Preparing an Isotopically Pure <sup>229</sup>Th Ion Beam for Studies of <sup>229m</sup>Th

Lars von der Wense; Benedict Seiferle; Ines Amersdorffer; Peter G. Thirolf

doi:10.3791/58516

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Ingenieurwesen

Preparación de un haz de iones isótopológicos ^{de 229}Th para estudios de ^229mTh

Published: May 03, 2019

doi:

10.3791/58516

Lars von der Wense¹, Benedict Seiferle¹, Ines Amersdorffer¹, Peter G. Thirolf¹

¹Faculty of Physics,Ludwig-Maximilians-Universität München

Summary

Presentamos un protocolo para la generación de un haz de iones ²²⁹Th purificado isotópicamente de una fuente de²³³U. Este haz de iones se utiliza para la detección directa de la decadencia del estado de tierra de ^229mTh a través del canal de descomposición de conversión interna. También medimos la vida útil de la conversión interna de ^229mTh también.

Abstract

Se describe una metodología para generar un haz de iones ²²⁹Th isótopoticamente puro en los estados de carga 2+ y 3+. Este haz iónico permite investigar el estado de primer excitado isosórico de baja altura de ²²⁹Th a una energía de excitación de aproximadamente 7.8(5) eV y una vida útil radiativa de hasta 10⁴ segundos. El método presentado permitió una primera identificación directa de la decadencia del isómero de torio, sentando las bases para estudiar sus propiedades de descomposición como requisito previo para un control óptico de esta transición nuclear. Los iones de alta energía ²²⁹Th se producen en la descomposición de una fuente radiactiva de ²³³U. Los iones se térmican en una celda de parada de gas tampón, se extrae y posteriormente se forma un haz de iones. Este haz de iones es purificado en masa por un separador de masa cuadrúpedo para generar un haz de iones puro. Con el fin de detectar la descomposición isomérica, los iones se recogen en la superficie de un detector de placas de microcanal, donde se observan los electrones, tal como se emiten en la decadencia de conversión interna del estado isomérico.

Introduction

El primer estado metastable excitado en el núcleo de torio-229, denotado como ^229mTh, exhibe una posición especial en el paisaje nuclear, ya que posee la energía de excitación nuclear más baja de todos los actualmente conocidos alrededor de 176,000 estados excitados nucleares. Mientras que las energías nucleares típicas van desde keV hasta la región MeV, ^229mTh posee una energía de menos de 10 eV por encima del estado de tierra nuclear¹^,²^,³. El valor de energía más aceptado actualmente para este estado es 7.8(5) eV⁴^,⁵. Este bajo valor energético ha suscitado interés por diferentes comunidades físicas y ha llevado a la propuesta de varias aplicaciones interesantes. Entre ellos se encuentran un láser nuclear⁶, un qubit altamente estable para la computación cuántica⁷ y un reloj nuclear⁸^,⁹.

La razón por la que se espera que ^229mTh ofrezca una amplia variedad de aplicaciones se basa en el hecho de que, debido a su extraordinaria baja energía, es el único estado nuclear que podría permitir la excitación láser nuclear directa utilizando el láser disponible actualmente Tecnología. Hasta ahora, sin embargo, la excitación láser nuclear directa de ^229mTh se vio prevenida por el conocimiento insuficiente de los parámetros del estado metátable, como su energía y vida útil precisas. Aunque la existencia de un estado excitado nuclear de baja energía en ²²⁹Th ya fue conjeturada en 1976¹⁰, todo conocimiento sobre este estado sólo podía deducirse de mediciones indirectas, no permitiendo una determinación precisa de su descomposición Parámetros. Esta situación ha cambiado desde 2016, cuando la primera detección directa de la descomposición de ^229mTh abrió la puerta a una multitud de mediciones con el objetivo de fijar los parámetros del estado excitado¹¹^,¹². Aquí, se proporciona un protocolo detallado, que describe los pasos individuales necesarios para una detección directa de ^229mTh como se logró en el experimento de 2016. Esta detección directa proporciona la base para una determinación precisa de la energía y la vida útil de ^229mTh y, por lo tanto, para el desarrollo de un reloj nuclear. A continuación se discutirá el concepto de reloj nuclear como la aplicación más importante para ^229mTh.

Con un ancho de línea relativo de e/E-10^-20,la transición de estado de tierra del isómero de torio puede ser potencialmente un estándar de frecuencia nuclear («reloj nuclear»)⁸^,⁹. Debido a un núcleo atómico de aproximadamente 5 órdenes de magnitud más pequeña en comparación con la cáscara atómica, los momentos nucleares (dipolo magnético y cuadrúpolo eléctrico) son por lo tanto más pequeños que los de los átomos, lo que hace que un reloj nuclear sea en gran medida inmune a perturbaciones (en comparación con los relojes atómicos actuales). Por lo tanto, un estándar de frecuencia nuclear promete un funcionamiento de reloj altamente estable y preciso. Aunque la precisión alcanzada en los mejores relojes atómicos presentes alcanza aproximadamente 2.1×10^-18¹³, correspondiente a una desviación de 1 segundo en un período de tiempo considerablemente más largo que la edad del universo, los relojes nucleares tienen el potencial de un mejora que podría llegar a ser esencial para un vasto campo de aplicaciones. Los sistemas de navegación por satélite como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), el Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS) o Galileo actualmente funcionan con una precisión de posicionamiento de unos pocos metros. Si esto pudiera mejorarse a una escala de centímetro o incluso milímetros, se podría prever una gran cantidad de aplicaciones, desde la conducción autónoma hasta el seguimiento de carga o componentes. Además de los relojes de alta precisión, estos sistemas requerirían un funcionamiento ininterrumpido fiable, con estabilidad de deriva a largo plazo que asegura intervalos de resincronización largos. El uso de relojes nucleares podría resultar beneficioso desde este punto de vista práctico. Otras aplicaciones prácticas de (redes sincronizadas de) relojes nucleares podrían estar en el campo de la geodesía relativista^14,donde el reloj actúa como un sensor de gravedad 3D, relacionando las diferencias de potencial gravitacional local -U a medida (relativa) diferencias de frecuencia de reloj a través de la relación f/f-U/c²(c que indica la velocidad de la luz). Los mejores relojes presentes son capaces de realizar cambios gravitacionales a partir de diferencias de altura de aproximadamente 2 cm. Por lo tanto, las mediciones ultraprecisas utilizando una red de reloj nuclear podrían utilizarse para monitorear la dinámica de las cámaras de magma volcánica solosicas o los movimientos de placas tectónicas¹⁵. Además, se propuso el uso de estas redes de reloj como herramienta para buscar la clase teóricamente descrita de materia oscura topológica¹⁶. En la literatura se puede encontrar una amplia discusión sobre la aplicación de un reloj nuclear basado en La Th de ^229men la búsqueda de la detección de posibles variaciones temporales de constantes fundamentales como la constante de estructura fina o la fuerte interacción parámetro (m_q/ QCD , con m_q que representa la masa del quark y_QCD el parámetro de escala de la interacción fuerte), sugerido en algunas teorías unificando la gravedad con otras interacciones¹⁷. La detección de una variación temporal en la energía de transición de estado terrestre de ^229mTh puede proporcionar una sensibilidad mejorada en aproximadamente 2-5 órdenes de magnitud para las variaciones temporales de la constante de estructura fina o el parámetro^{de interacción fuerte 18}^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶. El límite experimental actual para tal variación de á asciende a (d./dt)/-0,7(2,1)10^-17/año²⁷. A continuación se describirá el siguiente enfoque experimental para la detección directa de la decadencia del estado tierra de ^229mTh.

