Ny metode registrerer restforurenende stoffer i ultraren heliumgas

Den gas, der får balloner til at flyde, er også afgørende for videnskabelige eksperimenter. I disse forsøg, naturligt helium (Han) renses, men den indeholder en lille smule af en lidt anden form for helium, kendt som isotopen ³ Han. En prøve kan kun indeholde en ³ Han har hver million heliumatomer. Det er for meget for mange forsøg. Mange forsøg kræver ultrarent helium, med en ³ Han er mindst en million gange mindre, eller en i en billion af He -atomerne. Selvom teknikker menes at producere ultrarent helium, indtil for nylig har ingen eksperimentelle metoder bekræftet, at mængden af ³ Han til stede i en prøve er faktisk så lille. Nu, forskere ved ATLAS -anlægget ved Argonne National Laboratory har brugt accelerator -massespektrometri (AMS) til præcist at måle de meget små koncentrationer af ³ Han præsenterede.

Forskere har brug for ultrarent helium til en lang række eksperimenter. For eksempel, de bruger ultrarent helium til at studere levetiden og andre egenskaber ved en fri neutron. Gratis neutroner kan give indsigt i dannelsen af ​​universet og fysikken ud over standardmodellen, hvis det måles nøjagtigt. For at bestemme renheden af ​​helium til denne undersøgelse, holdet demonstrerede en tilgang, der når et præcisionsniveau flere størrelsesordener ud over enhver anden teknik. Teamet fandt også, at måle mængden af ​​problemer ³ Han i rensede heliumprøver beregnet til neutronundersøgelser tyder på behovet for betydelige eksperimentelle korrektioner, på grund af neutronabsorption af resten ³ Han præsenterede.

At besvare vanskelige videnskabelige spørgsmål om universets natur kræver isotopisk renset helium ( ⁴ Han). Isotopen ³ Han kan forurene helium. Nøjagtig måling af mængden af ³ Han kræver bestemmelse af ³ Han/ ⁴ Han forholder sig til værdier langt under dem, der kan opnås med standard massespektroskopi teknikker. Accelerator massespektrometri giver den eneste måde at måle direkte på ³ Han indhold i rensede heliumprøver på det følsomhedsniveau, der kræves til neutron -levetidens eksperiment, som søger at bestemme, hvor længe en fri neutron overlever. Forskere brugte ATLAS -anlægget til at demonstrere målinger af ³ Han/ ⁴ Han er så lille som 10 ⁻¹⁴ , eller 1 ud af 100, 000, 000, 000, 000. I dette arbejde, forskere indstillede ATLAS -acceleratoren, som fungerer som et ultrapræcist massefilter, med specialiserede kulstofioner. De skalerede acceleratorens komponenter til ³ Han+. At reducere atmosfærisk ³ Han forurenede, holdet producerede ³ Han+ ioner i en ny radiofrekvens -heliumudladningskilde, der reducerede naturligt forekommende baggrundskilder til ³ Han. De overvågede den endelige acceleratorindstilling ved regelmæssigt at skifte til H ³⁺ ioner fra hydrogen med høj renhed. De eliminerede H3+ -ioner og -ioner, der består af parrede deuterium- og hydrogenatomer ved dissociation i en guldfolie, efter acceleration til 8 MeV. Efter at have fjernet den anden elektron fra ³ Han+ ion, de spredte ionerne i et magnetisk spektrograf og tællede ³ Han ²⁺ ioner. Teamet forventer, at disse observationer også vil være vejledende for designet af fremtidige neutronforsøg. Baseret på kendte forbedringer, en ultimativ følsomhed over for ³ Han/ ⁴ Han er så lille som 10 ⁻¹⁵ synes at være muligt.