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 çalışmalar Için ısotopically Pure ²²⁹TH iyon ışın hazırlanması

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

Biz bir²³³U kaynaktan ısotopically saflaştırılmış düşük enerji ²²⁹TH iyon ışın nesil için bir protokol sunuyoruz. Bu İyon ışını, iç-dönüşüm çürüğü kanalı ile ^229mTH toprak durumu çürümesi doğrudan tespiti için kullanılır. Ayrıca, ^229mTH iç dönüşüm ömrünü de ölçüyoruz.

Abstract

Bir metodoloji 2 + ve 3 + şarj durumları ısotopically saf ²²⁹TH iyon ışın oluşturmak için açıklanmıştır. Bu İyon ışını bir uyarma enerjisi yaklaşık 7.8 (5) eV ve 10⁴ saniyeye kadar bir radyatif yaşam süresi ²²⁹TH düşük yalan isomerik ilk heyecanlı durumu araştırmak için sağlar. Sunulan yöntem, Toryum izomer çürümesi ilk doğrudan tanımlaması için izin, bu nükleer geçiş bir optik kontrol için ön koşul olarak çürüme özelliklerini incelemek için temelleri döşeme. Yüksek enerji ²²⁹Th iyonlarının bir radyoaktif ²³³U kaynağının α çürümesi üretilir. İyonların bir tampon-gaz durdurma hücresinde thermalized, ayıklanır ve daha sonra bir İyon ışını oluşur. Bu İyon ışını, saf bir İyon ışını oluşturmak için bir dört ayaklı kütle ayırıcı tarafından saflaştırılır. İsomerik çürümesini tespit etmek için, iyonların bir mikro-kanal plaka dedektörü yüzeyinde toplanır, nerede elektronlar, isomerik devlet iç dönüşüm çürümesi yayılan olarak, gözlemlenmiştir.

Introduction

Thorium-229 çekirdeğinde ilk heyecanlı metastaz devlet, ^229mTH olarak belirtilen, nükleer manzara özel bir pozisyon sergiler, tüm şu anda bilinen ca. 176.000 nükleer heyecan devletlerin en düşük nükleer uyarma enerjisi sahip olduğu gibi. Tipik nükleer enerjiler keV ‘den MeV bölgesine kadar ise, ^229mTH nükleer zemin devlet¹^,²^,³üzerinde 10 ev altında bir enerji sahiptir. Bu devlet için şu anda en çok kabul görmüş enerji değeri 7.8 (5) ev⁴^,⁵. Bu düşük enerji değeri farklı fiziksel topluluklardan faiz tetikledi ve birkaç ilginç uygulamaların önerisi yol açmıştır. Bunlar arasında bir nükleer lazer⁶, Quantum Computing⁷ için son derece istikrarlı bir kübit ve bir nükleer saat⁸^,⁹.

Bu ^229mTH uygulama geniş bir yelpazede sunmak için beklenen nedeni, onun olağanüstü düşük enerji nedeniyle, şu anda mevcut lazer kullanarak doğrudan nükleer lazer uyarılma için izin verebilecek tek nükleer devlet olduğu gerçeğini dayanmaktadır Teknoloji. Şimdiye kadar, ancak, doğrudan nükleer lazer uyarma ^229mTH kesin enerji ve ömür gibi metastas devlet parametrelerinin yetersiz bilgi tarafından engellendi. ²²⁹yılında düşük enerjinin nükleer heyecanlı bir devlet varlığı zaten 1976¹⁰yılında conjectured oldu rağmen, bu devlet hakkında tüm bilgi sadece dolaylı ölçümlerden, onun çürüme kesin bir belirlenmesi için izin değil algılanır olabilir Parametre. Bu durum 2016 yılından bu yana, ^229mTH çürüğü ilk doğrudan algılama heyecanlı devletin parametreleri¹¹^,¹²pin amaçlayan ölçümler çok sayıda kapı açıldı zaman değişti. Burada, 2016 deneyinde elde edildiği gibi ^229mTH doğrudan tespiti için gerekli bireysel adımları açıklayan ayrıntılı bir protokol sağlanmıştır. Bu doğrudan algılama ^229mTH enerji ve ömür boyu ve bu nedenle bir nükleer saatin geliştirilmesi için kesin bir belirlenmesi için temel sağlar. Aşağıdaki bir nükleer saat kavramı için en önemli uygulama olarak ^229mTH tartışılacaktır.