Las pruebas de la existencia del isómero de 229-torio hasta hace poco sólo podían deducirse de mediciones indirectas, lo que sugiere una energía de excitación de 7.8(5) eV (equivalente a una longitud de onda en el rango espectral ultra-violeta de vacío de 160(11) nm)⁴ ^, ⁵. Nuestro enfoque experimental, con el objetivo de identificar directamente la desexcitación isómero de estado terrestre isomio isomerico de ^229mTh, se basa en una separación espacial de la población isómero en una célula de parada de gas tampón, seguida de una extracción, y transporte separado en masa hacia una unidad de detección adecuada para registrar los productos de desexcitación^28,²⁹. Por lo tanto, la población y la desexcitación del isómero pueden ser desenredadas, lo que resulta en un ambiente de medición limpio, no afectado por contribuciones rápidas de fondo. La población del isómero se logra a través de la descomposición de la é de una fuente radiactiva ^{de 233}U, donde una rama de descomposición del 2% procede no directamente al estado del suelo de ²²⁹Th, sino que puebla el estado isomerico de primera excitación en su lugar. Los núcleos de retroceso de la decaimiento de la decaimiento se térmican en una atmósfera de helio ultrapura de una célula de parada de gas tampón, antes de ser guiados por campos de radiofrecuencia eléctrica (RF) y corriente directa (DC) hacia una boquilla de extracción, donde el chorro de gas supersónico emergente arrastra en una cámara de vacío adyacente, que alberga una estructura (segmentada) de cuadrúpolo de radiofrecuencia (RFQ) que actúa como guía iónica, enfriador de espacio de fase y potencialmente también como trampa lineal Paul para amontojar los iones extraídos. Para obtener una descripción detallada de la celda de parada de gas tampón y la solicitud de presupuesto de extracción, consulte Refs. ³⁰ ^, ³¹ ^, ³². Dado que hasta ese momento la viga iónica extraída contiene además de ^229(m)Th también la cadena de productos hijas de descomposición, la separación de masa se realiza utilizando un separador de masa cuadrúpolo (QMS) en una cámara de vacío posterior para finalmente generar un haz de ^229(m)Th isótopoticamente puro en estados de carga seleccionables (q-1-3). Puede encontrar una descripción detallada del QMS en Refs. ³³ ^, ³⁴. La detección de la descomposición isomérica se logró al afectar los iones Th directamente en la superficie de un detector de placas microcanal (MCP), donde los electrones son liberados, acelerados hacia una pantalla de fósforo y vistos por un dispositivo acoplado a la carga (CCD) Cámara. En la Figura 1se muestra una descripción general de la configuración experimental. En la referencia³⁵.

Figura 1: Descripción general de la configuración experimental. El isómero de torio-229 se puebla a través de la rama de descomposición del 2% en la descomposición del uranio-233. ^229m Los iones, que salen de la fuente de ²³³U debido a su energía de retroceso cinético, se térmican en una célula de parada de gas tampón llena de gas helio de 30 mbar. Los iones se extraen del volumen de parada con la ayuda para los campos RF y DC y se forma un haz de iones de baja energía con la ayuda de un cuadrúpolo de radiofrecuencia (RFQ). El haz de iones se purifica en masa con la ayuda de un separador de masa cuadrúpeco (QMS) y los iones se implantan suavemente en la superficie de un detector de placa microcanal (MCP) combinado con una pantalla de fósforo que permite la detección espacialdeo de cualquier señales que ocurren. Con el permiso amable de Springer Research, esta figura ha sido modificada a partir de¹¹. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El siguiente protocolo describe el procedimiento subyacente para generar el haz de iones ^229(m)Th que permitió la primera detección directa de la decadencia del estado del suelo del isómero de torio, sentando así las bases para estudiar sus propiedades de descomposición como requisito previo del control totodoóptico finalmente previsto de este exótico estado nuclear hacia su aplicación como norma de frecuencia nuclear ultraprecisa. Para una mejor orientación, se proporciona una visión general esquemática de la configuración utilizada para la detección directa de la descomposición isomérica^11, que contiene un etiquetado numérico de los componentes abordados en el protocolo siguiente. También los componentes utilizados para la determinación de vida útil¹² se contienen como un reintegro.

Figura 2: Boceto esquemático de la configuración experimental utilizada para la detección de descomposición isomérica. Los componentes utilizados para la medición de la vida útil se muestran como un reintegro. Los componentes individuales a los que se hará referencia en la sección de protocolo se etiquetan numéricamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

