Neue Methode erkennt Reststoffe in ultrareinem Heliumgas

So erkennt man einen Walkout direkt! Neue Methode (Juli 2019).

Anonim

Das Gas, das Ballons zum Schwimmen bringt, ist auch für wissenschaftliche Experimente von entscheidender Bedeutung. In diesen Experimenten wird natürliches Helium (He) gereinigt, aber es enthält ein winziges bisschen einer etwas anderen Form von Helium, bekannt als das Isotop 3 He. Eine Probe kann nur eine 3 He in jeder Million Heliumatome enthalten. Das ist zu viel für viele Experimente. Viele Experimente erfordern ultrareines Helium mit einer mindestens eine Million Mal kleineren 3 He-Komponente oder einer von einer Billion He-Atomen. Obwohl angenommen wird, dass Techniken ultrareines Helium erzeugen, haben bis vor kurzem keine experimentellen Verfahren bestätigt, dass die Menge an 3 He, die in einer Probe vorhanden ist, tatsächlich so gering ist. Jetzt haben Wissenschaftler der ATLAS-Anlage im Argonne National Laboratory Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) verwendet, um die sehr geringen Konzentrationen von 3 He präzise zu messen.

Wissenschaftler benötigen ultrareines Helium für eine Vielzahl von Experimenten. Zum Beispiel verwenden sie ultrareines Helium, um die Langlebigkeit und andere Eigenschaften eines freien Neutrons zu untersuchen. Freie Neutronen können Einblicke in die Entstehung des Universums und der Physik jenseits des Standardmodells liefern, wenn sie genau gemessen werden. Um die Reinheit des Heliums für diese Studie zu bestimmen, demonstrierte das Team einen Ansatz, der eine Genauigkeit erreicht, die mehrere Größenordnungen über der jeder anderen Technik liegt. Das Team fand auch heraus, dass die Messung der Menge an störendem 3 He in gereinigten Heliumproben, die für Neutronenuntersuchungen vorgesehen sind, die Notwendigkeit signifikanter experimenteller Korrekturen aufgrund der Neutronenabsorption durch das verbleibende 3 He-Vorkommen nahelegt.

Die Beantwortung schwieriger wissenschaftlicher Fragen zur Natur des Universums erfordert isotopisch gereinigtes Helium (4 He). Das Isotop 3 Er kann das Helium kontaminieren. Genau die Menge von 3 zu messen, erfordert die Bestimmung des 3 He / 4 He-Verhältnisses bei Werten, die deutlich unter denen liegen, die mit Standard-Massenspektroskopietechniken erreicht werden können. Beschleuniger-Massenspektrometrie bietet die einzige Möglichkeit, den 3 He-Gehalt in gereinigten Heliumproben auf der für das Neutronen-Lebensdauer-Experiment erforderlichen Empfindlichkeit zu messen, mit der ermittelt werden soll, wie lange ein freies Neutron überlebt. Die Wissenschaftler nutzten die ATLAS-Anlage, um Messungen von 3 He / 4 He-Verhältnissen so klein wie 10 -14 oder 1 in 100.000.000.000.000 zu demonstrieren. In dieser Arbeit haben Wissenschaftler den ATLAS-Beschleuniger, der als ultrapräziser Massenfilter dient, mit speziellen Kohlenstoffionen abgestimmt. Sie skalierten die Beschleunigerkomponenten auf 3 He +. Um die atmosphärische 3 He-Kontamination zu reduzieren, produzierte das Team die 3 He + -Ionen in einer neuen Radiofrequenz-Helium-Entladungsquelle, die natürlich vorkommende Hintergrundquellen von 3 He reduziert. Sie überwachten die endgültige Beschleunigertune, indem sie regelmäßig von hochreinem Wasserstoff auf H 3+ -Ionen umschalteten. Sie eliminierten H3 + -Ionen und Ionen, die aus gepaarten Deuterium- und Wasserstoffatomen bestehen, durch Dissoziation in einer Goldfolie, nach Beschleunigung auf 8 MeV. Nach dem Ablösen des zweiten Elektrons vom 3 He + -Ion dispergierten sie die Ionen in einem magnetischen Spektrographen und zählten die 3 He 2+ -Ionen. Das Team geht davon aus, dass diese Beobachtungen auch das Design zukünftiger Neutronenexperimente leiten werden. Basierend auf bekannten Verbesserungen scheint eine ultimative Empfindlichkeit für 3 He / 4 He-Verhältnisse so klein wie 10 -15 machbar zu sein.

menu
menu