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

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

הכנת קרן Isotopically טהורה ²²⁹Th יון ללימודים של ^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

אנו מציגים פרוטוקול עבור הדור של isotopically מטוהר נמוך אנרגיה ²²⁹Th יון קרן ממקור²³³U. קרן יון זו משמשת לגילוי ישיר של הריקבון ^229mהקרקע במצב דרך ההמרה הפנימי המרה הערוץ. אנו גם למדוד את חיי ההמרה הפנימי של ^229mכמו גם.

Abstract

מתודולוגיה מתוארת כדי להפיק קרן יון isotopically טהורה ²²⁹Th בתוך 2 + ו 3 + מדינות החיוב. קרן יון זה מאפשר לאחד לחקור את נמוך לשקר איזואריק המצב הראשון נרגש של ²²⁹Th באנרגיה עירור של כ-7.8 (5) eV ו החיים קרינה של עד 10⁴ שניות. השיטה המוצגת מותרת לזיהוי ישיר ראשון של הריקבון של תוריום איזומר, הנחת היסודות לחקור את מאפייני הריקבון שלה כתנאי מוקדם לשליטה אופטית של המעבר הגרעיני הזה. אנרגיה גבוהה ²²⁹יוני מיוצרים בדעיכה של מקור ²³³U רדיואקטיבי. היונים מופרים בתא עצירת גז, מופק ולאחר מכן נוצרת קרן יונים. קרן היונים הזאת מטוהרת על-ידי מפריד. בעל ארבעה ממונים כדי ליצור קרן יון טהורה על מנת לזהות את הריקבון איזואריק, היונים נאספים על פני השטח של גלאי צלחת מיקרו ערוצים, שבו אלקטרונים, כפי שנפלט ההמרה הפנימי המרה של המדינה איזואריק, הם נצפו.

Introduction

המדינה הנרגשת הראשונה ביותר בגרעין thorium-229, מסומן ^229mTh, מציג מיקום מיוחד בנוף הגרעיני, כפי שהוא בעל אנרגיה עירור הגרעינית הנמוכה ביותר של כל הידוע כיום ca. 176,000 מדינות גרעיניות נרגש. בעוד מגוון רחב של אנרגיות גרעיניות מקוו עד לאזור MeV, ^229mיש אנרגיה של מתחת 10 eV מעל מצב הקרקע גרעינית¹^,²^,³. ערך האנרגיה המקובל ביותר עבור מצב זה הוא 7.8 (5) eV⁴^,⁵. ערך אנרגיה נמוך זה עורר עניין מקהילות פיזיות שונות והוביל להצעת מספר יישומים מעניינים. ביניהם הם לייזר גרעינית⁶, קיוביט יציבה מאוד עבור מיחשוב קוונטי⁷ ושעון גרעיני⁸^,⁹.

הסיבה ^229mTh צפוי להציע מגוון רחב של יישומים מבוסס על העובדה, בשל האנרגיה הנמוכה יוצא דופן שלה, היא המדינה הגרעינית היחידה שיכולה לאפשר עירור לייזר גרעיני ישיר באמצעות לייזר זמין כעת טכנולוגיה. עד כה, עם זאת, עירור ישיר לייזר גרעיני של ^229mTh היה מונע על ידי ידע מספיק של הפרמטרים של המדינה המטאורווה כמו האנרגיה המדויקת שלה חיים. למרות שקיומה של מצב של אנרגיה גרעינית ב229 Th כבר הושג בשנת 1976¹⁰, כל הידע על מדינה זו יכול להיות רק משתמעת ממדידות עקיפות, לא לאפשר קביעה מדויקת של הריקבון שלה פרמטרים. מצב זה השתנה מאז 2016, כאשר הזיהוי הישיר הראשון של הריקבון ^229mפתחה את הדלת עבור המון מדידות במטרה להצמיד את הפרמטרים של המדינה נרגש¹¹^,¹². כאן, פרוטוקול מפורט מסופק, אשר מתאר את הצעדים הבודדים הנדרשים לאיתור ישיר של ^229mTh כפי שהושג בניסוי של 2016. גילוי ישיר זה מספק את הבסיס לקביעה מדויקת של האנרגיה והחיים ^ה229mולכן לפיתוח שעון גרעיני. בעקבות המושג של שעון גרעיני כיישום החשוב ביותר עבור ^229mיהיה דן.

עם רוחב שורה יחסית של ΔE/E ~ 10^-20מעבר מדינה הקרקע של תוריום איזוer בפוטנציה פוטנציאלי כתקן תדר גרעיני (‘ השעון הגרעיני ‘)⁸^,⁹. בשל גרעין אטומי על 5 הזמנות של גודל קטן יותר לעומת המעטפת האטומית, הרגעים הגרעיניים (דיפול מגנטי וכפול 4 חשמלי) הם בהתאם קטנים יותר אלה אטומים, עיבוד שעון גרעיני בעיקר החיסונית נגד חיצוני רטבאליות (בהשוואה לשעונים האטומיים החדישים). לכן, תקן תדר גרעיני מבטיח פעולת שעון יציבה ומדויקת מאוד. למרות הדיוק שהושג השעונים האטומית הטוב ביותר מגיע כ 2.1 x10^-18¹³, המתאים לסטייה של שנייה אחת בתקופה משמעותית יותר מאשר גיל היקום, שעונים גרעיניים להחזיק את הפוטנציאל של עוד שיפור שיכול להיות חיוני לשדה עצום של יישומים. מערכות ניווט המבוססות על לווין, כגון מערכת המיקום הגלובלית (GPS), מערכת לווין ניווט גלובלי (GLONASS) או גלילאו לפעול כעת עם דיוק מיקום של כמה מטרים. אם זה יכול להיות שיפור בגודל סנטימטר או אפילו מילימטר, שפע של יישומים יכול להיות שנראה מיושן, מנהיגה אוטונומית להובלה או מעקב אחר רכיבים. מלבד שעונים מדויקים ביותר, מערכות כאלה ידרשו הפעלה אמינה ללא הפרעה, עם יציבות סחיפה ארוכת טווח המאבטח מרווחי זמן לסנכרון ארוך. השימוש בשעונים גרעיניים יכול להפוך למועיל מנקודת מבט מעשית זו. יישומים מעשיים נוספים של (רשתות מסונכרנות של) השעונים הגרעיניים יכול לשכב בתחום של הגיאוסובית הגאודאסי¹⁴, היכן השעון מתפקד כחיישן הכבידה 3d, הנוגעים הבדלים פוטנציאליים הכבידה המקומי ΔU למדוד (יחסי) הבדלים בתדר השעון Δf/f באמצעות היחס Δf/f =-ΔU/c²(c המציין את מהירות האור). השעונים הנוכחיים ביותר מסוגלים לחוש משמרות כבידה מפני הבדלי גובה של כ ± 2 ס מ. כך, מדידות אולטרה מדויקות באמצעות רשת שעון גרעיני יכול לשמש כדי לפקח על הדינמיקה של תאי מאגמה וולקנית או תנועות הלוח הטקטוניים¹⁵. יתר על כן, השימוש ברשתות שעון כאלה הוצע ככלי כדי לחפש את המעמד התיאורטי המתואר של חומר הטופולוגי מבחינה תיאורטית¹⁶. דיון נרחב ניתן למצוא בספרות על היישום של ^229mTh מבוסס שעון גרעיני בחיפוש אחר גילוי של וריאציות הזמני הפוטנציאלי של קבועים בסיסיים כמו מבנה בסדר קבוע המבנה או אינטראקציה חזקה פרמטר (m_q/Δ_qcd, עם m_q המייצג את המסה קווארק ו Δ_qcd את הפרמטר בקנה מידה של אינטראקציה חזקה), הציע כמה תיאוריות המאחד את כוח המשיכה עם אינטראקציות אחרות¹⁷. גילוי של וריאציה זמנית באנרגיית המעבר של מצב הקרקע של ^229mיכול לספק רגישות משופרת על-ידי כ 2-5 הזמנות של סדר גודל עבור וריאציות הזמני של קבוע מבנה משובח או הפרמטר^{אינטראקציה חזקה 18}^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵,²⁶. הגבול הניסיוני הנוכחי עבור וריאציה כזו של α סכומים (dα/dt)/α =-0.7 (2.1) 10^-17/yr²⁷. בעקבות הגישה הניסיונית לגילוי ישיר של ריקבון הקרקע ^ה229m, יתואר.

