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

^229mThの研究のための同位位板純粋^な229Thイオンビームの準備

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

我々は、233U源からの同位体精製低エネルギー229Thイオンビームの生成のためのプロトコルを提示する。このイオンビームは内部変換減衰チャネルを介^して229mの地上状態の崩壊の直接検出のために使用される。^{また、229m}Thの内部変換寿命も測定します。

Abstract

方法論は、2+および3+充電状態で等位純粋^な229Thイオンビームを生成するために記載されている。このイオンビームにより、約7.8(5)eVの励起エネルギーと最大104秒の放射寿命で、229Thの低層片向性最初の励起状態を調べることができます。提示された方法は、トリウムの崩壊の最初の直接同定を可能にし、この核遷移の光学制御の前提条件としてその崩壊特性を研究するための基礎を築いた。高^{エネルギー229Th}イオンは、^{放射性233U}源のα崩壊で生成される。イオンは、緩衝ガス停止セル内で熱化され、抽出され、続いてイオンビームが形成される。このイオンビームは、純粋なイオンビームを生成するために四重極質量セパレータによって質量精製される。微方性崩壊を検出するために、マイクロチャネルプレート検出器の表面にイオンが集められ、そこでは、電子が、対方体状態の内部変換崩壊で放出されるのと同じように観察される。

Introduction

^229mThと表されるトリウム-229核の最初の励起形状態は、現在知られているすべての核励起エネルギーの中で最も低い核励起エネルギーを有する176,000の核興奮状態を有するとして、核の風景の中で特別な位置を示す。一般的な原子力エネルギーはkeVからMeV地域まで及ぶが、229m Thは原子力地上1、2、3の上の10eV以下^のエネルギーを有する。この状態で現在最も受け入れられているエネルギー値は 7.8(5) eV⁴^,⁵です。この低エネルギー値は、異なる物理的なコミュニティからの関心を引き起こし、いくつかの興味深いアプリケーションの提案につながりました。その中には、核レーザー6、量子コンピューティング7のための非常に安定した量子ビットと核時計8、9があります。

^229mThが幅広い用途を提供することが期待される理由は、その異常な低エネルギーのために、現在利用可能なレーザーを使用して直接核レーザー励起を可能にする唯一の核状態であるという事実に基づいています。技術。しかし、^{これまでのところ、229m}Thの直接核レーザー励起は、その正確なエネルギーと寿命のような転移状態のパラメータの不十分な知識によって防がれた。²²⁹Thの低エネルギーの核励起状態の存在は1976^年10年に既に推測されたが、この状態に関するすべての知識は間接的な測定からしか推測できず、その崩壊の正確な決定を可能にしなかった。パラメーター。この状況は2016年以来変わりました, ^229mThの崩壊の最初の直接検出は、励起状態のパラメータ11,12を固定することを目指して測定の多数のためのドアを開いたときに.ここでは、2016年の実験で達成^{された229m}Thの直接検出に必要な個々のステップを説明する詳細なプロトコルが提供される。この直接検出^は229mのエネルギーおよび寿命の精密な決定のための基礎を提供し、従って核時計の開発のための。以下^{では、229m}Thの最も重要なアプリケーションとしての核時計の概念について議論する。

ΔE/E~10-20の相対線幅を有するトリウム変質の地上遷移は、核周波数標準(「核時計」)8、9の対象となる可能性がある。原子核は原子シェルに比べて約5桁小さいため、核モーメント(磁気ダイポールと電気四重極)は原子の原子に比べて小さく、核時計は外部に対して大部分が免疫を持つ。(現在の最先端の原子時計と比較して)摂動。従って、核周波数標準は非常に安定した、正確な時計操作を約束する。現在の原子時計の精度は約2.1×10-18¹³に達しますが、宇宙の時代よりもかなり長い期間で1秒の偏差に対応し、核時計はさらなる可能性を秘めています。アプリケーションの広大な分野に不可欠になる可能性のある改善。全地球測位システム(GPS)、グローバルナビゲーション衛星システム(GLONASS)、ガリレオなどの衛星ベースのナビゲーションシステムは、現在数メートルの測位精度で動作します。これがセンチメートルまたはミリメートルのスケールに改善することができれば、自動運転から貨物やコンポーネントの追跡にまで、多くのアプリケーションが想定される可能性があります。非常に正確なクロックに加えて、このようなシステムは、長い再同期間隔を確保する長期的なドリフト安定性を備えた、信頼性の高い中断のない動作を必要とします。核時計の使用は、この実用的な観点から有益であることが判明する可能性があります。核時計の(同期ネットワーク)のさらなる実用的なアプリケーションは、クロックが3D重力センサとして機能する相対論的測^地14の分野にあり、局所的な重力電位差ΔUを測定(相対)に関連する可能性があります。クロック周波数差 Δf/f の関係を介して Δf/f(光の速度を示す c)最高の現在の時計は約±2 cmの高さの差から重力シフトを感知することができる。したがって、核時計ネットワークを用いての超精密測定は、火山マグマ室またはテクトニックプレートの動^き15のダイナミクスを監視するために使用することができる。また、このようなクロックネットワークの利用は、理論的に記述されたトポロジ的暗黒^物質16のクラスを探索するツールとして提案された。微細構造定数の潜在的な時間変動の検出を求^める229mThベースの核時計の応用に関する文献で広範な議論が見出され、微細構造定数または強い相互作用パラメータ(m_q/Δ_QCD、クォーク質量を表すmqと強い相互作用のスケールパラメータを表すΜdを伴う)は、いくつかの理論で他の相互作用と重力を統一^する17。^229mThの地上状態遷移エネルギーの時間変動の検出は、微細構造定数または強い相互作用パラメータ^{の時間的変動に対して約2〜5桁の感度を高めることができる18}^,¹⁹^,²⁰,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶.このような変動の現在の実験限界は(dα/dt)/α=-0.7(2.1)10-17/yr²⁷に相当する。以下^{では、229m}の地上状態崩壊の直接検出に対する実験的アプローチについて説明する。