Nota: Los números indicados en el Protocolo se haráreferencia nalhecho a Figura 2. 1. Detección directa de la decadencia isomérica Th-229 Montaje de la fuente de uranio 233 Monte la fuente de 233-uranio (1) a través de una abertura de brida de acceso en la cámara de vacío de la célula de gas hasta el extremo ascendente del sistema de electrodos de anillo de embudo (2) dentro de la célula de gas (3).NOTA: La fuente 290 kBq, 90 mm de diámetro 233U se produjo a través de chapado molecular sobre una oblea Si con esputo de titanio36. Con el fin de lograr una eficiencia óptima de retroceso de la fuente, su espesor no debe exceder de 16 nm, siendo el rango de frenado de 84 keV 229Th en uranio. Conecte el cable al montaje de origen para permitir un desplazamiento de CC de la fuente. Cierre y cierre la brida de acceso y conecte el cableado externo a la fuente de 233U. Evacuación de la cámara de vacío y hornear Inicie la evacuación del sistema de vacío completo iniciando la bomba de vacío de desbaste (4) si se apaga (controlada a través de una interfaz de usuario basada en ordenador (5)) y abra las tres válvulas (accionadas a mano) (6) que conectan las partes individuales del bombeo diferencial etapas de la bomba de desbaste.NOTA: Comience a abrir las válvulas de las cámaras aguas abajo de la célula de gas con válvula de compuerta abierta (7) hacia la bomba molecular turbo de la célula de gas para crear un gradiente de presión que evite que las posibles contaminaciones de las cámaras aguas abajo se succionen en el cámara de células de gas donde se exige la mayor limpieza. Una vez que las presiones han alcanzado un nivel en el rango de sub-mbar (leer a través de la interfaz de usuario (5)) iniciar las bombas turbo de la célula de gas (8), la radiofrecuencia de extracción quadrupole (RFQ) (9) y el separador de masa cuadrúpolo (QMS) (10). (opcional) Abra la válvula de derivación (11) para permitir también una evacuación eficiente del tubo de suministro de gas. Continúe bombeando durante unas pocas (4-5) horas hasta alcanzar la presión de saturación, típicamente en el rango de 10-7 mbar bajo. Iniciar el sistema de cocción (12) a través de la interfaz de usuario (5) con una curva de calentamiento de rampa ascendente (normalmente de 20 oC a 40 oC por hora) a un máximo de 130 oC. Mantenga la cocción del sistema de vacío a 130 oC durante 1-2 días hasta que las lecturas de presión comiencen a disminuir. Iniciar la secuencia de enfriamiento del sistema de horneado a través de la interfaz de usuario (5) con una secuencia de descenso, típicamente 20 oC – 40 oC por hora.NOTA: El enfriamiento del sistema normalmente requiere 8 horas y se realiza durante la noche. La preparación exitosa del sistema de vacío se logra cuando la presión celular final después de enfriar los rangos por debajo de 5×10-10 mbar. Las presiones en la cámara RFQ y QMS estarán en el rango de 10-9 mbar y 10-8 mbar, respectivamente. Conecte el cableado externo a la cámara de vacío de RFQ. Preparación del sistema de gas y suministro de ultra-puro He Encienda el purificador de gas MonoTorr (13) y espere 20 minutos hasta que haya alcanzado su temperatura de funcionamiento. Cierre la válvula de derivación (11) si está abierta. Abrir el cilindro He-gas (14) (Se utiliza una pureza del 99,9999 % para la operación). Abra la válvula reductora de presión (15) hasta que se muestre una presión de aproximadamente 0,5 bar. Abra la válvula que conecta el reductor de presión al tubo de gas (16). Abra el control de flujo de gas (17) hasta que se muestre un flujo de gas de aproximadamente 1,1 (correspondiente a aproximadamente 5 mbar l/s). Enjuague el tubo de gas durante unos 10 minutos para eliminar los gases residuales de la tubería. Cierre la válvula que conecta el reductor de presión al tubo de gas (16). Espere unos minutos hasta que el Que sea retirado de la tubería de gas. (opcional) Para obtener la mayor pureza del gas tampón, llene la criotrampa (18) con nitrógeno líquido. Ponga la válvula de compuerta (7) entre la célula de gas tampón y su bomba molecular turbo en funcionamiento automático y cierre la válvula a través de la interfaz de usuario (5). Abra la válvula que conecta el reductor de presión al tubo de gas (16).NOTA: La celda de parada de gas tampón ahora está llena de alrededor de 30 mbar de gas He. De esta manera, las presiones RFQ y QMS se elevan a 10-4 mbar y 10-5 mbar, respectivamente. Ajuste la velocidad rotativa de la bomba turbomolecular de la cámara de vacío de extracción-RFQ (9) al 50% para establecer una presión ambiente de unos 10-2 mbar. Aplicar los campos de guía eléctricos para la extracción continua de iones Aplique un potencial de CC a la fuente de 233-uranio (1) de 39 V en modo continuo a través de una fuente de tensión de CC personalizada (19). Aplique un gradiente potencial de CC de 4 V/cm (que va de 35 V a 3 V) a través de una fuente de alimentación de CC (20) y un desplazamiento de voltaje de 3 V a través de una fuente de compensación de CC de 24 canales (21) al sistema de electrodo de anillo de embudo segmentado de 50 veces. Todos los voltajes se controlan con la interfaz de usuario basada en computadora (5). Aplique un potencial de CC de normalmente 2 V al electrodo de la boquilla de extracción (22) con la ayuda de la misma interfaz de usuario basada en computadora (5). Aplique un gradiente potencial de CC a la extracción-RFQ segmentada de 12 veces (27).NOTA: El voltaje de cada segmento se puede aplicar individualmente con la ayuda de la interfaz de usuario basada en ordenador (5) a través de la fuente de compensación de CC de 24 canales (21). Se aplica una tensión de 1,8 V al segmento más cercano a la boquilla de extracción. Los voltajes de los segmentos subsiguientes se reducen escalonadamente en 0,2 V, lo que resulta en una tensión de 0 V aplicada al décimo segmento de rfq. Esto corresponde a un gradiente de CC de 0,1 V/cm. En caso de transporte continuo previsto de los iones extraídos se aplica una tensión de 0 V a los segmentos 11 y 12 de RFQ. Para ello, la fuente de tensión de CC del segmento de 12 oRFQ (23) se deja en 0 V y el módulo de disparo personalizado (24) se establece en modo de funcionamiento continuo. Aplique frecuencia y amplitud de RF al sistema de electrodos de anillo de embudo a través de un generador de funciones (25) y un amplificador de RF lineal (26).NOTA: Los valores típicos de frecuencia y amplitud son850 kHz y 220 V pp, respectivamente. Los voltajes se pueden controlar con una interfaz de usuario basada en computadora (5). Durante la aplicación de voltaje de RF de embudo, supervise la corriente de la fuente de compensación de CC del embudo (21). En caso de