Время-проекционная камера применяется как детектор в физике частиц, в том числе для поиска темной материи. При благоприятном прохождении экспериментов детектор ионов на основе ВПК станет важным технологическим узлом первого компактного отечественного ускорительного масс-спектрометра.
Научные сотрудники Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» впервые испытали детектор ионов на основе ВПК низкого давления на ускорительном спектрометре MICADAS и получили первые результаты. Данное устройство было установлено вместо родного детектора MICADAS (ионизационной камеры), в котором происходит подсчет ионов изотопа С-14, по результату которого и производится датировка исследуемого образца.
В 2023 году эта время-проекционная камера впервые была установлена на отечественный ускорительный масс-спектрометр, который сделан и обслуживается Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и находится в ЦКП «Геохронологии кайнозоя» Института археологии и этнографии СО РАН. Она была успешно протестирована на пучке ионов С-14 с энергией 4 МэВ и показала себя работоспособной. Позднее данная камера была протестирована на пучке ионов С-14 с энергией 0,4 МэВ на УМС MIKADAS. При благополучном прохождении экспериментов в дальнейшем будет создана меньшая по размеру ВПК для установки на прототип первого отечественного низковольтного универсального ускорительного масс-спектрометра, который создается учеными НГУ в рамках программы «Приоритет — 2030».
Время-проекционная камера (ВПК) — в приложении к ускорительной масс-спектрометрии это методика идентификации тяжелых ионов низких энергий, основанная на измерении их длин пробегов в газе. Принцип работы следующий: ионы залетают внутрь камеры через тонкое входное окно. Далее они теряют энергию за счет ионизационных потерь. В результате вдоль трека образуется след из ионов газа и электронов. Эти электроны под действием внешнего электрического поля дрейфуют в газе с постоянной скоростью в направлении ГЭУ, где происходит их усиление. В конце усиленные электроны собираются на коллектор и оцифровываются системой сбора данных. Таким образом, время сбора электронов соответствует длине пробега иона.
— Ранее время-проекционная камера разрабатывалась для УМС ИЯФ для разделения ионов с одинаковыми атомными массами и разным зарядом ядра. Данный газовый детектор будет отделять ионы Be-10 (бериллия) от B-10 (бора). Так как ядра бора и бериллия имеют разный заряд, при равенстве начальных энергий их длины пробега в газовой среде различны и ВПК их разделит. Be-10 имеет больший период полураспада (1,39 миллиона лет) по сравнению с С-14 (5730 лет), поэтому измерение содержания Be-10 даст возможность ученым проводить датирование геологических образцов, — объяснила директор ЦКП «УМС НГУ-ННЦ» Екатерина Пархомчук.
Ускорительный масс-спектрометр MICADAS, в отличие от мультиизотопного отечественного, направлен только на обнаружение и определение количества редкого изотопа С-14 в исследуемых образцах. Ионы С-14 проходят весь ускорительный масс-спектрометр и затем попадают в газовый детектор, где происходят их идентификация и подсчет.
— В ускорительных масс-спектрометрах устанавливаются различные типы детекторов. Например, на УМС MICADAS стоит ионизационная камера. Ее мы и заменили время-проекционной камерой. Одной из важных частей ионизационной камеры MICADAS является предусилитель. Если он выйдет из строя, MICADAS остановится, и придется приобретать новый предусилитель, что в сложившихся обстоятельствах очень затруднительно, — сказал инженер Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» Алексей Петрожицкий.
Важно, что у ионизационных камер есть один существенный недостаток — они работают в таком режиме, когда отношение сигнала к шуму далеко не оптимальное. К тому же предусилитель очень требователен к электронике, в отличие от газового анализатора, которым укомплектована время-проекционная камера.
— В нашем детекторе мы усиливаем сигнал с помощью газового электронного умножителя, который существенно снижает требования к электронике системы сбора данных. К тому же наша ВПК выдает гораздо лучшее соотношение «сигнал-шум», проста в изготовлении, эксплуатации и ремонте, — прокомментировала младший научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН, Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» Тамара Шакирова.
— Нам необходимо было найти ответ на вопрос: можно ли использовать ВПК в качестве детектора ионов С-14 с энергией 0,4 МэВ? И в ходе работы пришли к положительному ответу. Мы уверены, что разработанную нами время-проекционную камеру можно использовать в качестве финального детектора на первом отечественном универсальном низковольтном ускорительном масс-спектрометре, над созданием которого мы сейчас работаем. Проводимые нами в настоящее время эксперименты направлены как раз на тестирование детектора для первого отечественного УМС, а установка MICADAS выступает в качестве доступного для нас источника пучка ионов. Это можно назвать первым кирпичиком для построения собственной установки. Когда в проекте уже имеется детектор, который регистрирует частицы, это значит, что уже перекрыт некий значительный участок проблем и к созданию нового УМС могут присоединиться другие специалисты, обеспечивающие выполнение работ на следующем этапе, — объяснила Тамара Шакирова.
В настоящий момент испытания время-проекционной камеры на MICADAS проводятся на двух типах образцов: стандартный образец ANU (IAEA-C6, сахар) c содержанием С-14, с близким к современному уровню и «бланк» (полиэтилен CH - стандарт Elemental Microanalysis B2024) c содержанием С-14 0,002 от современного уровня. Целью испытаний является оптимизация рабочих параметров: давление рабочего газа, коэффициент усиления, скорость дрейфа электронов.
— Мы собрали достаточный объем данных, а в настоящее время занимаемся их обработкой и анализом. Главное, убедились, что время-проекционная камера работает в ожидаемом нами режиме и выдает четко читаемые сигналы выше фоновых значений. Заведомо можно сказать, что С-14 мы по ним читать можем, что вполне подходит для проведения радиоуглеродного анализа образцов, — сказал Алексей Петрожицкий.
Справка
Ускорительная масс-спектрометрия — метод измерения концентрации в образце редких долгоживущих космогенных изотопов: Be-10, C-14, Al-26, Cl-36, 41Ca, I-129. Он основан на извлечении атомов из исследуемого образца с последующим «поштучным» 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 Be-10 также вызывает интерес, поскольку временной интервал датирования гораздо шире — до 10 миллионов лет.
В настоящее время ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» располагает двумя установками УМС. Первая была создана учеными Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН более 10 лет назад. Второй ускорительный масс-спектрометр MICADAS швейцарского производства приобретен в 2019 году. Ученые 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 работают над созданием отечественного низковольтного универсального ускорительного масс-спектрометра, который объединит в себе преимущества первых двух установок. Проект рассчитан на пять лет и реализуется при поддержке программы «Приоритет—2030».
Источник информации и фото: пресс-служба НГУ
Автор фото: Елена Панфило, пресс-служба НГУ