最近まで229-トリウム異性体の存在を示唆する証拠は、間接測定からのみ推測することができ、7.8(5)eVの励起エネルギー(160(11)nmの真空超紫光スペクトル範囲の波長に相当)^を示唆した4^,^5.我々の実験的アプローチは、229m Thの対性体外来の対方分解の直接的な同定を目指し、バッファーガス停止セルにおける性同一母集団の空間的分離に基づいて構築され、その後抽出が続く。および脱興奮産物28、29を登録する適切な検出ユニットに向かって大量分離された輸送。したがって、分母性体の集団および脱興奮は、迅速な背景寄与の影響を受けずに、クリーンな測定環境をもたらす可能性がある。異母体の集団は、^{放射性233U}源からのα減衰を介して達成され、2%の崩壊枝^は229Thの地盤状態に直接進むのではなく、代わりに異体最初の励起状態に入る。α-減衰反動核は、緩衝ガス停止セルの超純粋なヘリウム雰囲気で熱化され、その前に、新たな超音速ガスジェットが引きずり込まれる抽出ノズルに向かって電気無線周波(RF)および直流(DC)フィールドによって導かれる。隣接する真空チャンバにそれらを、イオンガイド、位相空間クーラーとして機能する(セグメント化された)無線周波数四重極(RFQ)構造を収容し、抽出されたイオンを束ねるための線形ポールトラップとしても可能性がある。バッファーガス停止セルおよび抽出 RFQ の詳細については、Refs を参照してください。^30歳^,^31歳^,^32.抽出されたイオンビーム^が229(m)Thに加えて含まれている瞬間まで、α崩壊娘製品のチェーンも含まれているので、その後の真空チャンバ内の四重質量分離器(QMS)を用いて質量分離が行われる。選択可能な電荷状態(q=1-3)で同位位板純粋^な229(m)Thビームを生成します。QMS の詳細については、Refs を参考にしてください。^33歳^,^34.電子が解放され、蛍光体スクリーンに向かって加速され、電荷結合デバイス(CCD)によって見られるマイクロチャネルプレート検出器(MCP)の表面に直接Thイオンを衝突させ、微方性崩壊の検出を達成した。カメラ。実験セットアップの概要を図 1に示します。詳細な説明については、Ref.³⁵を参考にしてください。

図 1: 実験セットアップの概要。トリウム-229の一体型は、ウラン-233のα崩壊部の2%減衰分岐を介して移入される。^{229メートル}Thイオンは、その運動反動エネルギーに起因^して233U源を残し、30mbarヘリウムガスで満たされた緩衝ガス停止セルで熱化される。イオンはRFおよびDC分野の助けを借りて停止容積から抽出され、低エネルギーイオンビームは無線周波数四重極(RFQ)の助けを借りて形成される。イオンビームは四重極質量セパレータ(QMS)の助けを借りて質量精製され、イオンはマイクロチャネルプレート(MCP)検出器の表面に柔らかく埋め込まれ、蛍光体スクリーンと組み合わせることで、空間的に解決された検出が可能になります。発生する信号。スプリンガー・リサーチの親切な許可を受けて、この数字^は11から変更されました。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

以下のプロトコルは、トリウムの地盤状態崩壊の最初の直接検出を可能に^{した229(m)Th}イオンビームを生成するための基礎となる手順を説明し、したがって、その崩壊特性を研究するための基礎を築くこのエキゾチックな核状態の全光学制御を、超精密核周波数規格としての応用に向けて最終的に想定した前提条件。より良い向きのために、異性体^崩壊11の直接検出に使用されるセットアップの概略図の概要が図2に提供され、以下のプロトコルで対処される成分の数値標識を含む。また、寿命^判定12に用いられる成分は、インセットとして含まれる。

図2:異性体崩壊検出に用いられる実験設定の概略図。寿命測定に使用される成分は、インセットとして表示されます。プロトコルセクションで参照される個々のコンポーネントには、数値的にラベル付けされています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Protocol