chispas, que pueden ocurrir si la pureza del gas tampón es insuficiente, esta corriente comenzará a aumentar. Aplicar frecuencia de RF (normalmente 880 kHz) y amplitud (normalmente 120-250 Vpp )a la radiofrecuencia de extracción quadrupole (27) (extracción-RFQ) a través de un generador de frecuencia (28) y dos amplificadores rf (29, 30), uno para la RFQ y otro para el individuo electrodo de amontonamiento. La tensión se puede controlar con la interfaz de usuario basada en ordenador (5). Aplique un potencial de CC de -1 V al electrodo de salida (31) de la extracción-RFQ a través de una fuente de tensión Mesytec MHV-4 DC (32). Aplique voltajes de compensación de CC al separador de masa quadrupole (33) (QMS). La tensión de compensación del QMS (electrodo central y lentes Brubaker) se elige para ser -2 V a través de módulos de desplazamiento de CC personalizados (34,35). Inicie el separador de masa quadrupole (33) QMS encendiendo el generador de funciones QMS (36), el amplificador rf (37) e iniciando la interfaz de usuario QMS (38). En la interfaz de usuario del QMS se inserta la relación masa sobre carga de la especie de iones seleccionada (normalmente 76 u/e o 114.5 u/e, para la extracción de Th3+ o Th2+,respectivamente). También se inserta la aceptación QMS (normalmente de 1 a 2 u/e) y la frecuencia RF (normalmente 825 kHz).NOTA: El programa Labview aplicará y controlará automáticamente la amplitud de RF y los potenciales de CC necesarios para la selección de iones. Las amplitudes RF requeridas varían de 600 a 1500 Vpp y los potenciales de CC oscilan entre 50 V y 120 V. Los potenciales de CC para la separación de masa según selosunfable (39) generan los potenciales de CC para la separación de masas. Se implementa un bucle de retroalimentación para la estabilización de voltaje RF y DC. Aplique el potencial de CC a la estructura de electrodos triodicas focalización (40) detrás del QMS (-2 V/- 62 V/-22 V) a través del módulo de alimentación de tensión Mesytec de 4 canales (MHV-4) (32). Sondear la extracción de iones y ajustar el QMS Aplique un atractivo potencial de superficie de -1000 V a la placa frontal del detector de placas microcanal de doble placa (geometría de chevron) (41) (MCP) a través de un módulo de alta tensión (HV) (42). Aplique un potencial de +900 V en la parte posterior de la segunda placa MCP a través de un módulo HV (43). Aplique un potencial de +5.000 V a la pantalla de fósforo (44) colocada detrás del detector MCP a través de un módulo HV (45). Encienda la cámara CCD (46) detrás de la pantalla de fósforo y configure los parámetros de exposición de la cámara CCD en la interfaz gráfica de usuario correspondiente en el PC de adquisición de datos (47).NOTA: La cámara CCD se coloca en una carcasa ligera (48) para cubrir la detección de la luz ambiental. En caso de que la extracción se esté ejecutando correctamente y los iones estén pasando a través del QMS, una señal fuerte debe ser visible en la pantalla de fósforo causada por el impacto iónico de los iones extraídos. Esta señal ahora es monitoreada por la cámara CCD. Realice un escaneo de masa para sondear la forma de la señal y, en consecuencia, ajuste el QMS para extraer las especies de iones deseadas.Nota: Este es un procedimiento iterativo llevado a cabo con la ayuda de la interfaz de usuario QMS (38). Seleccione una relación de carga sobre carga deseada (normalmente 114,5 u/e para 229Th2+) y la potencia de resolución QMS (normalmente 1 u/e) y, a continuación, sondee la señal de impacto iónico a través de la cámara CCD. Cambie la masa seleccionada en pasos de 0,5 u/e hasta que se observe una señal. Tan pronto como se observa una señal, la sonda si también la señal 233U2+ es observable desplazando la relación masa sobre la carga de 2 u/e a masas más altas. Si también se observa esta señal, sondee si las señales se pueden separar. Si este no es el caso, adapte la potencia de resolución QMS hasta que se puedan distinguir claramente las señales 229Th2+ y 233U2+. A continuación, configure el QMS para extraer sólo las 229especies de iones2+. Detección de la descomposición isomérica Apague el sensor de presión QMS (49) a través de la unidad de control del sensor de presión (50) para reducir el fondo del helio ionizado y la luz producida por el sensor. Ajuste los parámetros del QMS para extraer las especies de iones Th2+ o Th3+ para la detección de descomposición isomérica. Reducir el potencial superficial de la placa frontal del detector MCP (41) a -25 V vía (42) para evitar detectar la señal de electrones que se originan directamente desde el impacto iónico de los iones que afectan. De esta manera se logra un “aterrizaje suave” de los iones 229(m)Th en la superficie MCP antes de la descomposición isomérica. Aplique un potencial de aceleración de típicamente +1,900 V a la segunda placa MCP para una amplificación óptima de electrones a través de (43). Aplique un potencial de aceleración de típicamente +6,000 V a la pantalla de fósforo colocada detrás del detector MCP a través de (45).NOTA: Los voltajes realmente aplicados dependerán del rendimiento de MCP. Inicie la secuencia de adquisición de imágenes CCD y almacene los datos en el disco a través de la interfaz de usuario de la cámara (47). Utilice los programas Matlab para la evaluación y el postprocesamiento de imágenes.NOTA: Una descripción de los programas y cómo se utilizan se puede encontrar en la Referencia35 Apéndice B.3. Los datos sin procesar de los marcos de imagen, así como los programas utilizados para la evaluación, se han puesto a disposición en línea en DOI 10.5281/zenodo.1037981. 2. Medición de la Vida Media de 229m Th (Re-arreglo de la Configuración) Apague y desahogue el sistema. Apague los altos voltajes del sistema de detección MCP (42,43,45), el QMS (37,38), el sistema de embudo (25,26) y la rfQ de extracción (28,29,30). (Opcional) Apague todos los voltajes de CC restantes. Cierre manualmente el sistema de suministro He (válvulas 14 y 16) y espere hasta que la presión de la célula de parada de gas tampón se reduzca a menos de 2 mbar. Abra la válvula de compuerta que conecta la bomba turbo a la celda de parada de gas tampón (7) a través de la interfaz de usuario (5) y espere hasta que el He se retire completamente del sistema. Cierre la válvula (17) de la línea de suministro de gas y apague el purificador de gas (13). Ajuste la válvula de compuerta (7) a la operación manual para evitar que se cierre cuando el sistema se ventila con nitrógeno seco. Cierre las tres válvulas que conectan las bombas turbo con la bomba de desbaste (6) y apague las tres bombas turbo (8,9,10). Encienda el sensor de presión QMS (49). Espere