ΔE/e ~ 10^-20göreli satır genişliğiyle toryum izomer ‘in toprak durumu geçişi, potansiyel olarak bir nükleer frekans standardı (‘ nükleer saat ‘)⁸^,⁹olarak nitelendirir. Atomik kabuk, nükleer anlar (manyetik dipol ve elektrikli dört ayaklı) göre daha küçük büyüklüğü 5 sipariş hakkında bir atomik çekirdeği nedeniyle atomlarında olandan daha küçük, büyük ölçüde dış karşı bağışıklık nükleer saat render perturbations (mevcut State-of-the-art atomik saatler ile karşılaştırıldığında). Bu nedenle, bir nükleer frekans standardı son derece istikrarlı ve doğru saat operasyonu vaat ediyor. En iyi mevcut atomik saatlerle elde edilen doğruluk yaklaşık 2.1 x10^-18¹³‘ e ulaştığında, evrenin yaşının daha uzun bir süre içinde 1 saniyelik bir sapma ile ilgili olarak, nükleer saatler daha fazla bir potansiyele sahip geniş bir uygulama alanı için gerekli hale gelebilir iyileştirme. Küresel konumlandırma sistemi (GPS), küresel navigasyon uydu sistemi (GLONASS) veya Galileo Şu anda birkaç metre bir konumlandırma hassasiyetle faaliyet gibi uydu tabanlı gezinme sistemleri. Bu santimetre veya hatta milimetre ölçeği için geliştirilmiş olabilir, uygulamaların bir bolluk, otonom sürüş navlun veya bileşen izleme için düşünülür olabilir. Son derece doğru saatler yanı sıra, bu tür sistemler, uzun-yeniden senkronize aralıkları güvence uzun vadeli sürüklenme stabilitesi ile güvenilir kesintisiz çalışma gerektirir. Nükleer saatlerin kullanımı bu pratik bakış açından faydalı olabilir. (Senkronize ağlar) nükleer saatler daha pratik uygulamalar Relativistik Jeodezi alanında yalan olabilir¹⁴, saat bir 3D yerçekimi sensörü olarak davranır nerede, yerel yerçekimi potansiyel farklılıklar ile ilgili ΔU ölçülen (göreli) saat frekansı farklılıkları Δf/f ile ilişki Δf/f =-ΔU/c²(c ışık hızını gösterir). En iyi mevcut saatler yaklaşık ± 2 cm yükseklik farklılıklarından yerçekimi vardiyaları algılama yeteneğine sahiptir. Böylece, nükleer saat ağı kullanarak ultra hassas ölçümler volkanik magma odaları veya tektonik plaka hareketlerinin dinamiklerini izlemek için kullanılabilir¹⁵. Dahası, bu tür saat ağlarının kullanımı, teorik olarak açıklanan topolojik karanlık madde sınıfını aramak için bir araç olarak önerilmiştir¹⁶. Kapsamlı tartışma güzel yapısı sabit α veya güçlü etkileşim gibi temel sabitler potansiyel temporal varyasyonları tespiti için arayışı içinde bir ^229mTH tabanlı nükleer saatin uygulanması üzerine literatürde bulunabilir parametre (m_q/Δ_QCD, Quark kütlesini temsil eden m_q ve δ_QCD güçlü etkileşimin Scale parametresi), bazı teorilerde diğer etkileşimlerle yerçekimi birleştiren¹⁷. ^229mTH zemin-devlet geçiş enerjisi temporal varyasyon tespiti ince yapı sabit veya güçlü etkileşim parametresi^{temporal varyasyonları için büyüklüğü yaklaşık 2-5 siparişler tarafından gelişmiş bir hassasiyet sağlayabilir 18,}¹⁹,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶. Α tutarlar (dα/DT)/α =-0.7 (2.1) 10^-17/yıl²⁷gibi bir varyasyon için geçerli deneysel limit. Aşağıdaki, ^229minci toprak-devlet çürüğü doğrudan tespiti için deneysel yaklaşım tarif edilecektir.