עדות לקיומו של 229-תוריום איזומר עד לאחרונה ניתן להסיק רק ממדידות עקיפות, מציע אנרגיה עירור של 7.8 (5) eV (שווה ערך לאורך הגל בטווח ספקטרלי ואקום אולטרה סגול של 160 (11) nm)⁴ ^, ⁵. הגישה הניסיונית שלנו, המכוונות לזיהוי ישיר של הקרקע הקרקעית של איזואריק ^ב229m‘ איזורר ‘, מתבססת על הפרדה מרחבית של אוכלוסיית איזורר בתאי מאגר לעצירת גז, ולאחריה מיצוי, והובלה בכמויות המונים ליחידת זיהוי מתאימה כדי לרשום את המוצרים הדעירור²⁸^,²⁹. לפיכך ניתן לשלול את האוכלוסייה והעירור של איזורר, וכתוצאה מכך סביבת מדידה נקיה, שאינה מושפעת מתרומות רקע מבקשות. אוכלוסיית איזוer מושגת באמצעות הריקבון α ממקור ²³³U רדיואקטיבי, שם 2% הענף ריקבון ההכנסות לא ישירות למצב הקרקע של ²²⁹Th, אבל מאכלס את המדינה הראשונה הנרגשת איזואריק במקום. α-גרעיני הפליטה מרתיעה הם באווירת הליום אולטרה טהורה של תא מאגר לעצור גז, לפני שהוא מונחה על ידי גלי רדיו חשמלי (RF) ו ישיר הנוכחי (DC) שדות לעבר זרבובית החילוץ, שבו המטוס המתעוררים גז קוליים גורר אותם לתוך תא ואקום סמוך, דיור (מקוטע) מבנה גלי-פי-פי (rfq) במבנה משחק כמו מדריך יון, מצנן-מרחב שלב ופוטנציאל גם ליניארי פול מלכודת עבור אגידה היונים המחולצים. לתיאור מפורט של תא מאגר-גז עצירת החילוץ ו-RFQ ראה Refs. בן ³⁰ ^, מיכל בן ³¹ ^, ³². מאז עד אותו רגע קרן יון שחולצו מכיל בנוסף ^{229 (m)}Th גם שרשרת של α מוצרים בת ביתי, הפרדה המונית מבוצעת באמצעות מפריד המוני פי ארבעה (qms) בחדר ואקום הבאים לבסוף צור isotopically טהור ^{229 (m)}הקרן במדינות חיוב לבחירה (q = 1-3). תיאור מפורט של QMS ניתן למצוא Refs. ³³ ^, ³⁴. איתור הריקבון איזואריק הושג על ידי מיצוי היונים התאנון ישירות על פני השטח של גלאי מיקרוערוץ-לוחית (MCP), שבו אלקטרונים משתחררים, מואץ לכיוון מסך פוספור ומוצג על ידי מכשיר מצמידים (CCD) מצלמה. מבט כולל על הכיוונון הנסיוני מוצג באיור 1. תיאור מפורט ניתן ב-Ref.³⁵.

איור 1: מבט כולל על הכיוונון הנסיוני. Thorium-229 איזוer מאוכלס באמצעות הענף 2% ריקבון ב α הדעיכה של אורניום-233. ^229m יוני יונים, לעזוב את מקור ²³³U בשל אנרגיית הרתע הקינטית שלהם, הם בתוך תא גז מאגר לעצור ממולא בדלק 30 mbar הליום. היונים מופקים מנפח העצירה בעזרת שדות RF ו-DC וקרן יון בעלת אנרגיה נמוכה נוצרת בעזרת מוט בתדר סי-פי-ארבעה (RFQ). קרן יון הוא המוני מטוהרים בעזרת מפריד פי ארבעה (qms) והיונים מושתלים בעדינות אל פני השטח של צלחת מיקרו ערוץ (MCP) גלאי בשילוב עם מסך פוספור המאפשר זיהוי מרחב של כל אותות המתרחשים. , עם אישור מהסוג של מחקר ספרינגר. הדמות הזאת השתנתה מ^-11 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

הפרוטוקול הבא מתאר את ההליך הבסיסי להפקת קרן היון ^{229 (m)}שאפשרה את הגילוי הישיר הראשון של הדעיכה הקרקעית של התיום איזומר, ובכך הנחת היסודות ללימוד מאפייני הריקבון שלה כ תנאי מוקדם של בסופו של דבר השליטה האופטית כל אופטי של המדינה הזאת גרעינית אקזוטיים לעבר היישום שלה כסטנדרט מדויק התדר הגרעיני. לאוריינטציה טובה יותר סקירה סכמטית של הכיוונון המשמש לזיהוי ישיר של הריקבון איזואריק¹¹ מסופק באיור 2, המכיל תוויות מספריים של הרכיבים הממוענות בפרוטוקול הבא. כמו כן, הרכיבים המשמשים לקביעת משך חיים¹² נכללים כהזחה.