hasta que la velocidad de rotación de las bombas turbo se reduzca significativamente por debajo de 100 Hz como se supervisa en la interfaz de usuario (5). Llene la dewar (51) con nitrógeno líquido y abra lentamente la válvula de ventilación (52). Espere varios minutos hasta que el sistema esté completamente ventilado con nitrógeno seco.NOTA: Alternativamente, se podría utilizar nitrógeno seco de un cilindro de gas. Pero en este caso, se debe tener cuidado de que no se produzca sobrepresión (porejemplo, mediante la inserción de una válvula de sobrepresión o un disco de ruptura). El uso del aire también es una alternativa, pero conducirá a tiempos de evacuación ligeramente más largos debido a la humedad. Cierre la válvula de ventilación (52). Sustituya el MCP por una pantalla de fósforo (41,44) por un pequeño detector MCP de un solo ánodo (53) Desconecte y retire la cámara CCD (46) junto con la carcasa hermética (48). Desconecte el detector MCP con pantalla de fósforo (41,44). Abra la brida de vacío que conecta el MCP y la pantalla de fósforo con la cámara de vacío. Coloque el MCP de un solo ánodo (53) con una distancia de unos pocos mm detrás de la salida del sistema de extracción de trío (40) y conecte los tres cables que conectan la placa frontal (42), la placa posterior (43) y el ánodo del MCP (54) con los avances eléctricos. Cierre la cámara de vacío, el sistema ya está listo para la evacuación y hornear. Proporcione el cableado externo del ánodo único MCP a los módulos HV y al sistema de lectura. Evacuación del sistema y hornear Evacúe el sistema de vacío siguiendo los pasos 1.2.1 a 1.2.3. Siga el procedimiento de bake-out de los pasos 1.2.4 a 1.2.8. Preparación de la tubería de gas y el suministro de ultra-puro He Siga los pasos 1.3.1 a 1.3.12.NOTA: Para el funcionamiento en modo agrupado normalmente operamos la turbobomba RFQ a una velocidad de rotación del 100 %, lo que resulta en una presión en el rango de 10-4 mbar. Aplique los campos de guía eléctrica para el amontonamiento de iones Aplique un potencial de CC de 69 V a la fuente de 233-uranio (1) a través de la fuente de tensión de CC personalizada (19). Aplique un gradiente potencial de CC de 4 V/cm (que va de 65 V a 33 V) a través de la fuente de alimentación de CC (20) y un desplazamiento de voltaje de 33 V a través de la fuente de compensación de 24 canales CC (21) al sistema de electrodo de anillo de embudo segmentado de 50 veces. Todos los voltajes se controlan con la interfaz de usuario basada en computadora (5). Aplique un potencial de CC de 32 V al electrodo de la boquilla de extracción (22) con la ayuda de la misma interfaz de usuario basada en computadora (5). Aplique un gradiente potencial de CC a la solicitud de extracción segmentada de 12 veces.NOTA: El voltaje de cada segmento se puede aplicar individualmente con la ayuda de la interfaz de usuario basada en ordenador (5) a través de la fuente de compensación de CC de 24 canales (21). Se aplica una tensión de 31,8 V al segmento más cercano a la boquilla de extracción. Los voltajes de los segmentos subsiguientes se reducen escalonadamente en 0,2 V, lo que resulta en una tensión de 30 V aplicada al 10o segmento de rfq. Esto corresponde a un gradiente de CC de 0,1 V/cm. En caso de creación de un haz amontonado, los iones se almacenan y enfrían en el electrodo 11. Por lo tanto, el 11o electrodo se establece en 25 V y el último segmento de RFQ se eleva a 44 V a través de la fuente de tensión de CC (23) para acumular iones en el cubo potencial local antes de liberar el racimo de iones bajando el último segmento de electrodo a 0 V dentro de un microsegundo , activado por un módulo de disparo personalizado (24). Ajuste el módulo de disparo (24) al modo de racimo. El módulo de disparo permite un ajuste de la velocidad de disparo y la sincronización. Normalmente, 10 Hz se elige como la velocidad de disparo. Aplique las tensiones restantes al sistema, siguiendo los pasos 1.4.5 a 1.4.10. Sondear la extracción de iones y ajustar el QMS Apague el sensor de presión QMS (49) a través de la unidad de control del sensor de presión (50) para reducir el fondo del helio ionizado y la luz producida por el sensor. Aplique un atractivo potencial superficial de -2.000 V a la placa frontal del ánodo único MCP (52) a través de un módulo HV (42). Aplique un potencial de -100 V en la parte posterior del MCP. El ánodo MCP se establece en tierra. Encienda el módulo de fuente de alimentación de 12 V (55) para el preamplificador MCP (56).NOTA: Los iones individuales que afectan al detector MCP ahora se cuentan con la ayuda del preamplificador (56), un amplificador (57) y un discriminador de fracción constante (CFD) (58). La señal CFD se envía a una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) del PC utilizado para el control QMS y se puede monitorear a través de la interfaz de usuario QMS (38). Realice un escaneo de masa para sondear la forma de la señal y, en consecuencia, ajuste el QMS para extraer las especies de iones deseadas.NOTA: Esto se hace con la ayuda de la interfaz de usuario de QMS (38). Para ello, se establece una relación inicial y final de masa sobre carga (por ejemplo, 110 u/e a 120 u/e para el rango de masa 229Th2+), así como la potencia de resolución (por ejemplo, 1 u/e) y el tiempo de integración (5 s) por paso de escaneo y la masa el escaneo se inicia pulsando el botón de escaneo. En caso de que la extracción esté funcionando correctamente y los iones estén pasando el QMS, las señales fuertes de torio y uranio serán visibles causadas por el impacto iónico de los iones extraídos. Medición de por vida Ajuste los parámetros del QMS para extraer las especies de iones Th2+ o Th3+ para la detección de descomposición isomérica. Reduzca el potencial superficial de la placa frontal del detector MCP (52) a -25 V vía (42) con el fin de reducir la señal de impacto iónico. Aplique un potencial de aceleración de típicamente +1,900 V a la segunda placa MCP para una amplificación óptima de electrones a través de (43). Aplique un potencial acelerado de típicamente +2,100 V al ánodo MCP a través de (53). Inicie la adquisición de datos a través de un escalador de microcanal (59).NOTA: El preamplificador (56) y el escalador de microcanal (59) permiten una lectura resuelta por tiempo del detector MCP. Los racimos de iones y el escalador de microcanal son activados por el módulo de disparo (24). La señal del escalador se obtiene a través de una interfaz de usuario labview (60). Una cola de descomposición exponencial de unos 10 microsegundos de vida se hace visible después de los racimos iónicos, correspondientes a la descomposición isosórica de torio.

