Печной источник с электронной ионизацией для калибровки спектрометра в целях прецизионного определения масс сверхтяжелых элементов

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.

1. Oganessian 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/R01

2. Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K. Super-heavy element research / Rep. Prog. Phys. 2015. Vol. 78. N 3. 036301. DOI: 10.1088/0034-4885/78/3/036301

3. 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.

4. 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/s10050-022-00688-9

5. Dmitriev 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/201613108001

6. Oganessian 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.2022.166640

7. Utyonkov 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.97.014320

8. Johnson J. B. The Schottky Effect In Low Frequency Circuits / Phys. Rev. 1925. Vol. 26. N 1. P. 71 – 85. DOI: 10.1103/PhysRev.26.71

9. Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. — М.: Регулярная и хаотическая динамика, 2005. — 528 с.

10. 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/S0367676520040377

11. Briselet 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.99.024614

12. 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].

13. 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)90689-1

14. Oganessian 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.70.064609

15. Oganessian 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.69.054607

16. Бурылев 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.

17. 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: 10.1063/1.1712136

18. Галль Л. Н. О критерии оптимизации источников ионов с ионизацией электронным ударом / Журн. техн. физ. 1982. Т. 52. № 10. С. 2086 – 2092.

19. 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.2005.03.022

20. Лебедев А. Т. Масс-спектрометрия в органической химии. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. — 493 с.

21. 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: 10.1134/1.1262613