איור 2: סקיצה סכמטית של הכיוונון הניסיוני המשמש לזיהוי ריקבון איזואריק. הרכיבים המשמשים למדידת משך חיים מוצגים כהזחה. רכיבים בודדים שאליהם יש הפניה במקטע הפרוטוקול מתויג באמצעות מספרי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Protocol

הערה: מספרים הניתנים בפרוטוקול יהתייחסות ל איור 2. 1. זיהוי ישיר של Th-229 איזואריק הריקבון הרכבה של מקור 233-אורניום הר the 233-אורניום מקור α (1) באמצעות גישה מקורבות לפתח בתא הגז תא ואקום לקצה המעלה של מערכת האלקטרודות של טבעת המשפך (2) בתוך תא הגז (3).הערה: 290 kBq, 90 מ”מ בקוטר 233U מקור הופק באמצעות ציפוי מולקולרי על בולקיקטיטניום ו36 ופל. על מנת להשיג האופטימלי α-יעילות של המקור, העובי שלה לא יעלה על 16 ננומטר, להיות טווח העצירה של 84 קוו 229ב אורניום. חבר את הכבל להר המקור כדי לאפשר היסט DC של המקור. סגור ואטום את מקורבות הגישה וחבר את החיווט החיצוני למקור 233U. פינוי תא הוואקום והאפייה התחל פינוי של מערכת ואקום מלאה על ידי הפעלת משאבת ואקום אלימה (4) אם כיבוי (נשלט באמצעות ממשק משתמש מבוסס מחשב (5)) ולפתוח את שלושת (יד מופעל) שסתומים (6) כי לחבר את החלקים הבודדים של שאיבה הדיפרנציאלי . שלבים למשאבה האלימההערה: התחל לפתוח את השסתומים מתאי המטה של תא הגז עם שסתום שער פתוח (7) לכיוון משאבת טורבו מולקולרית של תא הגז כדי ליצור מעבר לחץ המונע מזהום פוטנציאלי מתאי הזרם להישאב לתוך ה תא גז במקום בו הניקיון הגבוה ביותר הוא דרש. לאחר הלחצים הגיעו לרמה בטווח sub-mbar (לקרוא באמצעות ממשק המשתמש (5)) להתחיל את משאבות טורבו של תא הגז (8), החילוץ בתדר הרדיו-4 (RFQ) (9) ואת המפריד המוני של מוט 4 (QMS) (10). אופציונלי פתח את השסתום העוקף (11) כדי גם לאפשר פינוי יעיל של צינורות אספקת הגז. המשך שאיבה עבור כמה (4-5) שעות עד להגיע ללחץ הרוויה, בדרך כלל בטווח של נמוך 10-7 mbar. הפעל את מערכת האפייה (12) באמצעות ממשק המשתמש (5) עם מיזוג (בדרך כלל 20 ° צ’-40 מעלות צלזיוס לשעה) החימום למקסימום של 130 ° c. להמשיך לאפות את מערכת ואקום ב 130 ° c עבור 1-2 ימים עד שקריאות הלחץ מתחילות לרדת. הפעל את רצף הקירור של מערכת האפייה באמצעות ממשק המשתמש (5) עם רצף הפחתת השיא, בדרך כלל 20 ° צ’-40 ° צ’ לשעה.הערה: הרגעות של המערכת בדרך כלל דורש 8 שעות מבוצעת לילה. הכנה מוצלחת של מערכת ואקום מושגת כאשר הלחץ התא הסופי לאחר קריר טווחים מתחת 5×10-10 mbar. הלחצים ב-RFQ ו QMS הקאמרית יהיה ב 10-9 mbar ו 10-8 mbar טווח, בהתאמה. חבר את החיווט החיצוני לחדר הריק של ה-RFQ. הכנת מערכת הגז ואספקת האולטרה-טהורה הוא הפעל את MonoTorr גז מטהר (13) ולחכות 20 דקות עד שהוא הגיע לטמפרטורת ההפעלה שלה. סגור את השסתום העוקף (11) אם פתוח. פתח את הצילינדר הוא גז (14) (הוא של 99.9999% טוהר משמש לפעולה). פתח את שסתום כמפחית הלחץ (15) עד לחץ של כ 0.5 בר מוצג. פתח את השסתום המחבר את כמפחית הלחץ על צינורות הגז (16). פתח את בקרת זרימת הגז (17) עד זרימת הגז של כ 1.1 (המקבילה כ 5 mbar l/s) מוצג. לשטוף את צינורות הגז במשך כ 10 דקות כדי להסיר גזים שיורית מן האבובים. סגור את השסתום המחבר את כמפחית הלחץ לצינורות הגז (16). המתן מספר דקות עד שהוא יוסר מצינורות הגז. אופציונלי לטוהר הגבוה ביותר של גז החיץ, למלא את מלכודת ההקפאה (18) עם חנקן נוזלי. הגדר את שסתום השער (7) בין תא הגז של המאגר ומשאבה מולקולרית טורבו שלו לפעולה אוטומטית ולסגור את השסתום דרך ממשק המשתמש (5). פתח את השסתום המחבר את כמפחית הלחץ על צינורות הגז (16).הערה: תא מאגר הפסקת הגז מתמלא כעת ב-30 מטרים של גז. בדרך זו the RFQ ו-QMS לחצים מורמים 10-4 mbar ו 10-5 mbar, בהתאמה. כוונן את המהירות הרוטרי של המשאבה טורבו-מולקולרי של תא ואקום חילוץ-RFQ (9) כדי 50% על מנת לקבוע לחץ סביבתי של כ-10-2 mbar. החלת השדות המנחים החשמליים להפקת יונים רציפה החלת הפוטנציאל DC למקור 233-אורניום α (1) של 39 V במצב רציף באמצעות אספקת מתח DC מותאם אישית (19). החל מעבר הדרגתי פוטנציאלי DC של 4 V/ס מ (החל מ 35 V עד 3 V) באמצעות ספק כוח DC (20) והיסט מתח של 3 V באמצעות מספק היסט DC הערוץ 24 אינץ ‘ (21) למערכת האלקטרודה מקוטעת המחולקת של 50 הטבעת. כל המתח נשלט באמצעות ממשק המשתמש המבוסס על מחשב (5). להחיל את הפוטנציאל DC של בדרך כלל 2 V על האלקטרודה זרבובית החילוץ (22) בעזרתו של אותו ממשק משתמש מבוסס מחשב (5). החלת מעבר הדרגתי פוטנציאלי של DC על החילוץ המקופל של 12 הקיפולים (27).הערה: ניתן להחיל את המתח של כל פלח בנפרד בעזרת ממשק המשתמש המבוסס על המחשב (5) באמצעות אספקת הקיזוז של DC (21). מתח של 1.8 V מוחל על הפלח הקרוב ביותר לזרבובית החילוץ. המתח של הקטעים הבאים הם לאחר מכן הירידה הצעד ירד על ידי 0.2 V, וכתוצאה מכך מתח של 0 V להחיל את קטע ה-RFQ העשירי. זה מתאים הדרגתי של DC של 0.1 V/ס מ. במקרה של הובלה רציפה של היונים המחולצים מתח של 0 V מוחל על מגזרי ה-11 וה-12. לצורך זה, אספקת מתח DC של קטע ה -rfq 12 (23) נותרה ב-0 V ומודול הגורם המפעיל המותאם אישית (24) מוגדר למצב תפעולי רציף. החלת תדר RF ומשרעת למערכת האלקטרודה של טבעת המשפך באמצעות גנרטור פונקציה (25) ומגבר RF ליניארי (26).