229-thorium izomer ‘in varlığı için kanıtlar son zamanlarda sadece dolaylı ölçümlerden ortaya çıkarılabilir, 7.8 (5) ev (vakum Ultra-menekşe spektral aralığında bir dalga boyu eşdeğer 160 (11) Nm)⁴ bir uyarılma enerjisi düşündürmektedir ^, ⁵. bizim deneysel yaklaşımımız, ^229minci izomer ‘in isomerik zemin-devlet deexcitation doğrudan tanımlaması amaçlayan, bir tampon-gaz durdurma hücresinde izomer nüfusun uzamsal ayrımı üzerinde oluşturur, bir ekstraksiyon tarafından takip, ve deexcitation ürünleri²⁸^,²⁹kayıt için uygun bir algılama birimine doğru kitle ayrılmış taşıma. Bu nedenle, ISOMER ‘in nüfus ve deexcitasyon kısılmış olabilir, temiz bir ölçüm ortamı ile sonuçlanan, istem arka plan katkıları etkilenmez. ISOMER nüfusu, bir radyoaktif ²³³U kaynağından α çürüğü ile elde edilir, burada bir% 2 çürüme dalı doğrudan ²²⁹TH zemin durumuna değil, ancak ısomerik ilk heyecanlı devlet yerine doldurur. α-çürüme geri tepme çekirdekleri bir tampon-gaz durdurma hücresi ultra saf helyum atmosferinde thermalized, elektrik radyofrekans (RF) ve doğrudan akım (DC) alanları bir ekstraksiyon meme doğru yönlendirilmiş önce, nerede gelişmekte olan süpersonik gaz Jet sürükler Onları bitişik bir vakum odasına, konut bir (segmentlenmiş) Radyofrekans dört kat (RFQ) yapı iyon Kılavuzu, faz-uzay soğutucu ve potansiyel olarak da çıkarılan iyonlarının demetleme için doğrusal Paul tuzak olarak hareket. Arabellek-gaz durdurma hücre ve ekstraksiyon RFQ ayrıntılı bir açıklaması için bkz: refs. ³⁰ ‘ dan fazla ^, ³¹ ^, ³². bu yana o anda elde edilen İyon ışını ^{229 (m)}TH de α çürüme kızı ürünlerinin zincirine ek olarak içerir, kitle ayrımı sonunda bir sonraki vakum odasında bir dört ayaklı kütle ayırıcı (QMS) kullanılarak gerçekleştirilir seçilebilir şarj durumlarına (q = 1-3) izotopik saf ^{229 (m)}TH ışın üretir. QMS ‘in ayrıntılı bir açıklaması refs ‘de bulunabilir. ³³ ^, ³⁴. ısomerik çürümesi tespiti, elektronların serbest olduğu, fosforlu bir ekrana doğru Hızlandırılmış ve bir şarj bağlantılı CIHAZ (CCD) ile görüntülendiği bir Mikrokanal plaka dedektörü (MCP) yüzeyine doğrudan TH iyonlarına engel olarak elde edildi Kamera. Deneysel kurulum genel bir bakış Şekil 1‘ de gösterilir. Ref.³⁵içinde ayrıntılı bir açıklama verilmiştir.