注: プロトコルで指定された番号は、図 2. 1. Th-229 イソーム崩壊の直接検出 233ウラン源の取り付け 233-ウランα源(1)をガスセル真空チャンバ内のアクセスフランジ開口部を通して、ガスセル内の漏斗リング電極システム(2)の上流端(2)に取り付ける(3)。注:290 kBq、90 mm直径233Uソースは、チタンスパッタ付きSiウエハ36に分子めっきを介して製造されました。ソースの最適なα反動効率を達成するために、その厚さは16nmを超えてはならない、ウラン中の84 keV 229Thの停止範囲である。ソースの DC オフセットを許可するために、ケーブルをソースマウントに接続します。アクセスフランジを閉じてシールし、外部配線を233U ソースに接続します。真空室の避難と焼き出しシャットダウン(コンピュータベースのユーザーインターフェイス(5)を介して制御)し、差動ポンプの個々の部分を接続する3つの(手操作)バルブ(6)を開く場合は、荒削り真空ポンプ(4)を開始して、完全な真空システムの避難を開始します。荒削りポンプにステージ。注:ガスセルの下流のチャンバーからガスセルの下流のチャンバからバルブを開き始め(7)、ガスセルのターボ分子ポンプに向かって、下流のチャンバーからの潜在的な汚染が吸い込まれるのを防ぐ圧力勾配を作成します。最高の清浄度が要求されるガス細胞室。圧力がサブmbar範囲のレベルに達すると(ユーザインタフェース(5)を介して読み出す)ガスセル(8)のターボポンプを開始し、抽出無線周波数四重極(RFQ)(9)および四重極質量セパレータ(QMS)(10)を開始する。 (オプション)バイパスバルブ(11)を開き、ガス供給チューブの効率的な排気も可能にする。飽和圧力に達するまで数時間(4-5)ポンプを続け、通常は低い10-7 mbarの範囲で。最大130°Cにアップランプ(通常20 °C – 40 °C)加熱曲線でユーザーインターフェイス(5)を介してベーキングシステム(12)を開始します。圧力測定値が減少し始めるまで、130°Cで真空システムを1~2日間焼き続けます。ユーザーインターフェイス(5)を介してベーキングシステムの冷却シーケンスをダウンランピングシーケンス(通常は1時間あたり20°C~40°C)で開始します。注: システムのクールダウンは通常 8 時間を必要とし、一晩で実行されます。真空システムの正常な調製は、冷却後の最終的な細胞圧が5×10-10 mbar以下の範囲である場合に達成される。RFQおよびQMSの部屋の圧力はそれぞれ10-9 mbarおよび10-8 mbarの範囲にある。外部配線をRFQ真空チャンバに接続します。ガスシステムの準備と超純粋なHeの供給モノトールガス浄化器(13)を起動し、動作温度に達するまで20分待ちます。開いている場合は、バイパスバルブ (11) を閉じます。 Heガスボンベ(14)を開きます(99.9999%の純度のHeは、操作に使用されます)。約0.5バールの圧力が示されるまで、減圧弁(15)を開きます。圧力減速はガスチューブ(16)に接続するバルブを開きます。ガス流制御(17)を開き、約1.1(約5mbar l/sに相当)のガス流が示されるまでである。ガスチューブを約10分間フラッシュし、チューブから残留ガスを除去します。圧力減速はガスチューブ(16)に接続するバルブを閉じます。彼がガスチューブから取り除かれるまで数分待ってください。 (オプション)バッファーガスの最高の純度を高めるために、クライオトラップ(18)を液体窒素で満たします。バッファーガスセルとそのターボ分子ポンプの間のゲートバルブ(7)を自動運転に設定し、ユーザインタフェース(5)を介してバルブを閉じます。圧力減速はガスチューブ(16)に接続するバルブを開きます。注:バッファーガス停止セルは、現在、Heガスのca.30 mbarで満たされています。このようにして、RFQ および QMS 圧力はそれぞれ 10-4 mbar と 10-5 mbar に上げられます。抽出RFQ真空チャンバ(9)のターボ分子ポンプの回転速度を約10-2mbarの周囲圧力を設定するために50%に調整します。連続イオン抽出のための電導場の適用カスタマイズされたDC電圧電源(19)を介して連続モードで39Vの233-ウランα源(1)にDC電位を適用します。 DC 電源 (20) を介して 4 V/cm の DC 電位勾配 (35 V ~ 3 V) を適用し、24 チャンネル DC オフセット電源 (21) を介して 3 V の電圧オフセットを 50 フォールドセグメント化された漏斗リング電極システムに適用します。すべての電圧は、コンピュータベースのユーザインタフェース(5)で制御されます。同じコンピュータベースのユーザインタフェース(5)の助けを借りて、抽出ノズル電極(22)に典型的に2VのDC電位を適用する。 12倍セグメント抽出-RFQ(27)にDC電位勾配を適用します。注:各セグメントの電圧は、24チャンネルDCオフセット電源(21)を介してコンピュータベースのユーザインタフェース(5)の助けを借りて個別に適用することができます。抽出ノズルに最も近いセグメントには1.8Vの電圧が印加されます。その後、後続のセグメントの電圧は0.2V減少し、10番目のRFQセグメントに0Vの電圧が印加されます。これは、0.1 V/cm の DC グラデーションに対応します。抽出されたイオンの意図された連続輸送の場合、0Vの電圧が第11および第12のRFQセグメントに印加される。この目的のために、第12のRFQセグメント(23)のDC電圧供給は0Vのままになり、カスタマイズされたトリガモジュール(24)は連続動作モードに設定されます。ファンクションジェネレータ(25)およびリニアRFアンプ(26)を介して漏斗リング電極システムにRF周波数と振幅を適用します。注: 周波数と振幅の一般的な値は、それぞれ 850 kHz と 220 Vppです。電圧はコンピュータベースのユーザーインターフェイス(5)で制御できます。ファネルRF電圧アプリケーション中に、漏斗DCオフセット電源(21)の電流を監視します。バッファガスの純度が不十分な場合に発生する火花の場合、この電流は増加し始めます。 RF周波数(通常は880 kHz)と振幅(通常は120-250V pp)を、周波数発生器(28)と2つのRFアンプ(29,30)を介して抽出無線周波数四重極(27)(抽出RFQ)に適用し、1つはRFQ用、もう1つは個人用です。