Voorbereiding van een Isotopisch zuivere 229e Ion Beam voor studies van 229mth
Summary
We presenteren een protocol voor het genereren van een isotopisch gezuiverde lage-energie 229th Ion Beam van een 233U bron. Deze ionen straal wordt gebruikt voor de directe detectie van de 229mvan de grondtoestand verval via de interne-conversie verval kanaal. We meten ook de interne conversie levensduur van 229mth.
Abstract
Een methodologie wordt beschreven voor het genereren van een isotopisch zuivere 229th Ion Beam in de 2 + en 3 + charge States. Deze ionen straal maakt het mogelijk om de laagliggende isomere eerste opgewonden toestand van 229th te onderzoeken met een excitatie-energie van ongeveer 7,8 (5) EV en een stralings levensduur van maximaal 104 seconden. De gepresenteerde methode toegestaan voor een eerste directe identificatie van het verval van de thorium isomeer, het leggen van de fundamenten om zijn verval eigenschappen te bestuderen als voorwaarde voor een optische controle van deze nucleaire transitie. Hoge energie 229th-ionen worden geproduceerd in de α-afbraak van een radioactieve 233U-bron. De ionen worden gethermaliseerd in een buffer-gasstopcel, geëxtraheerd en vervolgens wordt een ionen straal gevormd. Deze ionen straal wordt massa gezuiverd door een vierpolige massa afscheider om een zuivere ionen straal te genereren. Om het isomere verval te detecteren, worden de ionen verzameld op het oppervlak van een microkanaalplaat detector, waarbij elektronen, zoals uitgestoten in het interne omzettings verval van de isomere toestand, worden waargenomen.
Introduction
De eerste opgewonden metastabiele-toestand in de thorium-229-kern, aangeduid als 229mth, vertoont een speciale positie in het nucleaire landschap, omdat het de laagste nucleaire excitatie-energie bezit van alle momenteel bekende ca. 176.000 nucleaire opgewonden Staten. Hoewel typische nucleaire energieën variëren van keV tot de regio MeV, bezit 229mth een energie van minder dan 10 LW boven de nucleaire grond staat1,2,3. De momenteel meest geaccepteerde energiewaarde voor deze toestand is 7,8 (5) EV4,5. Deze lage energetische waarde heeft de interesse van verschillende fysieke gemeenschappen teweegbracht en leidde tot het voorstel van verschillende interessante toepassingen. Onder hen zijn een nucleaire Laser6, een zeer stabiele Qubit voor Quantum Computing7 en een nucleaire klok8,9.
De reden dat 229mth naar verwachting een breed scala aan toepassingen aan te bieden is gebaseerd op het feit dat, vanwege zijn buitengewone lage energie, het is de enige nucleaire staat die kan leiden tot directe nucleaire Laser excitatie met behulp van momenteel beschikbare laser Technologie. Tot nu toe werd echter directe nucleaire Laser excitatie van 229mth verhinderd door onvoldoende kennis van de parameters van de metastabiele State, zoals de precieze energie en levensduur. Hoewel het bestaan van een nucleaire opgewonden staat van lage energie in 229th al werd gevermoeden in 197610, kon alle kennis over deze toestand alleen worden afgeleid uit indirecte metingen, waardoor een precieze bepaling van het verval ervan niet mogelijk was Parameters. Deze situatie is veranderd sinds 2016, toen de eerste directe detectie van de 229m-verval de deur opende voor een veelheid aan metingen, gericht op het vastzetten van de parameters van de opgewonden staat11,12. Hier wordt een gedetailleerd protocol verstrekt, waarin de afzonderlijke stappen worden beschreven die nodig zijn voor een directe detectie van 229mth zoals bereikt in het experiment van 2016. Deze directe detectie vormt de basis voor een precieze bepaling van de 229me energie en levensduur en dus voor de ontwikkeling van een nucleaire klok. In het volgende wordt het concept van een nucleaire klok als belangrijkste aanvraag voor 229mth besproken.