Representative Results

El método descrito anteriormente permitió la extracción de productos de descomposición de la uedesunta de una fuente de 233U colocada dentro de una célula de parada de gas tampón, operado a unos 30 mbar de gas helio ultrapuro a temperatura ambiente. Por primera vez hasta iones cargados triplicados podrían ser extraídos de un dispositivo de este tipo con alta eficiencia29. La Figura 3a muestra el espectro de masa de iones extraídos de la célula de gas tampón, mostrando tres grupos de productos de 233U-decay (más aductos contaminantes que lo acompañan) en estados iónicos por separado, doblemente y triplicados. Cabe destacar el dominio de 229Th3+ extracción en comparación con 233U3+,mientras que ambas especies se extraen con aproximadamente la misma intensidad cuando se cargan doblemente. Este hecho se utilizó para mediciones comparativas con 233iones U, lo que permitió la exclusión de cualquier impacto iónico como origen de la señal. Figura 3 : Identificación de la descomposición directa del isómero de 229-torio. a) Escaneo de masa completo realizado con la fuente 233U 129. Las unidades se dan como masa atómica (u) sobre carga eléctrica (e). b) Comparación de señales MCP obtenidas durante la acumulación de torio y uranio en los estados de carga 2+ y 3+ (según lo indicado por las flechas que enlazan con el escaneo en masa). 233 usted y 234fuentes U fueron utilizadas (el número de fuente se da en el lado derecho de cada fila). Cada imagen corresponde a una medida individual de 2.000 s de tiempo de integración (apertura de 20 mm de diámetro indicada por el círculo discontinuo). Las mediciones se realizaron a una tensión superficial MCP de -25 V para garantizar el aterrizaje suave de los iones. c) Señal de la decadencia isomérica 229Th obtenida durante la extracción 229Th3+ con fuente 1. Se logra un diámetro de área de señal de aproximadamente 2 mm (FWHM). La intensidad máxima de la señal obtenida es 0,08 recuentos/(s mm2) a una velocidad de fondo de aproximadamente 0,01 recuentos /(s mm2). Con permiso amable de Springer Research 11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Después del transporte, enfriamiento y separación de masa, el haz iónico afecta a la superficie de un detector de placas microcanal, donde un bajo y atractivo potencial superficial asegura la supresión de las señales de impacto iónicas y deja sólo electrones que surgen de la Canal de descomposición de conversión (IC) del isómero 229mTh que se multiplicará en el campo eléctrico fuerte de los canales de la placa detectora. Las señales MCP resultantes obtenidas para tres fuentes de uranio diferentes se muestran en la Figura 3b. La especie iónial de iones cargados doblemente o triplicantemente que fue seleccionada con la ayuda del separador de masa cuadrúpolo en cada medida individual se indica por las flechas del panel superior. Se muestran imágenes adquiridas con la cámara CCD detrás de la pantalla de fósforo, en las que se aceleraron los electrones del MCP. El campo de visión de la cámara CCD se indica mediante los círculos discontinuos para los iones triplicados (primeras dos columnas) y doblemente cargados (las dos últimas columnas) 229Th y 233U, respectivamente. La fila superior representa el resultado obtenido para una fuente de 233U de área pequeña (ca. 1000 extraídos 229Th3+ iones por segundo, fuente 1), mientras que la fila inferior muestra lo mismo para una fuente más fuerte con alrededor de 10,000 extraídos 229 Th 3+ iones por segundo, fuente 1), mientras que la fila inferior muestra lo mismo para una fuente más fuerte con alrededor de 10,000 extraídos 229Th3+ iones por segundo (fuente 3). Es obvio que en ambos casos se obtiene una señal clara para 229Th, mientras que no se observa ninguna indicación de una señal de electrones para 233U 11. Con el fin de probar que esta señal de hecho se origina a partir de una desexcitación nuclear y no de un proceso de concha atómica, la fila central muestra la imagen de la cámara resultante cuando se utiliza una fuente de 234U, donde la descomposición de la parte -rellena el isótopo vecino 230 Th, con una estructura nuclear electrónica comparable, pero diferente. Como se esperaba para 230Th, no se encuentra ninguna indicación de una señal de electrones de conversión en ninguno de los casos estudiados. Por lo tanto, la señal fuerte, que se muestra en la Figura 3c con una excelente relación señal-fondo, está claramente correlacionada con la decadencia de 229mTh. En la Figura 4se muestran mediciones de verificación adicionales para respaldar esta interpretación. Muestran dos mediciones para dar más evidencia de que las señales de electrones registradas efectivamente se originan a partir de la descomposición del isómero nuclear: en la Figura 4a se muestra que el atractivo potencial superficial del detector MCP fue variado de -100 V ( favoreciendo la aparición de electrones de impacto iónico) hasta 0 V, comparando las tasas de recuento registradas con el MCP para los iones extraídos 229Th2+ (rojo) y 233U2+ (azul). Claramente la tasa de recuento baja a cero para 233U2+ al realizar un ‘aterrizaje suave’ de los iones entrantes con una tensión de superficie por debajo de ca. -40 V, mientras que una tasa de recuento considerable se mantiene para 229Th2+ hasta el umbral de 0 V. En la Figura 4b, la curva azul muestra la velocidad de recuento de electrones registrada para iones extraídos después de una fuerte aceleración hacia la superficie del detector MCP con -2000 V. Impacto iónico de 233U2+ y 229Th2+ iones se observa con aproximadamente la misma intensidad, como ya se muestra para los iones doblemente cargados en el espectro de masa extraído de la Figura 3a. La curva roja muestra el mismo escenario, sin embargo ahora para un “aterrizaje suave” de iones entrantes con un potencial de superficie MCP de -25 V. Ya no hay indicación de la señal de impacto iónico de 233U2+, mientras que para 229Th2+ queda una señal, originada por la decaimiento de la conversión interna isomérica11. Figura 4 : Mediciones de verificación de la descomposición del isómero. a) 229Th2+ señal (roja) en comparación con 233U2+ (azul) en función de la tensión de superficie MCP. Los errores se indican mediante bandas sombreadas. b) Señal de iones extraídos en función de la relación masa-carga detrás del QMS para voltajes de superficie MCP de -25 V (decaimiento del isómero, rojo) y -2.000 V (impacto iónico, azul). Tenga en cuenta los diferentes tiempos de integración y escalas de eje. Además de la señal en 114.5 u/e (correspondiente a 229Th2+), se produce una señal adicional a 117.5 u/e, que se origina a partir de la decadencia isomérica de 235U. Con permiso amable de Springer Research11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Por lo tanto, puede probarse inequívocamente (junto con argumentos adicionales dados en la Referencia 11) que la señal observada en la Figura 4 se origina a partir de la decadencia isoérica de 229mTh y representa la primera identificación directa de la desinformación de este isómero esquino. Posteriormente, la extracción-RFQ segmentada se operó como una trampa lineal de Paul para crear un haz de iones agrupado, permitiendo así mediciones de por vida del isómero de torio. Dado que nuestro alto vacío a temperatura ambiente no permite tiempos de almacenamiento suficientemente largos para investigar la vida útil radiativa esperada de hasta 104 segundos, sólo un límite inferior de t1/2 > 1 minuto podría derivarse para carga de 229mTh Th iones, limitado por el tiempo máximo de almacenamiento de iones alcanzable en la trampa lineal Paul11. Sin embargo, utilizando la misma estrategia de detección aplicada antes para la identificación de la descomposición isómero después de la neutralización de los iones de torio en la superficie de un detector MCP, la vida útil mucho más corta esperada para los átomos neutros de 229mTh el deterioro de la conversión interna proporciona acceso a la información de por vida12. La Figura 5a muestra la forma esperada del espectro de tiempo de decaimiento simulado para un racimo de iones con un ancho de pulso de 10 s. Mientras que la curva roja indica la señal de impacto iónico y la señal de una decadencia exponencial con una vida media de 7 s está representada por la curva gris con una larga cola de descomposición, la señal esperada de la decadencia del isómero de torio, compuesta tanto por el impacto iónico como por la e decaimiento isomérico xfijol, se ilustra con la curva azul. La Figura 5b muestra el resultado de la medición correspondiente para 233U3+ (rojo) y 229Th3+ (azul), respectivamente. Mientras que los iones de uranio sólo exhiben su señal de impacto iónico, para 229-thorium claramente se puede observar la cola de descomposición esperada de la descomposición isómero12. Figura 5 : Simulado y medido de las características de impacto y descomposición de iones temporales. a) Simulación de las características del tiempo de decaimiento isómero de 229Th bunches. La simulación se basa en una forma de racimo medida y la suposición de que el 2 % de los iones 229Th están en estado isomérico con una vida media de 7 s después de la neutralización. Se supone que la eficiencia de detección de electrones es 25 veces mayor que la eficiencia de detección de iones. b) Medición de la descomposición isomérica con un haz de iones de 229(m)Th3+ agrupado (azul). Una medida comparativa con 233U3+ se muestra en rojo. Con amable permiso de la Sociedad Física Estadounidense12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. El ajuste de la cola de descomposición con un ajuste exponencial (correspondiente a un ajuste lineal a la representación logarítmica en la Figura 6) finalmente da como resultado una vida media del isómero neutro de 229mTh de 7(1) s12. Este valor está muy bien de acuerdo con la reducción de la vida útil teóricamente esperada en nueve órdenes de magnitud a partir de los 104 segundos de aprox. en el caso del isómero cargado debido al gran coeficiente de conversión deic 109 37. Figura 6 : Apto para 229m Curva de descomposición. Gráfica logarítmica de las características de descomposición temporal para 229(m)Th2+ iones (a) y 229(m)Th3+ iones (b) junto con una curva de ajuste aplicada para extraer la vida media isomérica de 229mTh después de la recombinación de carga en la superficie del detector MCP. Con amable permiso de la Sociedad Física Estadounidense12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

El rango de retroceso de los núcleos de la hija de descomposición en el uranio asciende a sólo unos 16 nm. Con el fin de lograr una alta eficiencia de la fuente para los iones de retroceso para una actividad de origen determinada, es obligatorio limitar el espesor del material de origen a este rango. La eficiencia de extracción de retroceso se ve fuertemente afectada por la limpieza de la célula de gas tampón. Las contaminaciones del gas de parada conducirán al intercambio de carga o a la formación de moléculas. Por lo tanto, la propia célula de gas tiene que ser construida de acuerdo con estándares de vacío ultra-alto, en particular para permitir una cocción de la célula y evitar cualquier material orgánico en el interior. El gas de parada debe purificarse de acuerdo con el estado técnico de la técnica, a partir de la pureza de gas de mayor grado asistida por la purificación catalítica y la entrega a la célula de gas a través de una línea de suministro de gas ultralimpia, parcialmente rodeada por una trampa criogénica para congelar las impurezas. En general, la alineación cuidadosa del eje central de la configuración completa a la posición de la boquilla de extracción de células de gas es esencial para lograr una alta eficiencia de transporte y detección^29.

El paso 1.4.5 es el más crítico del protocolo. Para la extracción eficiente de iones, se debe aplicar una alta amplitud de RF al electrodo de anillo de embudo. Sin embargo, si la amplitud se elige demasiado alta, se producirán chispas en la célula de gas. La amplitud máxima de voltaje RF alcanzable depende críticamente de la pureza del gas tampón. Una aplicación exitosa de la tensión se monitorea a través de la corriente de la tensión de desplazamiento del embudo. Esta corriente aumentará en el caso de chispas. Si se han producido chispas, el procedimiento de bake-out debe repetirse para garantizar la máxima eficiencia de extracción de iones.