電極を束ねる。電圧は、コンピュータベースのユーザインタフェース(5)で制御できます。メシテック MHV-4 DC 電圧電源 (32) を介して抽出-RFQ の出口電極 (31) に -1 V の DC 電位を適用します。 DC オフセット電圧を四重極質量セパレータ(33)(QMS)に適用します。QMS(中央電極およびブルベーカーレンズ)のオフセット電圧は、カスタマイズされたDCオフセットモジュール(34,35)を介して-2Vに選択されます。 QMS ファンクタ(36)、RF アンプ(37)をオンにして QMS ユーザインタフェース(38)を起動して、四重極質量セパレータ(33)QMSを開始します。QMSユーザーインタフェースでは、選択したイオン種の質量過剰電荷比が挿入されます(通常、Th3+またはTh2+の抽出では、それぞれ76 u/eまたは114.5 u/e)。また、QMS 受け入れ(通常は 1 ~ 2 u/e)と RF 周波数(通常は 825 kHz)が挿入されます。注: Labviewプログラムは、イオン選択に必要なRF振幅とDC電位を自動的に適用し、制御します。必要な RF 振幅の範囲は 600 ~ 1500 Vppで、DC 電位は 50 V ~ 120 V です。質量分離のためのDC電位はカスタマイズされたDCモジュール(39)によって生成される。RFおよびDC電圧安定化のためのフィードバックループが実装されています。メシテック4チャンネル(MHV-4)電圧電源モジュール(32)を介してQMS(-2 V/- 62 V/–22V)の背後にある焦点を合わせるトリオディック電極構造(40)にDC電位を適用します。イオン抽出をプローブし、QMSを調整する高電圧(HV)モジュール(42)を介してダブルプレート(シェブロンジオメトリ)マイクロチャネルプレート検出器(41)(MCP)のフロントプレートに-1000Vの魅力的な表面電位を適用します。 HVモジュール(43)を介して2番目のMCPプレートの裏側に+900Vの電位を適用します。 HVモジュール(45)を介してMCP検出器の後ろに置かれた蛍光体スクリーン(44)に+5,000Vの電位を適用します。蛍光体スクリーンの後ろのCCDカメラ(46)をオンにし、データ集録PC(47)上の対応するグラフィカルユーザインタフェースでCCDカメラの露出パラメータを設定します。注:CCDカメラは、周囲光からの検出をカバーするために、ライトタイトハウジング(48)に配置されます。抽出が正常に実行され、イオンがQMSを通過している場合は、抽出されたイオンのイオン衝撃によって引き起こされる蛍光体スクリーンに強い信号が表示される必要があります。この信号はCCDカメラで監視されるようになりました。質量スキャンを実行して信号形状をプローブし、それに応じてQMSを調整して所望のイオン種を抽出します。注: これは QMS ユーザー・インターフェース (38) の助けを借りて行われる反復手順です。必要な質量過充電比(通常は229Th2+の場合は114.5 u/e)とQMS解決電力(通常は1 u/e)を選択し、CCDカメラを介してイオン衝撃信号をプローブします。信号が観察されるまで、選択した質量を0.5 u/eステップでシフトします。信号が観察されるとすぐに、質量過剰電荷比を2u/eより高い質量にシフトすることにより、233U2+信号も観測可能であればプローブする。この信号も観察される場合は、信号を分離できるかどうかプローブする。そうでない場合は、229Th 2+ および233U2+信号が明確に区別されるまで、QMS 解決電力を調整します。次に、QMS を設定して、229Th2+イオン種のみを抽出します。対方体崩壊の検出圧力センサ制御ユニット(50)を介してQMS圧力センサ(49)をオフにして、イオン化ヘリウムとセンサーによって生成される光からの背景を減らします。 QMS パラメータを調整して、Isomeric 減衰検出用に Th2+または Th3+イオン種を抽出します。 MCP検出器(41)の前面プレートの表面電位を低下させ、イオンをインプするイオンのイオン衝撃から直接発生する電子からの信号を検出しないようにします。このようにして、MCP表面上の229(m)Thイオンの「ソフトランディング」は、逆体崩壊の前に達成される。 (43)を介して最適な電子増幅のための第2のMCPプレートに典型的な+1,900 Vの加速電位を適用する。 MCP検出器の後ろに置かれた蛍光体スクリーン(45)に、通常+6,000Vの加速電位を適用します。注: 実際に印加される電圧は、MCP のパフォーマンスによって異なります。 CCD画像の取得シーケンスを開始し、カメラのユーザーインターフェイス(47)を介してディスク上にデータを格納します。画像の評価と後処理には Matlab プログラムを使用します。注: プログラムの説明とその使用方法は、Ref.35付録 B.3 を使用してください。画像フレームの生データと評価に使用されるプログラムは、DOI 10.5281/zenodo.1037981でオンラインで利用可能になりました。 2. 229mの半寿命の測定(セットアップの再配置) システムをシャットダウンして通気します。 MCP検出システム(42,43,45)、QMS(37,38)、漏斗システム(25,26)、抽出RFQ(28,29,30)の高電圧をオフにします。 (オプション)残りのDC電圧をすべてオフにします。 He供給システム(バルブ14および16)を手動で閉じ、バッファーガス停止セルの圧力が2mbar以下に減少するまで待ちます。ターボポンプをバッファーガス停止セル(7)に接続するゲートバルブをユーザーインターフェース(5)を介して開き、Heがシステムから完全に取り外されるまで待ちます。ガス供給ラインのバルブ(17)を閉じ、ガス浄化器(13)を切り替える。システムが乾燥窒素で排出されたときに閉じるのを妨げるために、ゲートバルブ(7)を手動操作に設定します。ターボポンプを荒削りポンプ(6)に接続する3つのバルブを閉じ、3つのターボポンプ(8,9,10)の電源を落とします。 QMS圧力センサ(49)のスイッチを入します。ターボポンプの回転速度が、ユーザインタフェース(5)で監視されているように、100 Hzを大幅に下回るまで待ちます。