Met een relatieve lijnbreedte van δe/E ~ 10-20 kan de overgang van de grondtoestand van het thorium isomeer mogelijk worden aangemerkt als een nucleaire frequentie standaard (“nucleaire klok”)8,9. Als gevolg van een atoomkern ongeveer 5 ordes van grootte kleiner in vergelijking met de atomaire shell, zijn de nucleaire momenten (magnetische dipool en elektrische quadrupole) dienovereenkomstig kleiner dan die in atomen, waardoor een nucleaire klok grotendeels immuun is voor externe verstoringen (vergeleken met de huidige State-of-the-art atoomklokken). Daarom belooft een standaard voor nucleaire frequenties een zeer stabiele en nauwkeurige klok werking. Hoewel de nauwkeurigheid die is bereikt in de beste huidige atoomklokken ongeveer 2,1 X10-1813bereikt, wat overeenkomt met een afwijking van 1 seconde in een periode die aanzienlijk langer is dan de leeftijd van het universum, houden kern klokken het potentieel van een verdere verbetering die essentieel kan worden voor een groot toepassingsgebied. Op satelliet gebaseerde navigatiesystemen zoals het Global Positioning System (GPS), het wereldwijde navigatie satellietsysteem (GLONASS) of Galileo werken momenteel met een positioneringsnauwkeurigheid van enkele meters. Als dit kan worden verbeterd tot de centimeter of zelfs millimeter schaal, een overvloed aan toepassingen kunnen worden overwogen, van autonome rijden naar vracht of component tracking. Naast zeer nauwkeurige klokken, zouden dergelijke systemen een betrouwbare ononderbroken werking vereisen, met lange termijn drift stabiliteit die lange-hersynchronisatieintervallen beveiligt. Het gebruik van kern klokken zou vanuit praktisch oogpunt voordelig kunnen blijken. Verdere praktische toepassingen van (gesynchroniseerde netwerken van) nucleaire klokken kunnen liggen op het gebied van relativistische Geodesie14, waar de klok fungeert als een 3D-zwaartekrachtsensor, met betrekking tot lokale zwaartekracht POTENTIAALVERSCHILLEN δu te meten (relatief) klokfrequentie verschillen Δf/f via de relatie Δf/f =-ΔU/c2 (c die de lichtsnelheid aangeeft). De beste huidige klokken zijn geschikt voor het meten van zwaartekracht verschuivingen van hoogteverschillen van ± 2 cm. Zo kunnen uiterst nauwkeurige metingen met behulp van een nucleair klok netwerk worden gebruikt om de dynamiek van vulkanische magma kamers of tektonische plaat bewegingen te bewaken15. Bovendien werd het gebruik van dergelijke klokken netwerken voorgesteld als een instrument om te zoeken naar de theoretisch beschreven klasse van topologische donkere materie16. Uitgebreide discussie kan worden gevonden in de literatuur over de toepassing van een 229mth-gebaseerde nucleaire klok in de zoektocht naar de detectie van mogelijke temporele variaties van fundamentele constanten zoals de fijne structuur constante α of de sterke interactie parameter (m q/Δ QCD, met mq die de Quark massa en ΔQCD de schaalparameter van de sterke interactie), gesuggereerd in sommige theorieën verenigen zwaartekracht met andere interacties17. De detectie van een temporele variatie in de overgangs energie van de grondtoestand van 229mth kan een verbeterde gevoeligheid van ongeveer 2-5 ordes van grootte voor temporele variaties van de fijne structuur constante of de sterke interactie parameter 18,19,20,21,22,23,24,25,26. De huidige experimentele limiet voor een dergelijke variatie van α bedraagt (dα/DT)/α =-0,7 (2.1) 10-17/Jr27. In het volgende wordt de experimentele aanpak voor de directe detectie van de 229mvan de grond staat verval beschreven.
