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enfriador de haz RFQ

Un enfriador de haz de cuadrupolo de radiofrecuencia ( RFQ ) es un dispositivo para enfriar haces de partículas , especialmente adecuado para haces de iones . Reduce la temperat...

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Un enfriador de haz de cuadrupolo de radiofrecuencia ( RFQ ) es un dispositivo para enfriar haces de partículas , especialmente adecuado para haces de iones . Reduce la temperatura de un haz de partículas disminuyendo su dispersión de energía y emitancia , lo que aumenta su brillo . El mecanismo de enfriamiento predominante en este caso es el enfriamiento por gas amortiguador, mediante el cual el haz pierde energía por colisiones con un gas ligero, neutro e inerte (típicamente helio ). El enfriamiento debe realizarse dentro de un campo de confinamiento para contrarrestar la difusión térmica resultante de las colisiones ión-átomo.

El analizador de masas cuadrupolar (un cuadrupolo de radiofrecuencia utilizado como filtro de masas) fue inventado por Wolfgang Paul entre finales de la década de 1950 y principios de la de 1960 en la Universidad de Bonn , Alemania. Paul compartió el Premio Nobel de Física de 1989 por su trabajo. Las muestras para el análisis de masas se ionizan, por ejemplo, mediante láser ( desorción/ionización láser asistida por matriz ) o descarga ( electrospray o plasma acoplado inductivamente ), y el haz resultante se envía a través del cuadrupolo de radiofrecuencia y se "filtra" mediante el barrido de los parámetros de funcionamiento (principalmente la amplitud de radiofrecuencia). Esto proporciona un espectro de masas, o huella digital, de la muestra. Los analizadores de gases residuales también utilizan este principio.

Aplicaciones del enfriamiento iónico a la física nuclear

A pesar de su larga historia, las mediciones de masa de núcleos atómicos de alta sensibilidad y precisión siguen siendo áreas de investigación cruciales para numerosas ramas de la física . Estas mediciones no solo permiten comprender mejor las estructuras y fuerzas nucleares, sino que también ofrecen información valiosa sobre el comportamiento de la materia en algunos de los entornos más extremos de la naturaleza. En instalaciones como ISOLDE en el CERN y TRIUMF en Vancouver, por ejemplo, las técnicas de medición se están extendiendo a radionúcleos de corta vida que solo se producen de forma natural en el interior de estrellas en explosión. Su corta vida media y sus bajísimas tasas de producción, incluso en las instalaciones más potentes, exigen la máxima sensibilidad en dichas mediciones.

Las trampas de Penning , elemento central en las modernas instalaciones de medición de masas de alta precisión y sensibilidad, permiten mediciones con una precisión cercana a 1 parte en 10¹¹ en iones individuales. Sin embargo, para lograrlo, es necesario que el ion a medir se introduzca en las trampas de Penning con gran precisión y con la certeza de que se trata del ion deseado. Esto impone exigencias rigurosas al aparato, que debe extraer el núcleo atómico del blanco en el que se ha creado, separarlo de la multitud de iones emitidos por el blanco y, posteriormente, dirigirlo para que pueda ser capturado en la trampa de medición.

Se ha demostrado que el enfriamiento de estos haces de iones, en particular los haces de iones radiactivos, mejora drásticamente la precisión y la sensibilidad de las mediciones de masa al reducir el espacio de fases de las colecciones de iones en cuestión. Utilizando un gas neutro ligero de fondo, típicamente helio, las partículas cargadas que se originan en separadores de masa en línea experimentan una serie de colisiones suaves con las moléculas del gas de fondo, lo que resulta en pérdidas fraccionarias de la energía cinética de los iones y una reducción de la energía total del conjunto de iones. Sin embargo, para que esto sea efectivo, los iones deben ser contenidos mediante campos eléctricos transversales de cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ) durante el proceso de enfriamiento por colisión (también conocido como enfriamiento con gas amortiguador ). Estos enfriadores RFQ funcionan con los mismos principios que las trampas de iones cuadrupolares y han demostrado ser particularmente adecuados para el enfriamiento con gas amortiguador, dada su capacidad para el confinamiento total de iones con una gran dispersión de velocidades, correspondientes a energías cinéticas de hasta decenas de electronvoltios. Varios de los refrigeradores RFQ ya se han instalado en centros de investigación de todo el mundo y a continuación se puede consultar una lista de sus características.

Lista de instalaciones que contienen refrigeradores RFQ

Véase también

Referencias

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  • Proyecto LEBIT NSCL/MSU
  • Configuración experimental de ISOLTRAP
  • TITAN: La trampa de iones de TRIUMF para la ciencia atómica y nuclear.
  • TRIMP – Isótopos Radiactivos Atrapados: Microlaboratorios para la Física Fundamental
  • El experimento SHIPTRAP
  • El proyecto ISCOOL