הערה: ערכים אופייניים לתדר ומשרעת הם 850 kHz ו 220 Vpp, בהתאמה. ניתן לשלוט במתח עם ממשק משתמש מבוסס מחשב (5). במהלך יישום המתח של משפך-RF, יש לנטר את הזרם של ספק ההיסט DC המשפך (21). במקרה של ניצוצות, אשר יכול להתרחש אם טוהר גז החיץ אינו מספיק, זרם זה יתחיל להגדיל. החלת תדר RF (בדרך כלל 880 kHz) ומשרעת (בדרך כלל 120-250 Vpp) כדי החילוץ הריתוך פי ארבעה (27) (חילוץ-rfq) באמצעות גנרטור תדר (28) ושני מגברים RF (29, 30), אחד עבור ה-rfq ואחד עבור הפרט באמצעות אלקטרודה. ניתן לשלוט במתח עם ממשק המשתמש המבוסס על מחשב (5). החלת הפוטנציאל של DC-1 V לאלקטרודה היציאה (31) של החילוץ-RFQ באמצעות אספקת מתח DC Mesytec MHV-4 (32). החלת מתח היסט DC למפריד המוני של המוט הארבעה (33) (QMS). מתח אופסט של QMS (מרכז אלקטרודה ועדשות Brubaker) נבחר להיות-2 V באמצעות מודולים היסט DC מותאם אישית (34, 35). הפעל את מפריד המוני הקוטב פי ארבעה (33) QMS על-ידי מיתוג במחולל הפונקציה QMS (36), מגבר RF (37) והפעלת ממשק משתמש QMS (38). בממשק המשתמש QMS היחס מסה על התשלום של מינים יון שנבחרו מוכנס (בדרך כלל 76 u/e או 114.5 u/e, עבור החילוץ של Th3 + או Th2 +, בהתאמה). גם את קבלה QMS (בדרך כלל 1 עד 2 u/e) ואת תדר RF (בדרך כלל 825 kHz) מוכנס.הערה: התוכנית Labview באופן אוטומטי להחיל ולשלוט משרעת RF ואת הפוטנציאלים DC הדרושים עבור בחירת יונים. ה-RF הנדרש מגביר את טווח מ 600 כדי 1500 Vpp ו-DC טווח הפוטנציאל מ 50 v כדי 120 v. הפוטנציאלים של DC להפרדה המונית נוצרים על-ידי מודול DC מותאם אישית (39). לולאת משוב מיושמת עבור ייצוב מתח של RF ו-DC. החלת הפוטנציאל DC מבנה triodic אלקטרודה התמקדות (40) מאחורי QMS (2 V/-62 V/-22 V) דרך הערוץ Mesytec 4 (MHV-4) מודול אספקת מתח (32). לבדוק את הפקת היונים ולכוונן את QMS החל את הפוטנציאל של משטח אטרקטיבי של-1000 V לצלחת הקדמית של הלוחית הכפולה (שברון הגיאומטריה) microchannel-גלאי צלחת (41) (MCP) באמצעות מתח גבוה (HV)-מודול (42). להחיל פוטנציאל של + 900 V בצד האחורי של צלחת ה-MCP השנייה באמצעות HV-מודול (43). להחיל פוטנציאל של + 5,000 V למסך פוספור (44) ממוקם מאחורי גלאי ה-MCP באמצעות HV-module (45). הפעל את מצלמת CCD (46) מאחורי המסך פוספור ולהגדיר את הפרמטרים החשיפה של המצלמה CCD בממשק המשתמש הגרפי המתאים על מחשב רכישת נתונים (47).הערה: מצלמת CCD ממוקם בדיור הדוק באור (48) כדי לכסות את הזיהוי מאור הסביבה. במקרה כי החילוץ פועל כראוי יונים עוברים דרך QMS אות חזקה צריך להיות גלוי על המסך פוספור הנגרמת על ידי ההשפעה היונית של היונים המחולצים. האות הזה מפוקח כעת על ידי מצלמת CCD. בצע סריקה המונית כדי לחקור את צורת האות ובהתאם לכוונן את QMS כדי לחלץ את מינים יון הרצוי.הערה: זהו הליך איטראטיבי שבוצע בעזרת ממשק המשתמש של QMS (38). בחר יחס המסה הרצוי מעל גובה (בדרך כלל 114.5 u/e עבור 229Th2 +) ו qms לפתור את הכוח (בדרך כלל 1 u/e), ולאחר מכן לחקור את אות ההשפעה יונית באמצעות מצלמת CCD. הזזת המסה שנבחרה בשלבי 0.5 u/e עד שנצפתה אות. ברגע האות הוא נצפתה, בדיקה אם גם 233U2 + האות הוא נצפה על ידי העברת המסה-over-התשלום-יחס 2 u/e להמונים גבוה יותר. אם גם האות נצפה, בדיקה אם ניתן להפריד את האותות. אם זה לא המקרה, להתאים את QMS לפתרון החשמל עד 229Th2 + ו 233U2 + אותות יכול בבירור להיות מכובד. לאחר מכן להגדיר את QMS כדי לחלץ רק את 229Th2 + יון מינים. איתור הריקבון איזואריק לכבות את חיישן הלחץ qms (49) באמצעות חיישן הלחץ יחידת בקרת (50) על מנת להפחית את הרקע של הליום יונן אור המיוצר על ידי חיישן. כוונן את הפרמטרים של QMS כדי לחלץ את ה-Th2 + או Th3 + יון מינים עבור זיהוי ריקבון איזואריק. להפחית את הפוטנציאל של פני השטח של הצלחת הקדמית של גלאי ה-MCP (41) ל-25 V באמצעות (42) כדי למנוע זיהוי האות מאלקטרונים שמקורם ישירות ההשפעה היונית של יוני האיפינג. בדרך זו מושגת “נחיתה רכה” של היונים של 229 (ז)על משטח ה-MCP לפני הריקבון של איזואריק. החלת הפוטנציאל ההאצת של בדרך כלל + 1,900 V לצלחת ה-MCP השנייה עבור הגברה אלקטרונית אופטימלית דרך (43). החל הפוטנציאל האצת של בדרך כלל + 6,000 V למסך פוספור ממוקם מאחורי גלאי ה-MCP באמצעות (45).הערה: המתח המוחל בפועל יהיה תלוי בביצועי ה-MCP. הפעל את רצף הרכישה של תמונות CCD ולאחסן את הנתונים בדיסק באמצעות ממשק המשתמש במצלמה (47). השתמש בתוכניות Matlab להערכת תמונה ולעיבוד שלאחר.הערה: תיאור התוכניות ואופן השימוש בהם ניתן למצוא ב-Ref.35 נספח ב .3. נתונים גולמיים של מסגרות תמונה, כמו גם התוכניות המשמשות להערכה הפכו לזמינים באינטרנט בדוי 10.5281/zenodo. 1037981. 2. מדידת מחצית החיים ה229m סידור מחדש של הכיוונון) כיבוי ואוורור של המערכת. חשמל את המתח הגבוה של מערכת האיתור של MCP (42, 43, 45), QMS (37, 38), מערכת המשפך (25, 26) ו-הוצאת הספק (28, 29, 30). אופציונלי מתח את כל מתח DC הנותרים. לסגור באופן ידני את מערכת האספקה (שסתומים 14 ו -16) ולחכות עד הלחץ של תא הגז מאגר לעצור מופחת למטה 2 mbar. פתח את שסתום השער המחבר את משאבת טורבו אל תא מאגר הפסקת הדלק (7) באמצעות ממשק המשתמש (5) ולחכות עד הוא הוסר לחלוטין מהמערכת. סגור שסתום (17) של קו אספקת הגז לכבות את מטהר הגז (13). הגדר את שסתום השער (7) לפעולה ידנית כדי לעכב אותו מסגירת כאשר המערכת היא פרקו עם חנקן יבש. סגור את שלושת השסתומים המחברים את משאבות טורבו עם משאבה אלימה (6) והכוח למטה את שלושת משאבות טורבו (8, 9, 10). הפעל את חיישן הלחץ של QMS (49). המתן עד מהירות הסיבוב של משאבות טורבו מופחת באופן משמעותי מתחת 100 Hz כמו פיקוח על ממשק המשתמש (5). ממלאים את הדיואר (51) עם חנקן נוזלי ולפתוח את שסתום אוורור (52) לאט. חכו מספר דקות עד שהמערכת פרקו לחלוטין עם חנקן יבש.