Otro punto crítico es la aplicación de los altos voltajes al detector MCP (pasos 1.6.2-1.6.4). Las emisiones de campo pueden ocurrir en el MCP, lo que conduce a la emisión de electrones que pueden conducir a señales artefactofactuales.

La extracción óptima de iones y el transporte (refrigerado y purificado en masa) hacia la unidad de detección requieren una alineación cuidadosa del eje óptico central. La disponibilidad de un sistema de alineación óptica (láser de alineación o teodolita) es esencial. El transporte iónico eficiente a través de la RFQ de extracción y el QMS requiere una estabilización continua de las amplitudes de radiofrecuencia para las dos fases opuestas aplicadas a cada par opuesto de varillas^29. La identificación de los problemas de extracción o transporte puede facilitarse mediante un diagnóstico iónico realizado, por ejemplo, a través de un detector de placas multicanal colocado ya sea consecutivamente en diferentes posiciones a lo largo de la trayectoria iónica durante la fase de puesta en marcha de la configuración, o alternativamente, por ejemplo, por debajo de 90^o detrás de la RFQ de extracción con un alto voltaje negativo de la superficie (1-2 kV) para atraer todos los iones extraídos hacia el detector.

Durante el funcionamiento normalmente pueden surgir dos problemas. No todos los voltajes se aplican correctamente. En este caso por lo general no se extraen iones, y uno tiene que encontrar el lugar de voltaje no aplicado correctamente. Además, las impurezas están presentes en el gas tampón de helio. En este caso, la eficiencia de extracción de iones de torio cargados triply se reducirá drásticamente y se producirá la formación de moléculas. En el peor de los casos, incluso las chispas aparecerán cuando se aplique la tensión del embudo. La razón de la pureza insuficiente del gas es típicamente una fuga en la línea de suministro de gas o una brida no debidamente cerrada de la celda de parada de gas tampón.

El método descrito para generar un haz limpio de iones que contiene el isómero de ^229mTh de 229m energéticamente bajo se puede aplicar a todos los casos comparables en los que el ion de interés se puede extraer de la atmósfera de gas tampón en cantidades considerables. La limpieza de la célula de gas y el gas tampón es obligatoria, por lo que la cantidad de impurezas de gas restantes es una limitación a la sensibilidad del método. Mientras que el detector de placas microcanal (MCP) empleado se basa en la detección de electrones, como se explota aquí para el registro de electrones de conversión de baja energía, este caso ya se encuentra en el borde de baja energía de la curva de eficiencia para MCPs³⁸, mientras que para las energías más altas el método ganaría significativamente en la eficiencia de detección.

Hasta ahora, el método descrito ha proporcionado la única identificación directa e inequívoca de la desexcitación del isómero de torio. Alternativamente, los cristales ultra-violetas (VUV) transparentes de vacío (con grandes huecos de banda, superando la supuesta energía de excitación del isómero) se dopaden con ²²⁹Th. El objetivo es colocar ²²⁹th iones en alto (4⁺) estado de carga de posiciones de celosía cristalina, inhibir la desexcitación por la brecha de banda grande y apuntar a una excitación del isómero utilizando rayos X de fuentes de luz sincrotrón. A pesar del concepto elegante de este enfoque, hasta el momento no se pudo observar fluorescencia VUV en una serie de experimentos reportados por varios grupos en todo el mundo^39,⁴⁰^,⁴¹^,⁴²^,⁴³. Lo mismo ocurre con una clase de experimentos que tiene como objetivo realizar la excitación nuclear del isómero a través de la cáscara de electrones de ²²⁹Th, utilizando una llamada transición de puente de electrones. Aquí un acoplamiento resonante entre una transición de la cáscara de electrones y el isómero nuclear debe permitir una población de isómeros más eficiente⁴⁴^,⁴⁵. Otros experimentos que apuntan a la investigación de las propiedades isoméricas se basan en la microcalorimetría⁴⁶ o la observación del hipercambio en la cáscara atómica⁴⁷. Recientemente se informó de otro método para excitar el isómero en un plasma inducido por láser⁴⁸ y está sujeto a discusión científica dentro de la comunidad.

El descubrimiento del canal de descomposición de conversión interna del isómero de torio¹¹ y la determinación de la vida media correspondiente de ^229mTh neutro (7(1) s)¹² pueden ser explotados en el futuro para realizar una primera vida media tofáloga excitación con un láser VUV pulsado y ajustable basado en la tecnología ya existente. Por lo tanto, el paradigma actual de que esto requeriría un mejor conocimiento de la energía de excitación y un correspondiente desarrollo láser personalizado puede ser eludido. Por el contrario, explotar el conocimiento de la emisión interna de electrones de conversión, la detección de electrones de conversión con el pulso láser proporcionará una alta relación señal-fondo, al tiempo que permite un escaneo de 1 eV de energía de excitación en menos de 3 días⁴⁹. Por otra parte, una determinación de la energía de excitación del isómero, todavía en curso, puede basarse en el método descrito de generación del haz de ^229mTh mediante el envío de electrones de decaimiento IC en un espectrómetro de electrones de botella magnética con retardo rejillas de electrodos de campo⁵⁰. La misma técnica también permitirá determinar la vida útil isomérica para diferentes entornos químicos (por ejemplo, en materiales grandes de banda-brecha como CaF₂ o argón congelado) o en ²²⁹Th^+, así como en el átomo libre y neutro.

El método descrito de generación de un haz de iones de torio isótopoticamente puro de 3+ estado de carga se puede utilizar como una herramienta para proporcionar iones de torio para futuros experimentos de espectroscopia láser. En este caso, el haz iónico se puede utilizar para cargar una trampa Paul de una manera estable y eficiente. Hasta ahora, el único método alternativo es producir ²²⁹Th³⁺ por ablación láser de un objetivo sólido. Esto, sin embargo, requiere altas intensidades láser y una gran cantidad de ²²⁹Th, que es un material radiactivo caro y conduce a la contaminación de los componentes de vacío utilizados. Por esta razón, el método descrito puede ser de ventaja significativa cuando se trata de experimentos de espectroscopia láser nuclear. Ya se ha publicado una primera aplicación de este tipo⁵¹.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de Subvención No 664732 “nuClock”, por la subvención de DFG Th956/3-1, y por el departamento de Física Médica de la LMU a través del Maier-Leibnitz-Laboratory.

