彭宁阱中参量缺陷对质量分辨本领影响的模拟研究

High precision nuclear masses play very important roles in the fields of nuclear physics, particle physics and nuclear astrophysics. Penning trap mass spectrometry provides so far the highest precision in the measurements of nuclear masses. The mass resolving power, one of the key factors to affect the precision, is affected by many factors. This project will set up an ion optics model, and analyze quantitatively by computer numerical simulation the impacts on the mass resolving power of a Penning trap due to the parameter imperfections, such as the deviations of electrode size and position, power supply instability, amplitude and phase differences of rf excitation voltages, magnetic field inhomogeneity and the inconsistency between magnetic field direction and the central axis of the Penning trap. The research results can provide guidance for the test and operation of the Lanzhou Penning trap (LPT) and the selection and/or design of its supporting equipment.

高精度的原子核质量在核物理、粒子物理、核天体物理等研究领域起着非常重要的作用。彭宁阱质谱是迄今为止测量精度最高的质量测量方法。质量分辨本领是测量精度的关键因素之一，它受到多种因素的影响。本项目将采用离子光学系统建模，通过计算机数值模拟，定量地分析电极尺寸与位置偏差、电源不稳定性、射频激发电压幅度和相位差偏离、磁场不均匀性，以及磁场方向与阱中轴线不一致等参量缺陷对彭宁阱质量分辨本领的影响。研究结果能为兰州彭宁离子阱的调试、运行和配套设备的选择和设计提供参考。

质量是原子核最基本的属性之一。精确的原子核质量是检验和发展核理论模型、研究原子核结构、验证标准模型、模拟天体环境中核反应过程的基础数据。目前测量精度最高的质量测量设备是彭宁阱，质量分辨本领是其重要的性能参数之一，它直接影响测量的精度。在实际运行中，彭宁阱的质量分辨本领将受到多种因素的影响。本项目简化了原有的离子光学系统模型，增加了模型的精细程度，并编写了提高模拟效率的自动化运行程序，系统地研究了多种参量缺陷对质量分辨本领的影响。通过对静电场或射频电场存在偏离情况的计算，表明兰州彭宁阱所选用的直流电源和信号源满足其运行的要求；通过对射频电场相位偏差情况的计算，说明本项目组自行研制的射频馈入系统满足兰州彭宁阱的运行需求；通过对阱束线中心线与磁场夹角的计算，表明束线与磁铁之间装配的位置偏差要小于3mm。以上研究结果为兰州彭宁离子阱的调试、运行和配套设备的选择和设计提供一定的参考。为了研究超铀核素或丰中子核素的性质，本项目涉及的兰州彭宁阱将与兰州充气谱仪、多反射飞行时间质量分析器等装置联合使用，对核反应（如熔合蒸发、多核子转移反应）产物的质量进行测量。