הערה: לחילופין, חנקן יבש מצילינדר גז יכול לשמש. אך במקרה זה, יש לקחת בחשבון שאין לחץ מוגזם שיתרחש (למשל, על ידי החדרת שסתום לחץ-יתר או בדיסק קרע). השימוש באוויר הוא גם חלופה, אך יוביל לזמני פינוי קצת יותר בשל הלחות. סגרו את שסתום האוורור (52). החלף את ה-MCP במסך פוספור (41, 44) על-ידי גלאי MCP (53) קטן בודד. נתק והסר את מצלמת CCD (46) יחד עם הדיור הדוק (48). נתק את גלאי ה-MCP עם מסך פוספור (41, 44). פתח את מקורבות ואקום המחבר את ה-MCP ו זרחן עם תא ואקום. מניחים את יחיד-אנודת MCP (53) עם מרחק כמה מ”מ מאחורי היציאה של מערכת החילוץ טריודה (40) ולחבר את שלושת החוטים המחברים את הצלחת הקדמית (42), לאחור צלחת (43) ואת אנודת של MCP (54) עם ההאכלה חשמלי. סגרו את תא הוואקום, המערכת כעת מוכנה לפינוי ואופים החוצה. לספק את החיווט החיצוני של אנודת יחיד MCP למודולים hv ומערכת הקריאה-out. פינוי המערכת ואופים לפנות את מערכת ואקום על ידי ביצוע השלבים 1.2.1 כדי 1.2.3. בצע את הליך האפייה של השלבים ה1.2.4 ל1.2.8. הכנת אבובים גז ואספקה של אולטרה טהור הוא בצע את השלבים ה1.3.1 כדי ל1.3.12.הערה: עבור פעולה במצב באצווה אנחנו בדרך כלל להפעיל את המשאבה RFQ-טורבו ב 100% מהירות סיבוב, וכתוצאה מכך לחץ בטווח 10-4 mbar. החל את שדות ההדרכה החשמלית עבור בונצ’ינג יונים החלת הפוטנציאל DC של 69 V למקור 233-אורניום (1) באמצעות אספקת מתח DC מותאם אישית (19). החל מעבר הדרגתי פוטנציאלי DC של 4 V/ס מ (החל 65 V עד 33 V) באמצעות ספק כוח DC (20) והיסט מתח של 33 V באמצעות אספקת הזרם DC 24 ערוצים (21) אל 50 מערכת מקוטעת הקיפול משקע מקוטע-משקע. כל המתח נשלט באמצעות ממשק המשתמש המבוסס על מחשב (5). החלת הפוטנציאל DC של 32 V לאלקטרודה זרבובית החילוץ (22) בעזרת ממשק משתמש מבוסס מחשב (5). החלת הדרגה הפוטנציאלית של DC על החילוץ המקוטע של 12 הקיפולים.הערה: ניתן להחיל את המתח של כל פלח בנפרד בעזרת ממשק המשתמש המבוסס על המחשב (5) באמצעות אספקת הקיזוז של DC (21). מתח של 31.8 V מוחל על הפלח הקרוב ביותר לזרבובית החילוץ. המתח של הקטעים הבאים הם לאחר מכן הירידה הצעד ירד על ידי 0.2 V, וכתוצאה מכך מתח של 30 V להחיל את קטע ה-RFQ העשירי. זה מתאים הדרגתי של DC של 0.1 V/ס מ. במקרה של יצירת קרן מחורץ היונים מאוחסנים ומקורר באלקטרודה ה -11. לכן, האלקטרודה ה -11 מוגדרת ל -25 V והקטע האחרון של ה-RFQ מועלה ל-44 V באמצעות ספק מתח DC (23) כדי לצבור יונים בדלי הפוטנציאלי המקומי לפני שחרורו של קבוצת יונים על-ידי הנמכת קטע האלקטרודה האחרון ל -0 וולט בתוך מיקרושניה , מופעל על ידי מודול ההדק מותאם אישית (24). הגדר את מודול ההדק (24) למצב קבוצה. מודול ההדק מאפשר התאמה של קצב ההדק והתזמון. בדרך כלל, 10 הרץ נבחר כקצב ההדק. החל את המתח הנותר למערכת, השלבים הבאים 1.4.5 כדי ל1.4.10. לבדוק את הפקת היונים ולכוונן את QMS לכבות את חיישן הלחץ qms (49) באמצעות חיישן הלחץ יחידת בקרת (50) על מנת להפחית את הרקע של הליום יונן אור המיוצר על ידי חיישן. להחיל את הפוטנציאל משטח אטרקטיבי של-2,000 V לצלחת הקדמית של אנודת יחיד MCP (52) באמצעות hv-module (42). להחיל פוטנציאל של-100 V בצד האחורי של ה-MCP. המקום מוגדר כקרקע. הפעל את 12 מודול אספקת החשמל (55) עבור מגבר ה-MCP (56).הערה: יוני יחיד המפינג על גלאי ה-MCP נספרים כעת בעזרת השילוב של מגבר הקדם (56), מגבר (57) ומבדיל שברים קבוע (CFD) (58). האות CFD נשלח לכרטיס רכישת נתונים (DAQ) של המחשב המשמש לבקרת QMS והוא יכול להיות מנוטר באמצעות ממשק המשתמש של QMS (38). בצע סריקה המונית כדי לחקור את צורת האות ובהתאם לכוונן את QMS כדי לחלץ את מינים יון הרצוי.הערה: פעולה זו מתבצעת בעזרת ממשק המשתמש של QMS (38). למטרה זו, מוגדר הראשונית ויחס המסה הסופי מחייב (למשל, 110 u/e כדי 120 u/e עבור 229Th2 + טווח המוני), כמו גם את הכוח הפתרון (למשל, 1 u/e) ואת זמן האינטגרציה (5 s) לשלב הסריקה ואת המסה סריקה מתחילה על-ידי לחיצה על לחצן הסריקה. במקרה שהחילוץ פועל כהלכה והיונים עוברים את ה-QMS, אותות חזקים של תוריום ואורניום יהיו גלויים כתוצאה מהשפעת היונית של היונים המחולצים. מדידה לכל החיים כוונן את הפרמטרים של QMS כדי לחלץ את ה-Th2 + או Th3 + יון מינים עבור זיהוי ריקבון איזואריק. להפחית את הפוטנציאל של פני השטח של הצלחת הקדמית של גלאי MCP (52) ל-25 V באמצעות (42) על מנת להקטין את אות ההשפעה יונית. החלת הפוטנציאל ההאצת של בדרך כלל + 1,900 V לצלחת ה-MCP השנייה עבור הגברה אלקטרונית אופטימלית דרך (43). החל הפוטנציאל האצת של בדרך כלל + 2,100 V ל-MCP אנודת באמצעות (53). הפעל את רכישת הנתונים באמצעות scaler מיקרוchannel (59).הערה: מגבר הקדם (56) ומערבל המיקרו-ערוצים (59) מאפשרים המשך הקריאה של גלאי ה-MCP בזמן שנפתר. אשכולות היונים והscaler מופעלים על ידי מודול ההדק (24). האות scaler מושגת באמצעות ממשק משתמש Labview (60). זנב הריקבון האקספוננציאלי של כ 10 מיקרו שניות חיים הופך להיות גלוי לאחר אשכולות יון, המתאים הריקבון של תוריום איזואריק.