Şekil 1: deneysel kurulum genel bakış. Thorium-229 izomer, uranyum-233 ‘ i d e% 2 bozulma dalı ile doldurulur. ^229m Th iyonlarının, ²³³U kaynağını bırakarak kinetik geri tepme enerjisi nedeniyle, 30 mbar helyum gazı ile dolu bir tampon-gaz durdurma hücresinde thermalized. İyonlar, RF ve DC alanları için yardım ile durdurma hacminin ayıklanır ve bir radyo frekanslı dört ayaklı (RFQ) yardımıyla düşük enerjili İyon ışını oluşur. İyon ışını bir dört ayaklı-kütle-ayırıcı (QMS) yardımıyla kütle tarafından arındırılır ve iyonların yumuşak bir mikro-kanal-plaka (MCP) dedektörü yüzeyine herhangi bir yüzeysel olarak çözülen tespiti için izin veren bir fosfor ekran ile birlikte implante edilir ortaya çıkan sinyaller. Springer Research ‘in tür izni ile bu rakam¹¹‘ den itibaren değiştirildi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Aşağıdaki protokol, Toryum isomer toprak durumu çürümesi ilk doğrudan algılama etkin ^{229 (m)}TH iyon ışın oluşturmak için temel prosedürü açıklar, böylece bir olarak onun çürüme özelliklerini incelemek için temel döşeme Son derece hassas bir nükleer frekans standardı olarak uygulamaya doğru bu egzotik nükleer devletin tüm optik kontrolü öngörülen ön koşul. Daha iyi oryantasyon için, aşağıdaki protokolde ele alınan bileşenlerin sayısal bir etiketlemesi içeren Şekil 2‘ de, isomerik çürüme¹¹ ‘ in doğrudan algılanması için kullanılan kurulum şematik bir bakış verilmiştir. Ayrıca ömür boyu belirlenmesi için kullanılan bileşenler¹² bir inset olarak yer alır.

Şekil 2: isomerik çürüme tespiti için kullanılan deneysel kurulumunun şematik çizimi. Ömür ölçümü için kullanılan bileşenler bir inset olarak gösterilir. Protokol bölümünde başvurulan ayrı bileşenler sayısal olarak etiketlenmiş olur. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Protocol

Not: protokolde verilen numaralar, Şekil 2. 1. doğrudan algılama TH-229 ısomeric çürüme 233-uranyum kaynağının montajı 233-uranyum α kaynağını (1), gaz hücresi vakum odasında bulunan bir erişim flanşı ile, gaz hücresinin içinde (2) huni halka elektrot sisteminin upstream ucunu (3) bağlayın.Not: 290 kBq, 90 mm çapı 233U kaynak, titanyum-yıpranmış si gofret36üzerine moleküler kaplama yoluyla üretildi. Kaynağın optimum α geri tepme-verimliliğini elde etmek için, kalınlığı 16 nm ‘ye geçmemelidir, 84 ‘nin durdurma aralığı olan keV 229TH uranyum. Kaynağın DC uzaklığına izin vermek için kabloyu kaynak montajına bağlayın. Erişim flanşı kapatın ve mühürleyin ve harici kablolama 233U kaynağına bağlayın. Vakum odasının tahliyesi ve pişirme Sert vakum pompası (4) kapatırsanız (bilgisayar tabanlı kullanıcı arayüzü (5) ile kontrol edilir) ve diferansiyel pompalama bireysel parçalarını bağlayan üç (el ile çalışan) valfleri (6) açmak için tam vakum sisteminin tahliyesini başlatın sertleme pompası aşamaları.Not: açık kapı valfi (7) ile gaz hücresinin aşağı doğru gelen valfler, gaz hücresinin Turbo molekül pompasının içine inmesini önleyen bir basınç degradesini oluşturmak için, aşağı doğru gelen olası kontaminasyonlar yüksek temizlik talep edildiği gaz hücresi odası. Basınç alt mbar aralığında