Bewijs voor het bestaan van de 229-thorium isomeer tot voor kort kon alleen worden afgeleid uit indirecte metingen, wat een excitatie-energie van 7,8 (5) eV suggereert (equivalent aan een golflengte in het vacuüm ultraviolette spectrum van 160 (11) nm)4 , 5. onze experimentele aanpak, gericht op een directe identificatie van de isomere grond-staat deexcitatie van de 229mth isomeer, bouwt voort op een ruimtelijke scheiding van de isomeer populatie in een buffer-gas stopcel, gevolgd door een extractie, en massa gescheiden transport naar een geschikte detectie-eenheid voor de registratie van de deexcitatie producten28,29. Zo kan de populatie en deexcitatie van de isomeer worden verstrengeld, wat resulteert in een schone meet omgeving, onaangetast door onmiddellijke achtergrond bijdragen. Populatie van de isomeer wordt bereikt via de α-verval van een radioactieve 233U-bron, waarbij een 2% verval tak niet rechtstreeks naar de grond staat van 229th, maar vult de isomere eerste opgewonden staat in plaats daarvan. α-Decay terugslag-kernen zijn gethermaliseerd in een ultra-zuivere helium atmosfeer van een buffer-gasstopcel, voordat ze worden geleid door elektrische radiofrequente (RF) en gelijkstroom (DC) velden naar een afzuigmondstuk, waar de opkomende supersonische gasstraal sleept ze in een aangrenzende vacuümkamer, huisvesting een (gesegmenteerde) Radio Frequency quadrupool (offerteaanvraag) structuur fungeert als Ion Guide, fase-ruimte koeler en mogelijk ook als lineaire Paul trap voor het bunchen van de geëxtraheerde ionen. Voor een gedetailleerde beschrijving van de buffer-gas stoppen cel en extractie offerteaanvraag Zie refs. 30 , 31 , 32. sinds tot dat moment bevat de geëxtraheerde ionen straal naast 229 (m)ook de keten van α-verval-dochter producten, wordt massascheiding uitgevoerd met behulp van een vierpolige massa separator (QMS) in een daaropvolgende vacuümkamer om uiteindelijk Genereer een isotopisch zuivere 229 (m)th Beam in selecteerbare charge toestanden (q = 1-3). Een gedetailleerde beschrijving van de QMS kan gevonden worden in refs. 33 , 34. detectie van het isomere verval werd bereikt door de ionen direct op het oppervlak van een Microchannel-Plate detector (MCP) te brengen, waar elektronen worden bevrijd, versneld naar een fosfor scherm en bekeken door een laadapparaat (CCD) Camera. Een overzicht van de experimentele opstelling wordt weergegeven in Figuur 1. Een gedetailleerde beschrijving wordt gegeven in Ref.35.
Figuur 1: overzicht van de experimentele opstelling. De thorium-229 isomeer wordt bevolkt via de 2% verval tak in het α-verval van uranium-233. 229m De ionen, die de 233U-bron verlaten vanwege hun kinetische terugslag energie, worden in een buffer gasstopcel gevuld met een helium gas van 30 mbar. De ionen worden geëxtraheerd uit het stop volume met de hulp voor RF-en DC-velden en een laag-energetische ionen straal wordt gevormd met behulp van een radiofrequente vierpolige (RFQ). De ionen straal wordt massa gezuiverd met behulp van een quadrupole-Mass-separator (QMS) en de ionen worden zachtjes geïmplanteerd in het oppervlak van een Micro-Channel-Plate (MCP) detector in combinatie met een fosfor scherm dat een ruimtelijk opgeloste detectie mogelijk maakt van optredende signalen. Met vriendelijke toestemming van Springer Research is dit cijfer gewijzigd van11. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Het volgende protocol beschrijft de onderliggende procedure voor het genereren van de 229 (m)e ionen straal die de eerste directe detectie van het verval van de grondtoestand van het thorium-isomeer mogelijk heeft gemaakt, waardoor de basis wordt gelegd voor het bestuderen van zijn verval eigenschappen als een voorwaarde voor de uiteindelijk beoogde all-optische controle van deze exotische nucleaire staat in de richting van de toepassing ervan als een ultra-precieze nucleaire frequentie standaard. Voor een betere oriëntatie wordt in Figuur 2een schematisch overzicht gegeven van de instellingen die worden gebruikt voor de directe detectie van isomere Decay11 , met een numerieke etikettering van de componenten die in het volgende protocol worden behandeld. Ook de componenten die worden gebruikt voor levenslange bepaling12 zijn vervat in een inzet.