Representative Results

השיטה שתוארה לפני המותר עבור החילוץ של α מוצרים ריקבון ממקור 233U ממוקם בתוך תא מאגר לעצור גז, מופעל על ca. 30 באולטרה גז הליום טהור בטמפרטורת החדר. בפעם הראשונה עד יוני טעונה מטריקלי יכול להיות מופק ממכשיר כזה עם יעילות גבוהה29. איור 3a מציג את הספקטרום ההמוני של יונים שחולצו מתא הגז מאגר, מציג שלוש קבוצות של 233U α-מוצרים להירקב (בתוספת ליווי מזוהם) ב ביחידים, כפליים מחויב מדינות יוני. ראוי לציין הוא שליטה של 229Th3 + החילוץ בהשוואה 233U3 +, בעוד שני המינים מופקים עם בעוצמה שווה כאשר טעונה כפול. עובדה זו שימש למדידות השוואתית עם 233U יונים, אשר אפשרה הדרה של כל השפעה יונית כמקור אות. איור 3 : זיהוי הדעיכה הישירה של ה229-תוריום איזומר. a) סריקת מסה להשלים שבוצעה עם 233U מקור 129. היחידות ניתנות כמסה אטומית (u) באמצעות מטען חשמלי (e). ב) השוואת אותות MCP שהתקבלו במהלך הצטברות של תוריום ואורניום ב -2 + ו 3 + מדינות התשלום (כפי שמצוין על-ידי החיצים המקשרים לסריקת ההמונים). 233 אתה ומקורות 234U שימשו (מספר המקור ניתן בצד הימני של כל שורה). כל תמונה מקבילה למדידה בודדת של 2,000 s זמן האינטגרציה (צמצם קוטר 20 מ”מ המצוין על-ידי העיגול המקווקו). מדידות בוצעו ב-25 וולט במתח משטח ה-MCP על מנת להבטיח נחיתה רכה על היונים. ג) האות של הריקבון ה229 של איאיזואריק שהושג במהלך 229Th3 + החילוץ עם מקור 1. מושגת קוטר של שטח האות של כ-2 מ”מ. עוצמת האות המתקבלת מקסימלית היא 0.08 ספירות/(s mm2) בקצב רקע של כ 0.01 ספירות/(s mm2). עם אישור מהסוג של. שפרינגר מחקר 11 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. לאחר הובלה, צינון והפרדה המונית, קרן היונים מצטמצמת אל פני השטח של גלאי מיקרוערוץ-צלחת, שבו פוטנציאל משטח מושך נמוך מבטיח את דיכוי אותות ההשפעה היונית ומשאיר רק אלקטרונים הנובעים מן הפנים המרה (IC) הערוץ הריקבון של 229mTh איזוer להיות מוכפל בשדה חשמלי חזק של ערוצי לוחית הגלאי. אותות ה-MCP המתקבלים כפי שהושגו עבור שלושה מקורות אורניום שונים מוצגים באיור 3b. מינים היונים של יונים מואשמים כפליים או מטריפי שנבחרו בעזרת מפריד המוני הקוטב השני בכל מדידה בודדת מצוין על ידי החיצים מהחלונית העליונה. מוצגים תמונות שנרכשו עם מצלמת CCD מאחורי המסך פוספור, שעליו האלקטרונים מ-MCP היו מואצת. שדה התצוגה של מצלמת CCD מצוין על ידי עיגולים מקווקו עבור שלישיה (שתי העמודות הראשונות) וטעונה כפליים (שתי העמודות האחרונות) 229Th ו 233U יונים, בהתאמה. השורה העליונה מייצגת את התוצאה המתקבלת עבור מקור אזור קטן 233U (ca. 1000 שחולצו 229Th3 + יונים לשנייה, מקור 1), בעוד השורה התחתונה מראה את אותו דבר עבור מקור חזק יותר עם ca. 10,000 שחולצו 229Th3 + יוני לשניה (מקור 3). ברור כי בשני המקרים אות ברור מתקבל עבור 229Th, בעוד שאין אינדיקציה לאות אלקטרון הוא נצפתה עבור 233U 11. על מנת להוכיח כי אות זה אכן מקורו של מקור גרעיני ולא מתהליך פגז אטומי, השורה האמצעית מראה את תמונת המצלמה שנוצר בעת שימוש במקור 234U, שבו ריקבון α מאכלס איזוטופ השכנה 230 Th, עם מבנה גרעיני מדומה, ועם זאת שונה. כצפוי עבור 230Th, אין אינדיקציה המרה אות אלקטרון נמצא באף אחד מהמקרים שנחקרו. אז את האות חזק, מוצג באיור 3 ג עם יחס אות אל רקע מעולה, הוא בבירור בקורלציה עם הדעיכה של 229mTh. מדידות אימות נוספות התומכות בפרשנות זו מוצגות באיור 4. הם מראים שתי מדידות כדי לתת ראיות נוספות כי אותות אלקטרונים רשומים אכן מקורם הריקבון של איזוer גרעינית: באיור 4a זה מראה כי הפוטנציאל משטח אטרקטיבי של גלאי ה-MCP היה מגוון מ-100 V ( להעדיף את התרחשות של אלקטרונים מפני השפעה יונית) עד 0 V, השוואת שיעורי הרוזן הרשומים עם MCP עבור שחולצו 229Th2 + (אדום) ו 233U2 + יונים (כחול). ברור שיעור הספירה יורדת לאפס עבור 233U2 + כאשר מבינים “נחיתה רכה” של יונים נכנסות עם מתח פני השטח מתחת Ca.-40 V, בעוד שיעור מספר ניכר נשאר עבור 229Th2 + עד הסף של 0 V. באיור 4b, העקומה הכחולה מראה את שיעור ספירת האלקטרונים הרשומים ליונים שחולצו לאחר האצת חזקה לכיוון משטח הגלאי של MCP עם-2000 V. ההשפעה היונית של 233U2 + ו 229Th2 + יונים הוא נצפה בעוצמה שווה, כפי שכבר מוצג עבור יונים שחויבו כפליים בספקטרום ההמוני של איור 3a. העקומה האדומה מראה את אותו התרחיש, אך כעת עבור “נחיתה רכה” של יונים נכנסות עם משטח של 25 וולט ביכולת המשטח. אין אינדיקציה לאות ההשפעה יונית של 233U2 + הוא גלוי יותר, ואילו עבור 229Th2 + אות נשאר, שמקורם המרה איזואריק הפנימי ריקבון11. איור 4 : מדידות אימות איזומר. a) 229Th2 + האות (אדום) לעומת 233U2 + (כחול) כפונקציה של מתח משטח MCP. שגיאות מסומנות ברצועות מוצללות. ב) אות של יונים שחולצו כפונקציה של יחס מסה לתשלום מאחורי QMS עבור מתח משטח MCP של-25 וולט (ריקבון איזוer, אדום) ו-2,000 V (השפעת יון, כחול). שים לב לזמני האינטגרציה ולסולמות הצירים השונים. בנוסף לאות ב 114.5 u/e (המתאים 229Th2 +), אות נוסף ב 117.5 u/e מתרחשת, אשר מקורו הריקבון איזואריק של 235u. עם אישור מהסוג של. שפרינגר מחקר11 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. כך, זה יכול להיות מוכח באופן משמעי (יחד עם ארגומנטים נוספים שניתנו Ref. 11) כי האות נצפתה באיור 4 מקורו הריקבון איזואריק של 229mTh ומייצג את הזיהוי הישיר הראשון של הריגוש של איזומר זה חמקמק. לאחר מכן החילוץ מקוטע-השבב הופעל כמלכודת פול לינארית כדי ליצור קרן יון מחורץ, ובכך לאפשר מדידות לכל החיים של תוריום איזומר. מאז החדר שלנו טמפרטורה גבוהה ואקום אינו מאפשר פעמים אחסון ארוך מספיק כדי לחקור את תוחלת החיים צפוי הקרינה של עד 104 שניות, רק מגבלה נמוכה יותר של t1/2 > 1 דקה יכול להיות נגזר על טעונה 229mTh יונים, מוגבל על-ידי הזמן המקסימלי לאחסון השגה במלכודת הלינארית של פול11. עם זאת, באמצעות אסטרטגיית זיהוי זהה כפי שהוחל לפני הזיהוי של ריקבון איזוer לאחר ניטרול של יוני תוריום על פני השטח של גלאי MCP, החיים הצפויים הרבה יותר קצר עבור אטומי 229mנייטרלי שעברו ריקבון המרה פנימי מספק גישה מידע לכל החיים12. איור 5a מראה את הצורה הצפויה של ספקטרום הזמן דעיכה כמו מדומה לקבוצת יונים עם רוחב הדופק של 10 μs. בעוד עקומת אדום מציין את אות ההשפעה יונית ואת האות מתוך ריקבון מעריכי עם 7 μs מחצית החיים מיוצגת על ידי עקומת אפור עם זנב ריקבון ארוך, האות הצפוי מפני הריקבון של תוריום איזוer, מורכב הן ההשפעה יונית ואת e . מומחש בעיקול הכחול איור 5b מציג את תוצאת המדידה המתאימה עבור 233U3 + (אדום) ו 229Th3 + (כחול), בהתאמה. בעוד שיוני אורניום מציגים את אות ההשפעה היונית שלהם בלבד, עבור 229-תוריום באופן ברור הזנב הצפוי של ריקבון איזוer ניתן לצפות12. איור 5 : השפעה מדומה ומוערכת של ההשפעה הטמפורלית ואת מאפייני ריקבון. a) הדמיית מאפייני זמן ריקבון איזוer של האשכולות 229Th. הסימולציה מבוססת על צורת חבורה נמדד ההנחה כי 2% יוני 229הם במדינה איזואריק עם מחצית חיים של 7 μs לאחר ניטרול. יעילות זיהוי האלקטרונים היא ההנחה הגדולה פי 25 מאשר יעילות זיהוי היונים. ב) מדידה של הריקבון איזואריק עם 229 מחורצים (m)Th3 + קרן יון (כחול). מדידה השוואתית עם 233U3 + מוצג באדום. עם אישור מהסוג של. החברה האמריקנית לפיסיקה12 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. מתאים את זנב הריקבון עם מעריכי (המתאים להתאמה ליניארית לייצוג לוגריתמי באיור 6) לבסוף התוצאות במחצית החיים של 229mהנייטרלי הרגיל של 7 (1) μs12. ערך זה יפה מסכים עם הפחתת הזמן התיאורטי צפוי החיים על ידי תשע הזמנות של סדר גודל מ-ca. 104 שניות במקרה של איזוer טעונה בשל מקדם המרה גדולה של αIC ~ 109 37. איור 6 : להתאים 229m עקומת הדעיכה. העלילה לוגריתמית של מאפייני ריקבון הזמן עבור 229 (m)th2 + יונים (א) ו- 229(m) th3 + יונים (ב) יחד עם עקומת התאמה להחיל לחלץ את החיים מחצית איזואריק של 229mTh לאחר החיוב שילוב חוזר על משטח הגלאי של MCP. עם אישור מהסוג של. החברה האמריקנית לפיסיקה12 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

