C. E., Herzberg R.-D., Nazarewicz W., Oganessian Yu. (Eds.). Special Issue on Superheavy Elements / Nucl. Phys. A. 2015. Vol. 944. P. 1 – 690.Düllmann C. E., Herzberg R.-D., Nazarewicz W., Oganessian Yu. (Eds.). Special Issue on Superheavy Elements / Nucl. Phys. A. 2015. Vol. 944. P. 1 – 690.Saiko V., Karpov A. Multinucleon transfer as a method for production of new heavy neutron-enriched isotopes of transuranium elements / Eur. Phys. J. A. 2022. Vol. 58. Article 41. DOI: 10.1140/epja/s10050-022-00688-9Saiko V., Karpov A. Multinucleon transfer as a method for production of new heavy neutron-enriched isotopes of transuranium elements / Eur. Phys. J. A. 2022. Vol. 58. Article 41. DOI: 10.1140/epja/s10050-022-00688-9Dmitriev S., Itkis M., Oganessian Yu. Status and perspectives of the Dubna superheavy element factory / Proc. of EPJ Web Conf. 2016. Vol. 131. P. 08001. DOI: 10.1051/epjconf/201613108001Dmitriev S., Itkis M., Oganessian Yu. Status and perspectives of the Dubna superheavy element factory / Proc. of EPJ Web Conf. 2016. Vol. 131. P. 08001. DOI: 10.1051/epjconf/201613108001Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Popeko A. G., et al. DGFRS-2 — A gas-filled recoil separator for the Dubna Super Heavy Element Factory / Nucl. Instr. Methods Phys. Res. A. 2022. Vol. 1033. 166640. DOI: 10.1016/j.nima.2022.166640Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Popeko A. G., et al. DGFRS-2 — A gas-filled recoil separator for the Dubna Super Heavy Element Factory / Nucl. Instr. Methods Phys. Res. A. 2022. Vol. 1033. 166640. DOI: 10.1016/j.nima.2022.166640Utyonkov V. K., Brewer N. T., Oganessian Yu. Ts., et al. Neutron-deficient superheavy nuclei obtained in the 240Pu + 48Ca reaction / Phys. Rev. C. 2018. Vol. 97. 014320. DOI: 10.1103/PhysRevC.97.014320Utyonkov V. K., Brewer N. T., Oganessian Yu. Ts., et al. Neutron-deficient superheavy nuclei obtained in the 240Pu + 48Ca reaction / Phys. Rev. C. 2018. Vol. 97. 014320. DOI: 10.1103/PhysRevC.97.014320Johnson J. B. The Schottky Effect In Low Frequency Circuits / Phys. Rev. 1925. Vol. 26. N 1. P. 71 – 85. DOI: 10.1103/PhysRev.26.71Johnson J. B. The Schottky Effect In Low Frequency Circuits / Phys. Rev. 1925. Vol. 26. N 1. P. 71 – 85. DOI: 10.1103/PhysRev.26.71Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. — М.: Регулярная и хаотическая динамика, 2005. — 528 с.Schroeder M. Fractals, chaos, power laws. — Moscow: Regulyarnaya i khaoticheskaya dinamika, 2005. — 528 p. [in Russian].Веденеев В. Ю., Родин А. М., Крупа Л. и др. Сечения образования испарительных остатков реакций полного слияния 144Sm(40Ar, xn)184 – xHg, 148Sm(36Ar, xn)184 – xHg, 144Nd(40Ca, xn)184 – xHg / Изв. РАН. Серия Физическая. 2020. Т. 84. № 4. С. 611 – 615. DOI: 10.31857/S0367676520040377Vedeneev V. Yu., Rodin A. M., Krupa L., et al. Cross sections for the formation of evaporative residues from the complete fusion reactions 144Sm(40Ar, xn)184 – xHg, 148Sm(36Ar, xn)184 – xHg, and 144Nd(40Ca, xn)184 – xHg / Izv. RAN. Seriya Fiz. 2020. Vol. 84. N 4. P. 611 – 615 [in Russian]. DOI: 10.31857/S0367676520040377Briselet R., Theisen Ch., Vandebrouck M., et al. Production cross section and decay study of 243Es and 249Md / Phys. Rev. C. 2019. Vol. 99. 024614. DOI: 10.1103/PhysRevC.99.024614Briselet R., Theisen Ch., Vandebrouck M., et al. Production cross section and decay study of 243Es and 249Md / Phys. Rev. C. 2019. Vol. 99. 024614. DOI: 10.1103/PhysRevC.99.024614Eremin A. V., Chepigin V. I., Itkis M. G., et al. Production of heavy evaporation residues in the reactions indused by an extracted 48Ca beam on a 208Pb target / JINR Rapid Commun. 