Figuur 2: schematische schets van de experimentele opstelling die wordt gebruikt voor de detectie van isomere verval. De componenten die worden gebruikt voor levenslange metingen worden weergegeven als een inzet. Afzonderlijke onderdelen waarnaar wordt verwezen in de sectie Protocol worden numeriek gelabeld. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het bereik van de bijcoiling α Decay dochter kernen in uranium bedraagt slechts ongeveer 16 Nm. Om een hoge efficiëntie van de bron voor α-Recoil-ionen voor een bepaalde bronactiviteit te bereiken, is het verplicht om de dikte van de bronmateriaal te beperken tot dit bereik. De α terugslag extractie-efficiëntie wordt sterk beïnvloed door de reinheid van de buffergascel. Contaminaties van het stopgas zullen leiden tot het in rekening brengen van wissel-of molecuul vorming. Daarom moet de gascel zelf worden gebouwd volgens ultra-hoge vacuüm normen, in het bijzonder om een bak van de cel te maken en organische materialen binnen te vermijden. Het stopgas moet worden gezuiverd volgens technische State-of-the-Art, beginnend met de hoogste kwaliteit gaszuiverheid bijgestaan door katalytische zuivering en levering aan de gascel via een ultraschone gastoevoer leiding, deels omringd door een cryogene val om Vries onzuiverheden uit. In het algemeen is een zorgvuldige uitlijning van de centrale as van de volledige instelling op de positie van de gascel extractie nozzle essentieel voor het bereiken van een hoge transport-en detectie-efficiëntie29.
Stap 1.4.5 is de meest kritische van het protocol. Voor een efficiënte ionen extractie moet een hoge RF-amplitude worden toegepast op de trechter ring-elektrode. Echter, als de amplitude te hoog is gekozen, zullen vonken in de gascel voorkomen. De maximale haalbare RF-spannings amplitude is kritisch afhankelijk van de zuiverheid van het buffer gas. Een succesvolle toepassing van de spanning wordt bewaakt via de stroom van de trechter offset spanning. Deze stroom zal toenemen in het geval van vonken. Als er vonken hebben plaatsgevonden, moet de Bake-out procedure worden herhaald om de hoogste ionen extractie-efficiëntie te garanderen.
Een ander kritisch punt is de toepassing van de hoge spanningen op de MCP-detector (stappen 1.6.2-1.6.4). De veld emissies kunnen op de MCP voorkomen, wat leidt tot de emissie van elektronen die kunnen leiden tot artefeitelijke signalen.
Optimale ionen extractie en (gekoeld en massa gezuiverd) transport naar de detectie-eenheid vereist een zorgvuldige uitlijning van de centrale optische as. De beschikbaarheid van een optisch uitlijnings systeem (uitlijningslaser of Theodoliet) is essentieel. Het efficiënte ionen transport door de extractie offerteaanvraag en de QMS vereist een continue stabilisatie van de radiofrequentie-amplituden voor de twee tegenovergestelde fasen toegepast op elk tegenoverliggende paar hengels29. De identificatie van de extractie-of vervoersproblemen kan worden vergemakkelijkt door een ionen diagnose , bijvoorbeeld via een meerkanaalplaat detector die achter elkaar op verschillende posities langs het ionpad wordt geplaatst tijdens de inbedrijfstelling van de Setup, of alternatief, bijvoorbeeld, onder 90o achter de extractie offerteaanvraag met een hoge negatieve oppervlaktespanning (1-2 kV) om alle geëxtraheerde ionen naar de detector aan te trekken.
Tijdens het gebruik kunnen meestal twee problemen optreden. Niet alle spanningen worden correct toegepast. In dit geval meestal geen ionen worden geëxtraheerd, en men moet de plaats van niet correct toegepaste spanning te vinden. Ook zijn er onzuiverheden aanwezig in de helium buffer-gas. In dit geval zal de extractie-efficiëntie voor geïdentificeerdc geladen thorium ionen drastisch worden verlaagd en ontstaat molecuul vorming. In het slechtste geval worden zelfs vonken weergegeven wanneer de trechter spanning wordt toegepast. De reden voor een ontoereikende gaszuiverheid is doorgaans een lekkage in de gastoevoer leiding of een niet goed gesloten flens van de buffer-gasstopcel.
De beschreven methode om een schone straal van ionen te genereren die de energetisch laag liggende 229mth-isomeer bevat, kan worden toegepast op alle vergelijkbare gevallen waarin het ion van belang in aanzienlijke hoeveelheden uit de buffer gasatmosfeer kan worden geëxtraheerd. Reinheid van de gascel en buffer gas is verplicht, dus de hoeveelheid resterende gasverontreinigingen is een beperking van de gevoeligheid van de methode. Hoewel de gebruikte Microchannel-Plate detector (MCP) is gebaseerd op de detectie van elektronen, zoals hier gebruikt voor de registratie van energie-omzettings elektronen, ligt deze zaak al aan de lage-energie grens van de rendementscurve voor MCPs38, terwijl voor hogere energieën de methode aanzienlijk zou winnen in de detectie-efficiëntie.