bir seviyeye ulaşıldığında (Kullanıcı arayüzü (5) ile okuyun) gaz hücresi (8), ekstraksiyon radyo-frekans dört ayaklı (RFQ) (9) ve dört ayaklı kütle ayırıcı (QMS) (10) Turbo pompaları başlatın. isteğe bağlı Ayrıca gaz besleme tüpünün etkili bir şekilde tahliyesine izin vermek için bypass valfi (11) açın. Genellikle düşük 10-7 mbar aralığında, doygunluk basıncına ulaşıncaya kadar birkaç (4-5) saat pompalamaya devam edin. Kabartma sistemini (12) bir upramping ile Kullanıcı arayüzü (5) üzerinden başlatın (genellikle 20 °C-40 °C saat başına) Isıtma eğrisi en fazla 130 °C. 130 °C ‘ de vakum sistemini 1-2 gün boyunca basınç okumaları azalmaya başlayana kadar pişirmeye devam edin. Pişirme sisteminin soğutma dizisini Kullanıcı arayüzü (5) ile bir downramping dizisi ile başlatın, genellikle 20 °C-40 °C saat başına.Not: sistemin dolum süresi genellikle 8 saat gerektirir ve bir gecede gerçekleştirilir. Vakum sisteminin başarılı bir şekilde hazırlanması, son hücre basıncı serin sonra 5×10-10 mbar altında aralıkları sonra elde edilir. RFQ ve QMS odasındaki baskılar sırasıyla 10-9 mbar ve 10-8 mbar aralığında olacaktır. Harici kablolamayı RFQ vakum odasına bağlayın. Gaz sisteminin hazırlanması ve ultra saf o MonoTorr gaz arıtma cihazını (13) başlatın ve çalışma sıcaklığına ulaşıncaya kadar 20 dakika bekleyin. Açık ise bypass valfi (11) kapatın. O-gaz silindirini (14) açın (% 99,9999 saflık işlemi için kullanılır). Yaklaşık 0,5 çubuk basıncı gösterilinceye kadar basınçlı redüksiyoner vanasını (15) açın. Basınç düşürücü gaz hortumunu (16) bağlayan valfi açın. Yaklaşık 1,1 (yaklaşık 5 mbar l/s ‘ye karşılık gelen) bir gaz akışı gösterilinceye kadar gaz akışı kontrolünü (17) açın. Tüpten kalan gazları çıkarmak için gaz tüpünü yaklaşık 10 dakika yıkayın. Basınç düşürücü valfini gaz tüpünün içine bağlayan valfi kapatın (16). O gaz tüpten çıkarılıncaya kadar birkaç dakika bekleyin. isteğe bağlı Tampon gazının en yüksek saflığı için, Cryo tuzağı (18) sıvı nitrojen ile doldurun. Kapı vanasını (7) tampon gaz hücresi ile Turbo molekül pompası arasında otomatik olarak ayarlayın ve Kullanıcı arayüzü (5) ile vanayı kapatın. Basınç düşürücü gaz hortumunu (16) bağlayan valfi açın.Not: tampon-gaz durdurma hücresi şimdi CA ile doldurulur. 30 mbar o gaz. Bu şekilde RFQ ve QMS basıncı sırasıyla 10-4 mbar ve 10-5 mbar ‘a yükseltilebilir. Yaklaşık 10-2 mbar ortam basıncını ayarlamak için ekstraksiyon-RFQ vakum odasının (9) Turbo-moleküler pompasının döner hızını% 50 ‘ e ayarlayın. Sürekli iyon ekstraksiyon için elektrik rehberlik alanları uygulayın Özelleştirilmiş bir DC voltaj beslemesi yoluyla sürekli modda 233-uranyum α kaynağına (1) 39 V ‘ye DC potansiyeli uygulayın (19). DC potansiyel gradyan 4 V/cm (35 v ‘den 3 V ‘ye kadar) ile bir DC güç kaynağı (20) ve 24 kanallı DC ofset kaynağı (21) ile 3 V voltaj uzaklığı 50-Fold segmentli huni Ring-elektrot sistemine uygulanır. Tüm gerilimler bilgisayar tabanlı kullanıcı arayüzü (5) ile kontrol edilir. Aynı bilgisayar tabanlı kullanıcı arabiriminin (5) yardımıyla ekstraksiyon meme elektrot (22) için tipik olarak 2 V DC potansiyeli uygulayın. 