מגוון הגרעינים של הגרעין להירקב בכמויות אורניום רק על 16 ננומטר. על מנת להשיג יעילות גבוהה של המקור עבור α-יונים מרתיעה עבור פעילות מקור נתון, זה הכרחי כדי להגביל את עובי חומר המקור לטווח זה. היעילות של החילוץ α מושפע מאוד הניקיון של התא גז מאגר. זהום של גז העצירה יוביל לטעינה או היווצרות מולקולה. לכן, תא הגז עצמו צריך להיבנות על פי תקני ואקום אולטרה גבוה, במיוחד כדי לאפשר אפייה של התא והימנעות כל החומרים האורגניים בתוך. גז העצירה צריך להיות מטוהר על פי המדינה הטכנית של האמנות, החל מטוהר הגז הגבוה ביותר בסיוע טיהור קטליטי ומשלוח לתא הגז דרך קו האספקה אולטרה נקי גז, מוקף באופן חלקי מלכודת קריוגניים כדי ל הקפיא את זיהומים. באופן כללי, יישור זהיר של הציר המרכזי של ההתקנה המלאה למיקום של הצינור גז החילוץ הוא חיוני להשגת הובלה גבוהה ויעילות האיתור²⁹.

Step 1.4.5 הוא הקריטי ביותר של הפרוטוקול. להפקת יון יעיל משרעת RF גבוהה יש להחיל על האלקטרודה משפך הטבעת. עם זאת, אם השרעת נבחרה גבוה מדי, הניצוצות בתא הגז יתרחשו. משרעת מתח RF המקסימלי השגה תלויה באופן ביקורתי בטוהר הגז החוצץ. יישום מוצלח של מתח מפוקח באמצעות הזרם של מתח ההיסט של המשפך. הזרם הזה יגדל במקרה של ניצוצות. אם התרחשו ניצוצות, הליך האפייה צריך לחזור על מנת להבטיח יעילות מיצוי היונים הגבוהה ביותר.

נקודה קריטית נוספת היא היישום של מתח גבוה לגלאי MCP (שלבים 1.6.2-1.6.4). פליטת שדה יכול להתרחש על MCP, המוביל פליטה של אלקטרונים אשר יכולים להוביל אותות עובדתיים.