Tot nu toe heeft de beschreven methode de enige gerapporteerde directe en ondubbelzinnige identificatie van de ontexcitatie van het thorium-isomeer. Als alternatief, vacuüm Ultra-Violet (VUV)-transparante kristallen (met grote band gaten, overschrijding van de veronderstelde excitatie energie van de isomeer) zijn gedoteerd met 229th. Het doel is om 229th-ionen in hoge (4+) laadtoestand van Crystal rooster posities te plaatsen, de-excitatie door de grote band kloof te remmen en te streven naar een excitatie van de isomeer met behulp van röntgenstralen van Synchrotron lichtbronnen. Ondanks het elegante concept van deze aanpak, tot nu toe geen VUV fluorescentie kan worden waargenomen in een reeks van experimenten gerapporteerd door verschillende groepen wereldwijd39,40,41,42,43 . Hetzelfde geldt voor een klasse van experimenten die is gericht op het realiseren van de nucleaire excitatie van de isomeer via de elektronen schil van 229th, met behulp van een zogenaamde elektron-brug overgang. Hier moet een resonante koppeling tussen een elektronen schil overgang en de nucleaire isomeer zorgen voor een efficiëntere isomeer populatie44,45. Andere experimenten die gericht zijn op het onderzoek naar de isomere eigenschappen zijn gebaseerd op microcalorimetrie46 of de observatie van de hyperfine-Shift in de atoom schelp47. Zeer recentelijk een andere methode om de isomeer in een door laser geïnduceerde plasma te prikkelen werd gerapporteerd48 en is onderworpen aan wetenschappelijke discussie binnen de Gemeenschap.
De ontdekking van de interne conversie verval kanaal van de thorium isomeer11 en de bepaling van de bijbehorende halfwaardetijd van neutrale 229mth (7 (1) μs)12 kunnen in de toekomst worden benut om te realiseren van een eerste all-Optical excitatie met een gepulseerde, instelbare VUV-laser op basis van reeds bestaande technologie. Dus het huidige paradigma dat dit veel betere kennis van de excitatie-energie en een overeenkomstige aangepaste Laser ontwikkeling zou vereisen, kan worden omzeild. In tegenstelling tot het benutten van de kennis van interne conversie-elektronen emissie, zorgt het gating van de detectie van conversie-elektronen met de laserpuls voor een hoge signaal-naar-achtergrond ratio, terwijl een scan van 1 eV van excitatie-energie in minder dan 3 dagen49. Bovendien kan een bepaling van de excitatie-energie van de isomeer, die nog steeds in uitvoering is, worden gebaseerd op de beschreven methode om de 229mlange straal te genereren door IC-verval elektronen te zenden in een magnetische-fles elektronen spectrometer met vertragende veld elektrode roosters50. Dezelfde techniek zal ook toelaten om de isomere levensduur te bepalen voor verschillende chemische omgevingen (bijvoorbeeld op grote band-gap materialen zoals CaF2 of Frozen argon) of in 229th+ evenals in het vrije, neutrale atoom.
De beschreven methode van het genereren van een isotopisch zuivere thorium Ion straal van 3 + charge State kan worden gebruikt als een instrument om thorium ionen voor toekomstige laser-spectroscopie experimenten. In dit geval kan de Ion Beam worden gebruikt om een Paul trap op een stabiele en efficiënte manier te laden. Tot nu toe is de enige alternatieve methode om 229th3 + te produceren door laser ablatie van een solide doel. Dit vereist echter hoge Laser intensiteiten en een grote hoeveelheid van 229th, wat een duur radioactief materiaal is en leidt tot de besmetting van gebruikte vacuümcomponenten. Om deze reden kan de beschreven methode van aanzienlijk voordeel zijn als het gaat om experimenten met nucleaire laser spectroscopie. Een eerste toepassing van dit type is al gepubliceerd51.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door het Horizon 2020 onderzoeks-en innovatieprogramma van de Europese Unie in het kader van subsidieovereenkomst nr. 664732 “nuClock”, door DFG Grant Th956/3-1, en door het LMU-departement van medische fysica via het Maier-Leibnitz-laboratorium.
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 |
References
- Reich, C. W., Helmer, R. G. Energy separation of the doublet of intrinsic states at the ground state of 229Th. Physical Review Letters. 64, 271-273 (1990).