12 katlı segmentlere ayırma-RFQ (27) için bir DC potansiyel gradyan uygulayın.Not: her segmentin voltajı, 24 kanallı DC ofset beslemesi (21) aracılığıyla bilgisayar tabanlı kullanıcı arabiriminin (5) yardımıyla tek başına uygulanabilir. Ekstraksiyon nozulu en yakın segmentte 1,8 volt voltaj uygulanır. Sonraki segmentlerin gerilimleri, 0,2 V tarafından azalır ve 10 RFQ segmentine 0 V voltaj uygulanmıştır. Bu 0,1 V/cm DC gradyan karşılık gelir. Çıkarılan iyonlarının amaçlanan sürekli taşınması durumunda 11 ve 12 ‘ nci RFQ segmentlerine 0 V voltaj uygulanır. Bu amaçla 12TH RFQ segment (23) DC voltaj kaynağı 0 V ‘de bırakılır ve özelleştirilmiş tetik modülü (24) sürekli çalışma moduna ayarlanır. Bir fonksiyon jeneratörü (25) ve doğrusal RF Amplifikatör (26) ile huni halka elektrot sistemine RF frekansı ve genliği uygulayın.Not: frekans ve genlik için tipik değerler sırasıyla 850 kHz ve 220 VPP’dir. Gerilimler bilgisayar tabanlı kullanıcı arayüzü (5) ile kontrol edilebilir. Huni-RF voltaj uygulaması sırasında, huni DC ofset kaynağının akımı (21) izleyin. Eğer tampon-gaz saflık yetersiz ise ortaya çıkabilir kıvılcımlar durumunda, bu akım artmaya başlayacaktır. RF frekansı (genellikle 880 kHz) ve genlik (genellikle 120-250 VPP), bir frekans üreteci (28) ve iki RF amplifikatörü (29, 30), BIR RFQ için bir ve bireysel elektrotlama. Gerilim, bilgisayar tabanlı kullanıcı arayüzü (5) ile kontrol edilebilir. Bir Mesytec MHV-4 DC voltaj beslemesi (32) yoluyla extraction-RFQ çıkış elektrot (31)-1 V bir DC potansiyeli uygulayın. DC ofset gerilimleri dört ayaklı kütle ayırıcı (33) (QMS) için uygulanır. QMS (merkez elektrot ve Brubaker lensler) ofset gerilimi-2 V özelleştirilmiş DC ofset modülleri (34, 35) ile seçilir. QMS fonksiyon jeneratörü (36), RF amplifikatörü (37) ve QMS kullanıcı arayüzünü (38) başlatarak dört ayaklı kütle ayırıcı (33) QMS ‘yi başlatın. QMS Kullanıcı arabiriminde seçilen iyon türlerinin kütle-aşırı şarj oranı eklenir (tipik olarak 76 u/e veya 114,5 u/e, sırasıyla TH3 + veya TH2 +’ nın çıkarılması için). Ayrıca QMS kabulü (genellikle 1-2 u/e) ve RF frekansı (genellikle 825 kHz) eklenir.Not: LabView programı otomatik olarak uygulanacak ve RF genlik ve iyon seçimi için gerekli DC potansiyelleri kontrol edecektir. Gerekli RF amplitüs 600 den 1500 VPP ve DC potansiyeller aralığı 50 v Ile 120 v arasında değişir. Kitle ayrımı için DC potansiyelleri özelleştirilmiş bir DC modülü (39) tarafından üretilir. RF ve DC voltaj stabilizasyonu için bir geri besleme döngüsü uygulanır. Mesytec 4 kanallı (MHV-4) Voltaj besleme modülü (32) ile QMS (-2 V/-62 V/-22 V) arkasındaki odaklama triodik elektrot yapısına (40) DC potansiyelini uygulayın. İyon ekstraksiyonu Probe ve QMS Tune Yüksek voltaj (HV) modülü (42) ile çift plaka (Chevron geometrisi) Mikrokanal plaka dedektörü (41) (MCP) ön plakasına-1000 V çekici bir yüzey potansiyeli uygulayın. Bir HV-Module (43) üzerinden ikinci MCP plakasının arka tarafına + 900 V potansiyeli uygulayın. MCP dedektörünün arkasına bir HV-Module (45) aracılığıyla yerleştirilen fosfor ekranına (44) + 5.000 V potansiyel