1998. N 6. P. 92 – 98 [in Russian].Eremin A. V., Chepigin V. I., Itkis M. G., et al. Production of heavy evaporation residues in the reactions indused by an extracted 48Ca beam on a 208Pb target / JINR Rapid Commun. 1998. N 6. P. 92 – 98 [in Russian].Gaggeler H. W., Jost D. T., Turler A., et al. Cold fusion reactions with 48Ca / Nucl. Phys. A. 1989. Vol. 502. P. 561 – 570. DOI: 10.1016/0375-9474(89)90689-1Gaggeler H. W., Jost D. T., Turler A., et al. Cold fusion reactions with 48Ca / Nucl. Phys. A. 1989. Vol. 502. P. 561 – 570. DOI: 10.1016/0375-9474(89)90689-1Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V., et al. Measurements of cross sections and decay properties of the isotopes of elements 112, 114, and 116 produced in the fusion reactions 233, 238U, 242Pu, and 248Cm + 48Ca / Phys. Rev. C. 2004. Vol. 70. 064609. DOI: 10.1103/PhysRevC.70.064609Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V., et al. Measurements of cross sections and decay properties of the isotopes of elements 112, 114, and 116 produced in the fusion reactions 233, 238U, 242Pu, and 248Cm + 48Ca / Phys. Rev. C. 2004. Vol. 70. 064609. DOI: 10.1103/PhysRevC.70.064609Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V., et al. Measurements of cross sections for the fusion-evaporation reactions 244Pu(48Ca, xn)292 – x114 and 245Cm(48Ca, xn)293 – x116 / Phys. Rev. C. 2004. Vol. 69. 054607. DOI: 10.1103/PhysRevC.69.054607Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V., et al. Measurements of cross sections for the fusion-evaporation reactions 244Pu(48Ca, xn)292 – x114 and 245Cm(48Ca, xn)293 – x116 / Phys. Rev. C. 2004. Vol. 69. 054607. DOI: 10.1103/PhysRevC.69.054607Бурылев Б. П., Мойсов Л. П., Крицкая Е. Б., Костенко Н. Б. Термодинамические свойства расплавов бромидных систем PbBr2 – CdBr2 и PbBr2 – CdBr2 – KBr / Журн. физ. химии. 2003. Т. 77. № 12. С. 2300 – 2303.Burylev B. P., Moisov L. P., Kritskaya E. B., Kostenko N. B. Thermodynamic properties of PbBr2 – CdBr2 and PbBr2 – CdBr2 – KBr melts / Russ. J. Phys. Chem. 2003. Vol. 77. N 12. P. 2076 – 2078.Hastie J. W., Bloom H., Morrison J. D. Electron-Impact Studies of PbCl2, PbBr2, and PbClBr / J. Chem. Phys. 1967. Vol. 47. P. 1580. DOI: 10.1063/1.1712136Hastie J. W., Bloom H., Morrison J. D. Electron-Impact Studies of PbCl2, PbBr2, and PbClBr / J. Chem. Phys. 1967. Vol. 47. P. 1580. DOI: 10.1063/1.1712136Галль Л. Н. О критерии оптимизации источников ионов с ионизацией электронным ударом / Журн. техн. физ. 1982. Т. 52. № 10. С. 2086 – 2092.Gall L. N. On the optimization criterion for ion sources with electron impact ionization / Zh. Tekh. Fiz. 1982. Vol. 52. P. 2086 – 2092 [in Russian].Al-Matar H. M., Badawy S. M. A Study on Mass Spectrometry of Methylated [60] Fullerenes Using the «In-beam» Electron Impact Technique / J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2005. Vol. 16. N 8. P. 1311 – 1315. DOI: 10.1016/j.jasms.2005.03.022Al-Matar H. M., Badawy S. M. A Study on Mass Spectrometry of Methylated [60] Fullerenes Using the «In-beam» Electron Impact Technique / J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2005. Vol. 16. N 8. P. 1311 – 1315. DOI: 10.1016/j.jasms.2005.03.022Лебедев А. Т. Масс-спектрометрия в органической химии. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. — 493 с.Lebedev A. T. Mass spectrometry in organic chemistry. — Moscow: BINOM. Laboratoriya znanii, 2003. — 493 p. [in Russian].Afanas’ev D. V., Baranov G. A., Bogdanov A. A., et al. 13C enrichment of fullerenes / Tech. Phys. Lett. 1999. Vol. 25. N 9. P. 722 – 724. DOI: 10.1134/1.1262613Afanas’ev D. V., Baranov G. A., Bogdanov A. A., et al. 13C enrichment of fullerenes / Tech. Phys. Lett. 1999. Vol. 25. N 9. P. 722 – 724. DOI: 10.1134/1.1262613

The authors declare that there are no conflicts of interest present.