מיצוי היונים האופטימלי (מקורר ומטוהר המונים) לכיוון יחידת הזיהוי מחייב יישור קפדני של הציר האופטי המרכזי. הזמינות של מערכת יישור אופטית (לייזר יישור או תאודולייט) חיונית. התחבורה יון יעיל דרך החילוץ RFQ ו QMS דורש ייצוב מתמשך של הגברה רדיו תדר המוני עבור שני השלבים הנגדיים החלים על כל זוג משני של מוטות²⁹. זיהוי של בעיות החילוץ או הובלה ניתן להקל על ידי אבחון יון ממומש למשל, דרך גלאי לוחית רב-ערוצי ממוקם באופן עוקב במיקומים שונים לאורך נתיב היונים בשלב המזמין של ה ההתקנה, או לחילופין, למשל, תחת 90^o מאחורי החילוץ rfq עם מתח משטח שלילי גבוה (1-2 kV) כדי למשוך את כל היונים שחולצו לכיוון הגלאי.

במהלך הפעולה בדרך כלל שתי בעיות יכולות להתעורר. לא כל המתח מוחל כראוי. במקרה זה בדרך כלל לא מפיקים יונים, ואדם צריך למצוא את מקום המתח שאינו מיושם כראוי. כמו כן, זיהומים נמצאים. במאגר הליום-גז במקרה זה את היעילות החילוץ עבור שלישיה טעונה יוני היונים יהיה מופחת באופן דרסטי היווצרות המולקולה מתרחשת. במקרה הגרוע ביותר, אפילו ניצוצות יופיעו כאשר מתח המשפך מוחל. הסיבה לטוהר הגז מספיק הוא בדרך כלל דליפה בקו אספקת הגז או מקורבות לא סגור כראוי של תא מאגר לעצור גז.

ניתן ליישם את השיטה המתוארת להפקת קרן מנקה של יונים המכילה את ^ה229mהנמוכה האנרגטית של איזורר, על כל המקרים הדומים שבהם ניתן להפיק את יון הריבית מאווירת האגירה בכמויות גדולות. נקיון של תא הגז, גז מאגר הוא הכרחי, ולכן כמות הגזים הנותרים זיהומים הוא מגבלה על רגישות השיטה. בעוד המיקרותדר מיקרוערוץ-גלאי (MCP) מבוסס על זיהוי של אלקטרונים, כפי שנוצל כאן לרישום של אלקטרונים באנרגיה נמוכה המרה, במקרה זה כבר שוכנת בגבול אנרגיה נמוכה של עקומת יעילות עבור MCPs³⁸, בעוד שלאנרגיות גבוהות יותר השיטה תהיה יעילה יותר ביעילות הזיהוי.

עד כה, השיטה המתוארת סיפקה את הזיהוי היחיד הישיר והחד באופן חד משמעי של הריגוש של היום איזומר. לחילופין, ואקום אולטרה סגול (VUV)-קריסטלים שקופים (עם מרווחים בנדנה גדולים, העולה על האנרגיה עירור ההנחה של איזוer) הם מסומם עם ²²⁹Th. המטרה היא למקם ²²⁹יוני ברמה גבוהה (4⁺) מטען של תנוחות סריג גביש, לעכב את הריגוש על ידי פער הלהקה הגדול ולכוון בעירור של איזוer באמצעות צילומי רנטגן ממקורות אור סינכרוטרון. למרות הקונספט האלגנטי של גישה זו, עד כה הקרינה הפלואורסצנטית לא ניתן להבחין בסדרה של ניסויים שדווחו על ידי מספר קבוצות ברחבי העולם³⁹^,⁴⁰^,⁴¹^,⁴²^,⁴³. אותו מחזיק של מעמד של ניסויים שמטרתו להגשים את העירור הגרעיני של איזומר דרך קליפת האלקטרון של ²²⁹Th, באמצעות מעבר כביכול של הגשר האלקטרוני. כאן זיווג מהדהד בין מעבר של מעטפת אלקטרונים ואיזוer גרעיני צריך לאפשר לאוכלוסיית איזורר יעילה יותר⁴⁴^,⁴⁵. ניסויים אחרים שמטרתם חקירת המאפיינים של איזואריק מבוססים על מיקרוקלורימטריה⁴⁶ או על התבוננות במעבר היתר במעטפת האטומית⁴⁷. לאחרונה שיטה נוספת להלהיב את איזומר בפלסמה הנגרמת על ידי לייזר, דווחה⁴⁸ והיא כפופה לדיון מדעי בתוך הקהילה.

גילוי של ההמרה הפנימית ריקבון הערוץ של תוריום איזוer¹¹ ואת הנחישות של מחצית החיים המתאימים של נייטרלי ^229mTh (7 (1) μs)¹² ניתן לנצל בעתיד כדי להגשים את כל האופטי הראשון עירור עם לייזר VUV פעמו, מבוסס על הטכנולוגיה הקיימת כבר. כך הפרדיגמה הנוכחית כי זה ידרוש ידע הרבה יותר טוב של האנרגיה עירור ופיתוח לייזר מותאם אישית תואם ניתן להקיף. לעומת זאת, ניצול הידע של ההמרה הפנימי אלקטרון פליטת, באמצעות זיהוי של אלקטרונים המרה עם הדופק לייזר יספק יחס אות לרקע גבוה, תוך מתן אפשרות לסרוק 1 eV של האנרגיה עירור בפחות מ 3 ימים⁴⁹. יתר על כן, קביעת האנרגיה עירור של איזוer, עדיין להיות עבודה בתהליך, יכול להיות מבוסס על השיטה המתוארת של יצירת ^229mהקרן על ידי שליחת אלקטרונים הריקבון IC לתוך מגנטי בקבוק אלקטרון ספקטרומטר אלקטרוני עם מעכבי רשת אלקטרודה שדה⁵⁰. הטכניקה זהה גם יאפשר לקבוע את תקופת החיים איזואריק עבור סביבות כימיות שונות (למשל, על הלהקה גדול-הפער חומרים כמו בקפה₂ או קפוא ארגון) או ב229 Th⁺ כמו גם באטום החופשי, נייטרלי.

השיטה המתוארת ליצירת קרן יון מisotopically טהורה של 3 + מדינה בתשלום יכולה לשמש ככלי לאספקת יונים של תוריום לניסויים עתידיים בשיטת ספקטרוסקופיית לייזר. במקרה זה קרן יון ניתן להשתמש כדי לטעון מלכודת פול בצורה יציבה ויעילה. עד כה, השיטה החלופית היחידה היא לייצר ²²⁹Th^{3 +} על ידי אבלציה לייזר מיעד מוצק. זה, עם זאת, דורש עוצמות לייזר גבוהות כמות גדולה של ²²⁹Th, שהוא חומר רדיואקטיבי יקר ומוביל לזיהום של רכיבי ואקום משומשים. מסיבה זו, השיטה המתוארת יכול להיות יתרון משמעותי כשמדובר ניסויים בספקטרוסקופיית לייזר גרעינית. יישום ראשון מסוג זה כבר פורסם⁵¹.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי אופק 2020 של האיחוד האירופי תוכנית מחקר וחדשנות תחת הסכם גרנט לא 664732 “nuClock”, על ידי DFG גרנט Th956/3-1, ועל ידי מחלקת LMU של פיזיקה רפואית באמצעות Maier-ליבניץ-מעבדה.

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

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).

Automatically Generated