デュワー(51)を液体窒素で満たし、通気弁(52)をゆっくりと開きます。システムが完全に乾燥窒素で排出されるまで数分待ちます。注:ガスボンベからの乾燥窒素を使用することもできます。しかし、この場合、過圧が起こらない(例えば、過圧弁または破裂ディスクを挿入することによって)注意する必要があります。空気の使用はまた、代替手段ですが、湿度のためにわずかに長い避難時間につながります。通気弁を閉じます(52)。 MCP を蛍光体スクリーン (41,44) に置き換える小さな単一アノード MCP 検出器 (53) CCDカメラ(46)をライトタイトハウジング(48)と一緒に取り外します。 MCP 検出器を蛍光体スクリーン (41,44) で取り外します。 MCPと蛍光体スクリーンを真空チャンバに接続する真空フランジを開きます。トリオード抽出システム(40)の出口の後ろに数mmの距離を持つ単一アノードMCP(53)を配置し、フロントプレート(42)、バックプレート(43)、およびMCP(54)の陽極を電気フィードスルーで接続する3本のワイヤを接続します。真空チャンバを閉じ、システムは今避難し、焼く準備ができています。単一アノード MCP の外部配線を HV モジュールおよび読み出しシステムに提供します。システムの避難とベークアウト手順 1.2.1 から 1.2.3 に従って、真空システムを避難します。手順 1.2.4 から 1.2.8 のベークアウト手順に従います。ガスチューブの調製と超純粋なHeの供給手順 1.3.1 から 1.3.12 に従います。注:バンチモード動作では、通常、RFQターボポンプを100%回転速度で動作させ、10-4 mbarの範囲で圧力を得ます。イオンバンチの電導場の適用カスタマイズされたDC電圧電源(19)を介して、233-ウランα源(1)に69VのDC電位を適用します。 DC 電源 (20) を介して 4 V/cm の DC 電位勾配 (65 V ~ 33 V) を適用し、24 チャネル DC オフセット電源 (21) を介して 33 V の電圧オフセットを 50 倍セグメント化された漏斗リング電極システムに適用します。すべての電圧は、コンピュータベースのユーザインタフェース(5)で制御されます。同じコンピュータベースのユーザインタフェース(5)の助けを借りて、抽出ノズル電極(22)に32VのDC電位を適用します。 12 倍セグメント抽出 RFQ に DC 電位勾配を適用します。注:各セグメントの電圧は、24チャンネルDCオフセット電源(21)を介してコンピュータベースのユーザインタフェース(5)の助けを借りて個別に適用することができます。抽出ノズルに最も近いセグメントには31.8Vの電圧が印加されます。その後、後続のセグメントの電圧は段階的に0.2V減少し、10番目のRFQセグメントに30Vの電圧が印加されます。これは、0.1 V/cm の DC グラデーションに対応します。束化されたビームの作成の場合、イオンは11番目の電極に貯えられ、冷却される。したがって、11番目の電極は25Vに設定され、最後のRFQセグメントはDC電圧供給(23)を介して44Vに上げられ、最後の電極セグメントをマイクロ秒以内に0Vに下げてイオンバンチを放出する前に、局所電位バケットにイオンを蓄積します。は、カスタマイズされたトリガモジュール(24)によってトリガされます。トリガーモジュール(24)をバンチモードに設定します。トリガモジュールは、トリガレートとタイミングの調整を可能にします。通常、トリガーレートとして10 Hzが選択されます。残りの電圧をシステムに適用し、手順 1.4.5 から 1.4.10 に進みます。イオン抽出をプローブし、QMSを調整する圧力センサ制御ユニット(50)を介してQMS圧力センサ(49)をオフにして、イオン化ヘリウムとセンサーによって生成される光からの背景を減らします。 HVモジュール(42)を介して単一アノードMCP(52)のフロントプレートに-2,000Vの魅力的な表面電位を適用します。 MCP の背面に -100 V の可能性を適用します。MCP アノードはグラウンドに設定されます。 MCP プリアンプ(56)の12V電源モジュール(55)のスイッチを入れします。注:MCP検出器に衝突する単一イオンは、プリアンプ(56)、アンプ(57)、一定画分識別子(CFD)(58)の組み合わせの助けを借りてカウントされるようになりました。CFD信号は、QMS制御に使用されるPCのデータ集録(DAQ)カードに送信され、QMSユーザインタフェース(38)を介して監視することができる。質量スキャンを実行して信号形状をプローブし、それに応じてQMSを調整して所望のイオン種を抽出します。注: これは QMS ユーザーインターフェイス (38) の助けを借りて行われます。この目的のために、初期および最終的な質量過剰電荷比(例えば、229 Th2+質量範囲の場合は110 u/eから120 u/e)、および解集合力(例えば、1 u/e)とスキャンステップあたりの積分時間(5秒)と質量が設定されます。スキャンボタンを押すとスキャンが開始されます。抽出が正常に実行され、イオンがQMSを通過している場合、抽出されたイオンのイオン衝撃によってトリウムとウランの強いシグナルが見られます。寿命測定 QMS パラメータを調整して、Isomeric 減衰検出用に Th2+または Th3+イオン種を抽出します。イオン衝撃信号を低減するために、MCP検出器(52)の前面プレートの表面電位を-25V(42)に低減します。 (43)を介して最適な電子増幅のための第2のMCPプレートに典型的な+1,900 Vの加速電位を適用する。通常+2,100 V の加速電位を MCP 陽極に適用します (53)。マイクロチャネルスケーラ (59) を使用してデータ取得を開始します。注:プリアンプ(56)とマイクロチャネルスケーラ(59)は、MCP検出器の読み出しを解決する時間を可能にします。イオンバンチとマイクロチャネルスケーラは、両方ともトリガモジュール(24)によってトリガされます。スケーラ信号はLabviewユーザインタフェース(60)を介して得られる。約10マイクロ秒の寿命の指数関数的減衰尾は、トリウムの対数体崩壊に対応するイオン束の後に表示されます。