- Reich, C. W., Helmer, R. G. An excited state of 229Th at 3.5 eV. Physical Review C. 49, 1845-1858 (1994).
- Guimaraes-Filho, Z. O., Helene, O. Energy of the 3/2+ state of 229Th reexamined. Physical Review C. 71, 044303 (2005).
- Beck, B. R., et al. Energy splitting of the ground-state doublet in the nucleus 229Th. Physical Review Letters. 98, 142501 (2007).
- Beck, B. R., Cerutti, F., Ferrari, A., et al. Improved value for the energy splitting of the ground-state doublet in the nucleus 229Th. , (2009).
- Tkalya, E. V. Proposal for a nuclear gamma-ray laser of optical range. Physical Review Letters. 106, 162501 (2011).
- Raeder, S., et al. Resonance ionization spectroscopy of thorium isotopes-towards a laser spectroscopic identification of the low-lying 7.6 eV isomer of 229Th. NJ. Physics. 44, 165005 (2011).
- Peik, E., Tamm, C. Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in 229Th. European Physical Letters. 61, 181-186 (2003).
- Campbell, C. J., Radnaev, A. G., Kuzmich, A., Dzuba, V. A., Flambaum, V. V. Derevianko, A Single-Ion nuclear clock for metrology at the 19th decimal place. Physical Review Letters. 108, 120802 (2012).
- Kroger, L. A., Reich, C. W. Features of the low energy level scheme of 229Th as observed in the α of 233U. Nuclear Physics A. 259, 29-60 (1976).
- vd Wense, L., et al. Direct detection of the Thorium-229 nuclear clock transition. Nature. 533, 47-51 (2016).
- Seiferle, B., vd Wense, L., Thirolf, P. G. Lifetime measurement of the 229Th nuclear isomer. Physical Review Letters. 118, 042501 (2017).
- Nicholson, T. L., et al. Systematic evaluation of an atomic clock at 2.10-18 total uncertainty. Nature Communications. 6, 7896 (2015).
- Flury, J. Relativistic geodesy. Journal of Physics – Conference. 723, 012051 (2016).
- Ludlow, A. D., Boyd, M. M., Ye, J., Peik, E., Schmidt, P. O. Optical atomic clocks. Reviews of Modern Physics. 87, 637-701 (2015).
- Derevianko, A., Pospelov, M. Hunting for topological dark matter with atomic clocks. Nature Physics. 10, 933-936 (2014).
- Uzan, J. P. The fundamental constants and their variation: observational and theoretical status. Review of Modern Physics. 75, 403-455 (2003).
- Flambaum, V. V. Enhanced effect of temporal variation of the fine structure constant and the strong interaction in 229Th. Physical Review Letters. 97, 092502 (2006).
- He, X., Ren, Z. Temporal variation of the fine structure constant and the strong interaction parameter in the 229Th transition. Nuclear Physics A. 806, 117-123 (2008).
- Litvinova, E., Feldmeier, H., Dobaczewski, J., Flambaum, V. Nuclear structure of lowest 229Th states and time dependent fundamental constants. Physical Review C. 79, 064303 (2009).
- Flambaum, V. V., Wiringa, R. B. Enhanced effect of quark mass variation in Th229 and limits from Oklo data. Physical Review C. 79, 034302 (2009).
- Rellergert, W. G., et al. Constraining the evolution of the fundamental constants with a solid-state optical frequency reference based on the 229Th nucleus. Physical Review Letters. 104, 200802 (2010).
- Hayes, A. C., Friar, J. L. Sensitivity of nuclear transition frequencies to temporal variation of the fine structure constant or the strong interaction. Physics Letters B. 650, 229-232 (2007).
- Berengut, J. C., Dzuba, V. A., Flambaum, V. V., Porsev, S. G. Proposed experimental method to determine a sensitivity of splitting between ground and 7.6 eV isomeric states in 229Th. Physical Review Letters. 102, 210808 (2009).
- Flambaum, V. V., Auerbach, N., Dmitriev, V. F. Coulomb energy contribution to the excitation energy in 229Th and enhanced effect of α variation. Europhysics Letters. 85, 50005 (2009).
- Porsev, S. G., Flambaum, V. V. Effect of atomic electrons on the 7.6 eV nuclear transition in 229mTh3+. Physical Review A. 81, 032504 (2010).
