В физике частиц, включая поиск темной материи, время-проекционная камера используется как детектор. При успешных экспериментах детекторы ионов на базе ВПК станут ключевыми технологическими элементами первого компактного отечественного ускорительного масс-спектрометра.
Учёные Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» испытали новый детектор ионов на основе ВПК низкого давления в ускорительном спектрометре MICADAS. В результате замены родного детектора (ионизационной камеры), где подсчитываются ионы изотопа С-14, получены первые результаты.
В 2023 году впервые установили время-проекционную камеру на российский ускорительный масс-спектрометр. Его изготовили и обслуживают сотрудники Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, а находится он в Центре коллективного пользования «Геохронологии кайнозоя» Института археологии и этнографии СО РАН. Камера прошла испытание на пучке ионов С-14 с энергией 4 МэВ и показала работоспособность. Затем ее протестировали на пучке ионов С-14 с энергией 0,4 МэВ на УМС MIKADAS. При успешном прохождении экспериментов создадут камеру меньшего размера для установки на прототип первого отечественного низковольтного универсального ускорительного масс-спектрометра. Его разрабатывают ученые НГУ в рамках программы «Приоритет — 2030».
Время-проекционная камера (ВПК) Методика идентификации тяжелых ионов низких энергий в приложении к ускорительной масс-спектрометрии основана на измерении их длин пробегов в газе. Принцип работы следующий: ионы попадают внутрь камеры через тонкое окно. Затем теряют энергию за счет ионизационных потерь, формируя вдоль трека след из ионов газа и электронов. Под действием электрического поля электроны дрейфуют с постоянной скоростью в направлении ГЭУ, где их усиливают. В конце усиленные электроны собираются на коллектор и оцифровываются системой сбора данных. Время сбора электронов соответствует длине пробега иона.
— Преждевременная камера-проектор разрабатывалась для УМС ИЯФ для разделения ионов с одинаковым массой атомов, но разным зарядом ядра. Данный газовый детектор будет разделять ионы… Be-10 (бериллия) от B-10 (бора)Ядра бора и бериллия обладают разным зарядом. При одинаковых начальных энергиях длины пробега в газе различаются, и векторная поле сил расставит их по отдельности. Измерение содержания Бе-10 предоставит… Ученые получили возможность датировать геологические образцы. Директор ЦКП «УМС НГУ-ННЦ» Екатерина Пархомчук разъяснила.
Ускорительный масс-спектрометр MICADAS предназначен для обнаружения и количественного определения редкого изотопа С-14 в образцах. Ионы С-14 проходят ускоритель и попадают в газовый детектор, где их идентифицируют и подсчитывают.
— В ускорительных масс-спектрометрах устанавливают различные типы детекторов. Например, в УМС MICADAS есть ионизационная камера, которую заменили время-проекционной камерой. Важной частью ионизационной камеры MICADAS является предусилитель. Если он выходит из строя, MICADAS Придется остановить транспортное средство, а затем приобрести новый предусилитель, что сейчас затруднительно. Инженер Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» высказал это. Алексей Петрожицкий.
Ионизационные камеры имеют существенный недостаток: работа их ведётся в режиме с неудовлетворительным отношением сигнала к шуму. Предусилитель, к тому же, предъявляет высокие требования к электронике, в отличие от газового анализатора, применяемого в время-проекционной камере.
— В детекторе сигнал усилен при помощи газового электронного умножителя. Позволяющий значительно уменьшить потребности в электронной начинке системы сбора информации. Кроме того, наш комплекс вооружений обеспечивает более высокое отношение «сигнала к шуму», прост в производстве, использовании и обслуживании. — прокомментировал младший научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН, Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ». Тамара Шакирова.
— Необходимо было выяснить ответ на этот вопрос. Возможен ли прием ВПК для обнаружения ионов углерода-14 с энергией 0,4 МэВ? В процессе работы получили положительный результат. Достигнуты уверенность в возможности применения разработанной временем проекционной камеры. в качестве финального детектора В ходе работы над первым российским универсальным низковольтным масс-спектрометром проводятся эксперименты по тестированию детектора. Установка MICADAS служит источником пучка ионов для эксперимента. Данный этап можно рассматривать как первый шаг в создании собственной установки. , — объяснила Тамара Шакирова.
На MICADAS проводятся испытания времени-проекционной камеры на двух образцах: стандартном ANU (IAEA-C6, сахар) с содержанием С-14 близким к современному и полиэтилене CH (стандарт Elemental Microanalysis B2024) с содержанием С-14 в 0,002 от современного уровня. Цель – оптимизация параметров работы: давление рабочего газа, коэффициент усиления, скорость дрейфа электронов.
— Получено достаточное количество данных, сейчас ведётся их обработка и анализ. Убедились в работе камеры проекции времени в предусмотренном режиме с чётко различимыми сигналами выше фоновых. По полученным данным можно читать С-14, что подходит для радиоуглеродного анализа образцов. — сказал Алексей Петрожицкий.
Справка
Ускорительная масс-спектрометрия — метод измерения концентрации в образце редких долгоживущих космогенных изотопов: бериллий-10, углерод-14, алюминий-26, хлор-36, кальций-41, йод-129. Он основан на извлечении атомов из исследуемого образца с последующим подсчетом интересующих изотопов. Высокая точность УМС-анализа позволяет измерять концентрации редкого изотопа. Данный метод применяют во многих науках, например, в археологии, геологии, биомедицине, экологии, астрофизике. Наибольшее распространение он получил в радиоуглеродном датировании археологических объектов, то есть регистрации концентрации изотопа углерода-14. Временной интервал датирования по С-14 уходит вглубь до 50 тысяч лет назад. Определение концентрации другого космогенного нуклида бериллий-10 также вызывает интерес, поскольку временной интервал датирования гораздо шире — до 10 миллионов лет.
ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» использует две установки УМС: первую, созданную более десяти лет назад учеными Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, и вторую, MICADAS швейцарского производства, купленную в 2019 году. Ученые из Новосибирского государственного университета, Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Института археологии и этнографии СО РАН и Института катализа им. Г.К. Борескова в составе научной группы Центра разрабатывают отечественный низковольтный универсальный ускорительный масс-спектрометр. Проект рассчитан на пять лет и реализуется при поддержке программы «Приоритет—2030».
Источник информации и фото: пресс-служба НГУ
Фото сделал Елена Панфилова из пресс-службы Новосибирского государственного университета.