Representative Results

前述の方法は、緩衝ガス停止セル内に置かれた233U源からのα減衰産物の抽出を可能にし、室温でca.30mbar超純粋ヘリウムガスで作動させた。三重に充電されたイオンまで初めて、高効率29のこのような装置から抽出することができた。図3aは、緩衝ガスセルから抽出されたイオンの質量スペクトルを示し、233U α-減衰産物(プラス付随する汚染物質付)の3つの群を、二重に、三重に帯電したイオン状態で示す。注目すべきは、233 U3+と比較して229Th3+抽出の優位性であり、両方の種は二重に充電されたときに約等しい強度で抽出されます。この事実は233Uイオンとの比較測定に用いられ、信号起源としてのイオン衝撃の排除を可能にした。図 3:229-トリウム同体の直接崩壊の同定。a) 233U ソース 129で実行される完全な質量スキャン。単位は、電荷(e)上の原子質量(u)として与えられる。b) 2+および3+チャージ状態におけるトリウムとウランの蓄積中に得られたMCP信号の比較(質量スキャンにリンクする矢印によって示される)。233のU と234U ソースが使用されました (ソース番号は各行の右側に表示されます)。各画像は、2,000sの積分時間(破線円で示される直径20mmの開口部)の個々の測定に対応しています。イオンの柔らかい着陸を保証するために-25V MCP表面電圧で測定を行いました。c)ソース1との229Th3+抽出中に得られた229Thの対方体崩壊のシグナル。約2mm(FWHM)の信号領域径を実現。得られた最大信号強度は0.08カウント/(smm2)で、バックグラウンドレートは約0.01カウント/(s mm2)です。スプリンガーリサーチ11の親切な許可を持つ.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。輸送、冷却、質量分離の後、イオンビームはマイクロチャネルプレート検出器の表面に衝突し、低い魅力的な表面電位はイオン衝撃信号の抑制を保証し、内部から生じる電子だけを残します。検出器プレートチャネルの強い電界に乗算される229mTh発体の変換(IC)減衰チャネル。3つの異なるウラン源に対して得られた結果のMCP信号が図3bに表示される。各個々の測定における四重極質量分離器の助けを借りて選択された二重または三重荷電イオンのイオン種は、上部パネルからの矢印によって示される。MCPからの電子が加速された蛍光体スクリーンの後ろにCCDカメラで取得した写真を示しています。CCDカメラの視野は、三重(最初の2列)と二重に帯電した(最後の2列)229Thおよび233Uイオンの破線円によって示される。上の行は、小面積233Uソース(1000×229Th3+イオン/秒、ソース1)で得られた結果を表し、一番下の行はca.10,000抽出された229Th 33+ でより強いソースに対して同じものを示します。イオン/秒(ソース3)。いずれの場合も229Thに対して明確な信号が得られるのは明らかであるが、233 U 11では電子信号の表示は観察されない。この信号が原子シェルプロセスからではなく、核爆発に起因することを証明するために、中央の行は、αの崩壊が隣接する同位体230を取り込む234Uソースを使用する場合に得られたカメラ画像を示しています。 Thは、同等の電子的で、まだ異なる核構造を持つ。230Thに対する期待通り、調べたいずれの症例においても変換電子信号の兆候は見つからない。したがって、図3cに示される強い信号は、優れた信号対バックグラウンド比で、明らかに229mThの減衰と相関している。この解釈をサポートする追加の検証測定値を図 4に示します。彼らは、登録された電子信号が実際に核異性体の崩壊に起因するというさらなる証拠を与えるために2つの測定値を示す:図4aでは、MCP検出器の魅力的な表面電位が-100V((イオン衝撃からの電子の発生を0Vに下方修正し、抽出された229Th 2+(赤)および233U2+イオン(青)のMCPに登録されたカウントレートを比較した。明らかに、面電圧が-40V以下のイオンの「ソフトランディング」を実現すると、233U2+のカウントレートは0Vのしきい値まで229Th2+に対してゼロに下がります。図4bでは、青色曲線は、233 U2+および229 Th2+イオンの-2000 V.イオン衝撃を持つMCP検出器表面に向かって強い加速後に抽出されたイオンに登録された電子カウント率を示しています。図3aの抽出された質量スペクトル中の二重荷電イオンについて既に示されているように、約等の強度で観察される。赤い曲線は同じシナリオを示していますが、現在は-25 V MCP 表面電位を持つ入ってくるイオンの「ソフトランディング」です。233U2+のイオン衝撃信号の表示はもはや見えませんが、229Th 2+の場合はシグナルが残存し、異性体内部変換減衰11から発生します。図 4:アイソーマー減衰検証測定。a) MCP表面電圧の関数として233U 2+(青)と比較して229Th 2+信号(赤)。エラーは、シェードバンドで示されます。b) 抽出されたイオンの信号は、-25V(偏性減衰、赤色)および-2,000V(イオン衝撃、青)のMCP表面電圧に対するQMSの背後にある質量対電荷比の関数としての信号である。異なる積分時間と軸スケールに注意してください。114.5 u/e(229 Th2+に相当)の信号に加えて、117.5 u/e でさらにシグナルが発生し、これは235Uの異体崩壊に起因する。スプリンガーリサーチ11の親切な許可を持つ.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。したがって、図4で観察された信号が229mThの異性体崩壊に起因し、最初の直接的な同定を表していることを明らかに証明することができます(Ref. 11に与えられた追加の引数と共に)この難解な一元性を脱出する。その後、セグメント化された抽出RFQは、束されたイオンビームを作成するために線形ポールトラップとして動作し、したがって、トリウム異性体の寿命測定を可能にしました。私たちの室温の高真空は、最大104秒の予想放射寿命を調査するのに十分な長い貯蔵時間を可能にしないため、t1/2 > 1分の下限は229mThの下限しか導き出せないイオンは、リニアポールトラップ11における最大達成可能なイオン貯蔵時間によって制限される。しかしながら、MCP検出器の表面にトリウムイオンを中和した後の性同一性崩壊の同定のために以前に適用されたのと同じ検出戦略を用いて、中性229mTh原子の寿命がはるかに短くなる見込み内部変換の減衰は、生涯情報へのアクセスを提供します 12.図5aは、パルス幅が10μsのイオン束に対してシミュレートされた減衰時間スペクトルの予想形状を示す。赤い曲線はイオン衝撃信号を示し、7 μsの半減期を持つ指数関数的減衰からの信号は、長い減衰尾を持つ灰色の曲線によって表されますが、イオン衝撃とeの両方で構成されるトリウム異性体の崩壊からの期待信号xponentialの対方体崩壊は、青い曲線によって示される。図 5bは、それぞれ233U3+ (赤) および229Th3+ (青) に対する対応する測定値の結果を表示します。ウランイオンはイオン衝撃信号のみを発揮する一方で、229-トリウムについては、明らかに性同一性崩壊の予想崩壊尾が12を観察することができる。図 5: 時間イオン衝撃と減衰特性をシミュレートおよび測定します。a) 229Th束の対位崩壊時間特性のシミュレーション。シミュレーションは、測定された束の形状と、229Thイオンの2%が中和後7μsの半減期を有する同体状態にあると仮定したものです。電子検出効率は、イオン検出効率の25倍と仮定される。b) 束に束された229(m)Th3+イオンビーム(青)による対方体崩壊の測定。233U3+との比較測定値を赤で示します。アメリカ物理学会12の親切な許可を受けて.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。減衰尾を指数(図6の対数表現に線形フィットに相当)に合わせ、最終的に7(1)μs12の中性229mTh対体の半減期をもたらす。この値は、α IC~10937の大きな変換係数による帯電した異性ソーマーの場合、ca.104秒から理論的に予想される寿命の短縮にうまく一致する。図 6: 229mにフィット腐衰曲線。229(m)Th2+イオン(a)および229(m)Th3+イオン(b)の時間的減衰特性の対数プロットと、電荷再組み換え後の229m Thの異性体半減期を抽出するために適用される適合曲線と共にMCP 検出器の表面。アメリカ物理学会12の親切な許可を受けて.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