- Godun, R. M., et al. Frequency ratio of two optical clock transitions in 171Yb+ and constraints on the time variation of fundamental constants. Physical Review Letters. 113, 210801 (2014).
- vd Wense, L., Thirolf, P. G., Kalb, D., Laatiaoui, M., Thirolf, P. G. Towards a direct transition energy measurement of the lowest nuclear excitation in 229mTh. Journal of Instrumentation. 8, P03005 (2013).
- vd Wense, L., Seiferle, B., Laatiaoui, M., Thirolf, P. G. Determination of the extraction efficiency for 233U source recoil ions from the MLL buffer-gas stopping cell. European Physical Journal A. 51, 29 (2015).
- Neumayr, J. B. . The buffer-gas cell and extraction RFQ for SHIPTRAP. , (2004).
- Neumayr, J. B., et al. The ion-catcher device for SHIPTRAP. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 244, 489-500 (2006).
- Neumayr, J. B., et al. Performance of the MLL-Ion catcher. Review of Scientific Instruments. 77, 065109 (2006).
- Haettner, E. . A novel radio frequency quadrupole system for SHIPTRAP & New mass measurements of rp nuclides. , (2011).
- Haettner, E., et al. A versatile triple radiofrequency quadrupole system for cooling, mass separation and bunching of exotic nuclei. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 880, 138-151 (2018).
- vd Wense, L. On the direct detection of 229mTh. Springer Theses 2018. , (2018).
- Eberhardt, K., et al. Actinide targets for fundamental research in nuclear physics. AIP Conference Proceeding 1962s. , 030009 (2018).
- Karpeshin, F. F., Trzhaskovskaya, M. B. Impact of the electron environment on the lifetime of the 229Thm low-lying isomer. Physical Review C. 76, 054313 (2007).
- Gorugantu, R. R., Wilson, W. G. Relative electron detection efficiency of microchannel plates from 0-3 keV. Review of Scientific Instruments. 55, 2030-2033 (1984).
- Jeet, J., et al. Results of a direct search using synchrotron radiation for the low-energy 229Th nuclear isomeric transition. Physical Review Letters. 114, 253001 (2015).
- Yamaguchi, A., Kolbe, M., Kaser, H., Reichel, T., Gottwald, A., Peik, E. Experimental search for the low-energy nuclear transition in 229Th with undulator radiation. New Journal of Physics. 17, 053053 (2015).
- Stellmer, S., Schreitl, M., Schumm, T. Radioluminescence and photoluminescence of Th:CaF2 crystals. Scientific Reports. 5, 15580 (2015).
- Stellmer, S., Schreitl, M., Kazakov, G. A., Sterba, J. H., Schumm, T. Feasibility study of measuring the 229Th nuclear isomer transition with 233U-doped crystals. Physical Review C. 94, 014302 (2016).
- Stellmer, S., et al. On an attempt to optically excite the nuclear isomer in Th-229. arXiv:1803.09294 [physics.atom-ph]. , (2018).
- Porsev, S. G., Flambaum, V. V., Peik, E., Tamm, C. Excitation of the isomeric 229mTh nuclear state via an electronic bridge process in 229Th+. Physical Review Letters. 105, 182501 (2010).
- Campbell, C. J., Radnaev, A. G., Kuzmich, A. Wigner Crystals of 229Th for optical excitation of the nuclear isomer. Physical Review Letters. 106, 223001 (2011).
- Kazakov, G., et al. Prospects for measuring the 229Th isomer energy using a metallic magnetic microcalorimeter. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 735, 229-239 (2014).
- Sonnenschein, V., et al. The search for the existence of 229mTh at IGISOL. European Physical Journal A. 48, 52 (2012).
- Borisyuk, P. V., et al. Excitation energy of 229Th nuclei in laser plasma: the energy and half-life of the low-lying isomeric state. arXiv:1804.00299v1 [nucl-th]. 53, 108 (2018).
- vd Wense, L., et al. A laser excitation scheme for 229mTh. Physical Review Letters. 119, 132503 (2017).
- Seiferle, B., vd Wense, L., Thirolf, P. G. Feasibility study of Internal Conversion Electron Spectroscopy of 229mTh. European Physical Journal A. 53, 108 (2017).
- Thielking, J., et al. Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer 229mTh. Nature. 556, 321-325 (2018).
