В НИЯУ МИФИ создана ионная ловушка для ядерных часов

На сегодняшний день ядерные часы – задача №1 в метрологии времени и частоты. Точное измерение энергии ядерного изомерного перехода ^229mTh – ^229gTh позволит перейти к разработке оптического ядерного стандарта частоты с относительной точностью ~10^–20, что на пять порядков превосходит характеристики существующего первичного стандарта частоты типа «цезиевый фонтан» (10^–15).

Стандарт частоты с относительной погрешностью 10^-20 нужен для увеличения точности глобальной спутниковой навигационной системы, повышения эффективности удаленного обнаружения залежей редкоземельных элементов, газа и нефти. Также это поможет выявлять зависимость частоты переходов от гравитационного поля, измерять с высокой точностью некоторые фундаментальные константы (постоянная тонкой структуры, гравитационная постоянная) и проверять основы общей теории относительности и космологии.

Значение разработки атомных и ядерных стандартов частоты обусловлено их ролью в точных измерениях частоты и времени, необходимых для развития фундаментальной науки, технологий и экономики.

Однако существуют несколько ограничений, налагаемые торием. Например, торий представляет собой тугоплавкий металл с высокой температурой кипения и низким давлением паров, поэтому для ионизации применяются методы с большой энергией, что приводит к образованию ионов с большим энергетическим разбросом. К тому же ²²⁹Th радиоактивен. Для получения нужного результата необходим ²²⁹Th³⁺, поскольку трехзарядные ионы тория имеют более подходящую структуру уровней для флуоресцентной диагностики и лазерного охлаждения. Также ионы тория обладают большой активностью, даже при использовании в качестве столкновительного газа гелия ионы гелия активно реагируют с примесями. По этим причинам было необходимо создать метод захвата ионов в вакууме, эффективного в различных диапазонах энергии.

В НИЯУ МИФИ сотрудниками кафедр №10 и №78 была создана и испытана линейная квадрупольная ионная ловушка для оптической спектроскопии электронных и ядерных переходов. Конструкция источника ионов создана на базе сверхвысоковакуумного испарителя, в котором облако атомов и ионов с разными зарядами образуется из-за облучения образца пучком электронов с энергией до 1 КэВ. Линейная ионная ловушка представляет собой пять последовательных квадрупольных секций: входной квадруполь, квадрупольный масс-фильтр, квадрупольный ионопровод, квадрупольная ионная ловушка и выходной квадруполь. В разных секциях высокочастотная составляющая напряжения одинаковая, но отличаются значения напряжения смещения, что позволяет реализовывать гибкий инструмент для формирования и спектроскопических исследований ансамблей ионов.

Созданное устройство делает возможным фильтрацию и улавливание ионов в представляющем интерес диапазоне масс и энергий из ионных пучков с широким энергетическим диапазоном, а также локализацию ионов в области воздействия лазерным пучком. Предложенные прибор и метод позволяют как эффективно производить ионы тория вплоть до трехзарядных, так и захватывать их для дальнейшего спектроскопического исследования. Устройство предполагается использовать при разработке оптических часов и квантового компьютера.