ウラン中の反動α崩壊娘核の範囲は約16nmに過ぎない。所定のソース活性に対するα反動イオンのソースの高効率を達成するためには、ソース材料の厚さをこの範囲に制限することが必須である。α反動抽出効率は、緩衝ガスセルの清浄度の影響を強く受ける。停止ガスの汚染は、電荷交換または分子形成につながります。したがって、ガスセル自体は、特にセルの焼成を可能にし、内部の有機材料を回避するために、超高真空基準に従って構築する必要があります。停止ガスは、触媒精製によって支援される最高級のガス純度から始まり、極クリーンなガス供給ラインを介してガスセルに送達され、部分的に極低温トラップに囲まれて、技術の最先端に従って精製する必要があります。不純物を凍結する。一般に、ガスセル抽出ノズルの位置に完全なセットアップの中心軸の慎重な位置合わせは、高い輸送および検出^効率29を達成するために不可欠である。

ステップ 1.4.5 は、プロトコルの中で最も重要です。効率的なイオン抽出のためには、高いRF振幅を漏斗リング電極に適用する必要があります。ただし、振幅が高すぎると、ガスセルに火花が発生します。最大達成可能なRF電圧振幅は、バッファガスの純度に大きく依存します。電圧の正常な適用は漏斗オフセット電圧の電流によって監視される。この電流は火花の場合に増加します。火花が発生した場合は、最高のイオン抽出効率を保証するためにベークアウト手順を繰り返す必要があります。

さらに重要な点は、高電圧をMCP検出器(ステップ1.6.2-1.6.4)に適用することです。フィールド放出はMCP上で起こり、電子の放出につながり、実際の信号につながる可能性があります。