Materials

Uranium-233 Source	Institut für Radiochemie Universität Mainz	customized	290 kBq U-233 deposited onto 90 mm diameter
RF funnel	Secamus Laserschneidtechnik GmbH	customized	50 ring electrodes, laser cut and electropolished
Buffer-gas stopping cell	Workshop of LMU Munich	customized	Vacuuchamber DN200 CF for buffer-gas stopping cell
Roughing pump	Leybold	Screwline SP 250	Roughing pump for entire system
Roughing pump control	Siemens	Micromaster 420	Control unit for Screwline SP 250
Vacuum gauge Prepressure	Pfeiffer	TPR 265	Pressure control for roughing pump
Vacuum gauge cell 1	Pfeiffer	CMR 261	Pressure control for cell (high-pressure range)
Vacuum gauge cell 2	Pfeiffer	PBR 260	Pressure control for cell (low-pressure range)
Vacuum gauge RFQ	Pfeiffer	PKR 261	Pressure control for RFQ pressure read-out
Pressure gauge QMS	Pfeiffer	PKR 261	Pressure control for QMS pressure read-out
Pressure control unit	Pfeiffer	TPG 256 A	Control unit for all pressure gauges
Control PC 1	Fujitsu	unknown	Control computer for buffer-gas stopping cell
Simatic with CPU	Siemens	S7-300	Simatic for automation and control
Simatic without CPU	Siemens	ET 200M	Simatic for automation and control
Vacuum valves	SMC	XLH-40	Vacuum valves for evacuation control
UHV gate valve	VAT	48240-CE74	Gate valve for cell closing during operation
Turbo-Molecular pump 1	Pfeiffer	TMU 400M	Turbo pump for cell
Control unit for TMP 1	Pfeiffer	TCM 1601	Control unit for TMP TMU 400M
Turbo-Molecular pump 2	Pfeiffer	HiMag 2400	Trubo pump for RFQ
Turbo-Molecular pump 3	Edwards	STP 603	Trubo pump for QMS
Control unit for TMP 3	Edwards	SCU-800	Control unit for TMP Edwards STP 603
Bypass valve of gas tubing	Swagelok	SS-6BG-MM	Valve to bypass the mass-flow controller
Heating sleeves	Isopad	customized	Heating sleeves for bake out of cell and RFQ
Temperature sensors	Isopad	TAI/NM NiCrNi	Temperature sensors for bake-out system
Heating control unit	Electronic workshop of LMU Munich	customized	Control unit for Isopad heating sleeves
Catalytic gas purifier	SAES MonoTorr	PS4-MT3-R-2	Gas purifier for ultra-pure helium supply
He gas cylinder	Air Liquide	He 6.0, 50 liters	Helium of 99.9999 % purity
Pressure reducer	Druva	FMD 502-16	Pressure reducer for He gas cylinder
Valve of gas supply	Swagelok	SS-6BG-MM	Valve to open or close the gas supply
Mass flow control	AERA	FC-780CHT	Mass flow control valve for He supply
control unit for mass flow valve	Electronic workshop of LMU Munich	customized	Control unit for AERA mass flow control
Gas tubing	Dockweiler	Ultron	electropolished gas tubing for He supply
Cryogenic trap	Isotherm	unknown	cryogenic trap for He purification (optional)
DC voltage supply for source	Electronic workshop of LMU Munich	customized	DC offset voltage supply for U-233 source
DC voltage supply for funnel	Heinzinger	LNG 350-6	Power supply for DC gradient of funnel
DC voltage supply for RFQ	Iseg	unknown	DC voltage supply for funnel offset, nozzle and RFQ
Laval nozzle	Friatec AG	customized	Laval nozzle for He and ion extraction
DC voltage supply for buncher	Heinzinger	LNG 350-6	DC supply for bunching electrode
Trigger module	Electronic workshop of LMU Munich	customized	Trigger module for bunched operation
RF generator for funnel	Stanford Research Systems	SRS DS 345	RF generator for funnel
RF amplifier for funnel	Electronic Navigation Industries	ENI 240L-1301	Rf amplifier for funnel
RF phase divider for funnel	Electronic workshop of LMU Munich	customized	RF phase divider for funnel
RF+DC mixer for funnel	Electronic workshop of LMU Munich	customized	Voltage divider and RF+DC mixer for funnel voltage
Extraction RFQ	Workshop of LMU Munich	customized	Extraction RFQ for ion-beam formation or storage
RF generator for RFQ	Stanford Research Systems	SRS DS 345	RF generator for RFQ
RF amplifier for RFQ	Electronic workshop of LMU Munich	customized	RF amplifier for RFQ
RF amplifier for bunch electrode	Electronic workshop of LMU Munich	customized	RF amplifier for bunch electrode
RF+DC mixer for RFQ	Electronic workshop of LMU Munich	customized	Mixes the RF and DC potentials for RFQ voltage
RFQ exit electrode	Workshop of LMU Munich	customized	2-mm diameter exit aperture for differential pumping
4 Channel DC supply	Mesytec	MHV 4	DC offset for aperture and triode
QMS	Workshop of LMU Munich	customized	Quadrupole mass separator for m/q selection
Brubaker DC offset module	Electronic workshop of LMU Munich	customized	DC offset supply for Brubaker lenses of QMS
QMS DC offset module	Electronic workshop of LMU Munich	customized	DC offset supply for QMS
USB-to-Analog converter	EA Elektro-Automatik	UTA12	to generate signal for QMS HV shifter
QMS HV shifter	Electronic workshop of LMU Munich	customized	to shift the voltage of the QMS DC module
QMS DC module	Electronic workshop of LMU Munich	customized	Module to provide DC voltages for QMS
RF generator for QMS	Tektronix	AFG 3022B	RF generator for QMS
RF amplifier for QMS	Electronic workshop of LMU Munich	customized	RF amplifier for QMS
Picoscope	Pico Technology	Picoscope 4227	Oscilloscope for QMS RF control
Control PC 2	Fujitsu	Esprimo P900	Control computer for QMS
Triode extraction system	Workshop of LMU Munich	customized	Set of three ring electrodes to guide ions
MCP detector	Beam-Imaging-Solutions	BOS-75-FO	MCP detector with phosphor sreen
DC voltage supply for MCP	Keithley Instruments	HV Supply 246	Voltage supply for MCP front side
DC voltage supply for MCP	CMTE (NIM module)	HV 3160	Voltage supply for MCP back side
DC voltage supply for MCP	Fluke	HV Supply 410B	Voltage supply for phosphor sreen
CCD camera	PointGrey	FL2-14S3M-C	CCD camera for image recording
Control PC 3	Fujitsu	Esprimo P910	Control computer for CCD camera
Light-tight housing	Workshop of LMU Munich	customized	Light tight wooden box for CCD camera
Dewar for LN2 supply	Isotherm	unknown	Dewar to provide dry nitrogen for venting
Evaporator for LN2	Workshop of LMU Munich	customized	Evaporator to provide dry nitrogen
Single anode MCP detector	Hamamatsu	F2223	Single anode MCP for lilfetime measurement
DC voltage supply for MCP	Fluke	HV supply 410B	Voltage supply for MCP anode
Power supply for preamplifier	Delta Elektronika	E 030-1	Power supply for preamplifier
Preamplifier for MCP signals	Ortec	VT120A	Preamplifier for MCP signals
Amplifier for MCP signals	Ortec (NIM module)	Ortec 571	Amplifier for MCP signals
CFD	Canberra	1428A	Constant-fraction-discriminator for MCP signals
Multichannel Scaler	Stanford Research	SR 430	Multichannel scaler for signal read-out
Control PC 4	Fujitsu	Esprimo P920	Control computer for scaler read-out
Labview	National Instruments	various versions	Program used for measurement control
Matlab	Mathworks Inc.	version 7.0	Program used for data analysis

Referenzen

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Wense, L. v. d., Seiferle, B., Amersdorffer, I., Thirolf, P. G. Preparing an Isotopically Pure ²²⁹Th Ion Beam for Studies of ^229mTh. J. Vis. Exp. (147), e58516, doi:10.3791/58516 (2019).