検出部に向かって最適なイオン抽出と(冷却および質量精製)輸送は、中央光軸の慎重な位置合わせを必要とする。光学アライメントシステム(アライメントレーザーまたはテオドライト)の可用性は不可欠です。抽出RFQおよびQMSを介した効率的なイオン輸送は、^ロッド29の各反対対に適用される2つの反対相に対して無線周波数振幅の連続的な安定化を必要とする。抽出または輸送の問題の同定は、例えば、試運転段階の間にイオン経路に沿って異なる位置に連続して配置されたマルチチャネルプレート検出器を介して実現されたイオン診断によって容易化することができる。セットアップ、または代わりに、例えば、高負表面電圧(1-2 kV)で抽出RFQの背後にある90o以下で、検出器に向かってすべての抽出されたイオンを引き付けます。

操作中は、通常、2 つの問題が発生する可能性があります。すべての電圧が正しく適用されているわけではありません。この場合、通常はイオンが抽出されず、正しく印加されていない電圧の場所を見つける必要があります。また、ヘリウム緩衝ガス中に不純物が存在する。この場合、三つ子に帯電したトリウムイオンの抽出効率が大幅に低下し、分子形成が起こります。最悪の場合、漏斗電圧が印加されると火花も現れます。ガス純度が不十分な理由は、典型的には、ガス供給ラインの漏れまたはバッファガス停止セルのフランジが適切に閉じていないためです。

エネルギー的に低^い229mTh異性ソーマーを含むイオンのクリーンビームを生成する記載の方法は、目的のイオンをかなりの量で緩衝ガス雰囲気から抽出することができるすべての同等の場合に適用することができる。ガスセル及び緩衝ガスの清浄度は必須であり、従って残存ガス不純物の量は、方法の感度に制限される。採用されたマイクロチャネルプレート検出器(MCP)は電子の検出に基づいていますが、低エネルギー変換電子の登録のためにここで利用されているように、このケースはすでにMCP³⁸の効率曲線の低エネルギー境界にあります。一方、より高いエネルギーのために方法は、検出効率を大幅に向上させるだろう。

これまでのところ、記載された方法は、トリウムの脱励の直接的かつ明確な同定を提供している。あるいは、真空紫外線(VUV)透明結晶(大きなバンドギャップを持つ、単体の想定励起エネルギーを超える)^は、229Thでドープされる。目標^は、229Thイオンを高(4+)電荷状態の結晶格子位置に置き、大きなバンドギャップによる脱励を抑制し、シンクロトロン光源からのX線を用いた異性光の励起を目指す。このアプローチのエレガントな概念にもかかわらず、これまでのところ、世界中のいくつかのグループによって報告された一連の実験でVUV蛍光は観察されなかった39、40、41、42、43.同じことは、いわゆる電子ブリッジ遷移を用^いて、229Thの電子シェルを介して対外性の核励起を実現することを目指す実験のクラスのためにも保持されます。ここでは、電子シェル遷移と核同体性体との間の共振結合は、より効率的な対性体集団44,45を可能にする必要があります。双質特性の調査を目的とする他の実験は、微小カロリーメ^トリー46または原子シェル47における超微細シフトの観察に基づいている。ごく最近、レーザー誘導プラズマ中の対性体を励起する別の方法^が48と報告され、コミュニティ内で科学的な議論の対象となっている。

トリウム発体11の内部変換減衰チャネルの発見と、対応する半減期の決定を229m Th(7(1)μs)12の決定により、将来的に初の全光学を実現できる。既存の技術に基づいて脈打ち、作り上がったVUVレーザーが付いている励起。したがって、これは励起エネルギーのはるかに良い知識を必要とし、対応するカスタマイズされたレーザー開発を回避することができるという現在のパラダイムを回避することができます。対照的に、内部変換電子放出の知識を利用して、レーザーパルスで変換電子の検出をゲーティングすると、高い信号対バックグラウンド比を提供し、3未満で1eVの励起エネルギーのスキャンを可能にします。日⁴⁹.また、発賛体の励起エネルギーの判定は、現在進行中であり、IC減衰電子を遅滞のある磁気ボトル電子分光計に送^{ることによって229mTh}ビームを生成する記載の方法に基づくことができます。フィールド電極グリッド⁵⁰.同じ技術はまた、異なる化学環境(例えば、CaF ₂または凍結アルゴンのような大きなバンドギャップ材料上)^または229Th⁺および自由で中性原子の異性化寿命を決定することを可能にします。

3+電荷状態の等位性純粋なトリウムイオンビームを生成する記載された方法は、将来のレーザー分光実験実験のためにトリウムイオンを提供するツールとして使用することができる。この場合、イオンビームを使用して、ポールトラップを安定した効率的な方法でロードできます。これまでのところ、唯一の代替方法は、固体ターゲットからのレーザーアブレーション^{によって229}Th³⁺を生成することです。しかし、これは高価な放射性物質であり、使用済みの真空成分の汚染につながる高いレーザー強度と229 Thの大量を必要とします。このため、記載された方法は、核レーザー分光実験に関しては大きな利点とすることができる。このタイプの最初のアプリケーションは既に⁵¹が公開されています。

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、欧州連合のHorizon 2020研究革新プログラム(助成契約第664732号「nuClock」)、DFG助成金Th956/3-1、およびMaier-ライブニッツ研究所を介して医療物理学のLMU部門によってサポートされました。

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