uygulayın. Fosforlu ekranın arkasında CCD kamera (46) açın ve veri edinme PC (47) üzerinde ilgili grafik kullanıcı arayüzünde CCD kameranın pozlama parametrelerini yapılandırın.Not: CCD kamera, ortam ışığını algılamayı kapsayacak şekilde hafif sıkı bir gövdeye (48) yerleştirilir. Ekstraksiyon düzgün çalıştığından ve iyonların QMS ‘den geçmeleri durumunda, çıkarılan iyonların iyonik etkisinin neden olduğu fosfor ekranında güçlü bir sinyal görünür olmalıdır. Bu sinyal artık CCD kamera tarafından izlenir. Sinyal şeklini araştırmak için bir kitle taraması gerçekleştirin ve istenilen iyon türlerini ayıklamak için QMS ‘e göre ayarlayın.Not: Bu, QMS Kullanıcı arabiriminin (38) yardımıyla gerçekleştirilen yinelemeli bir işlemdir. İstenen kütle aşırı şarj oranını seçin (genellikle 229TH2 +için u/e 114,5) ve QMS güç çözme (genellikle 1 u/e), ardından CCD kamera üzerinden iyonik darbe sinyalini araştırır. Seçilen kütlesi 0,5 u/e adımlarında bir sinyal görülene kadar kaydırın. Bir sinyal gözlemlendiği anda, 233u2 + sinyal ise, kütle-aşırı şarj oranını 2 U/e ile daha yüksek kitlelere kaydırarak gözlemlenebilir. Ayrıca bu sinyal gözlenirse, sinyaller ayrılırsa prob. Bu durumda değilse, 229TH2 + ve 233U2 + sinyalleri açıkça ayırt edilebilir kadar QMS çözme gücü adapte. Sonra sadece 229TH2 + iyon türleri ayıklamak için QMS ayarlayın. İsomerik çürümesi tespiti Sensör tarafından üretilen iyonize helyum ve ışığın arka planını azaltmak için QMS basınç sensörünü (49) basınç sensörü kontrol ünitesi (50) üzerinden kapatın. İsomerik çürüme tespiti için TH2 + veya TH3 + iyon türünü ayıklamak için QMS parametrelerini ayarlayın. MCP dedektörünün (41) ön plakasının yüzey potansiyelini, doğrudan çarpan iyonlarının iyonik etkisinden kaynaklanan elektronlardan gelen sinyali algılamasını önlemek için (42) üzerinden-25 V üzerinden azaltın. Bu şekilde MCP yüzeyinde 229 (m)Th iyonlarının ‘ yumuşak iniş ‘ ısomerik çürüme önce elde edilir. En iyi elektron amplifikasyonu için (43) ikinci MCP plakasına genellikle + 1.900 V hızlandırıcı bir potansiyel uygulayın. MCP dedektörünün arkasına yerleştirilen fosforlu ekrana (45) genellikle + 6.000 V hızlandırıcı bir potansiyel uygulayın.Not: aslında uygulanan gerilimler MCP performansına bağlı olacaktır. CCD görüntülerinin edinme dizisini başlatın ve verileri kamera Kullanıcı arayüzü (47) üzerinden diskte saklayın. Görüntü değerlendirme ve post-processing için MATLAB programlarını kullanın.Not: programların bir açıklaması ve nasıl kullanıldığını ref.35 ek B. 3 ‘ de bulunabilir. Görüntü çerçevelerinin ham verileri ve değerlendirme için kullanılan programlar DOI 10.5281/zenodo. 1037981 adresinde çevrimiçi olarak kullanıma sunulmıştır. 2. 229m TH Half-Life ölçümü (Kurulum ‘un yeniden düzenlenmesi) Sistemin kapatılması ve havalandırmak. MCP algılama sisteminin yüksek gerilimleri (42, 43, 45), QMS (37, 38), huni sistemi (25, 26) ve ekstraksiyon RFQ (28, 29, 30) güç kapatın. Isteğe bağlı Kalan tüm DC gerilimleri kapatın. He besleme sistemini (vana 14 ve 16) el ile kapatın ve tampon-gaz durdurma hücresinin basıncı 2 mbar ‘ın altına düşürülene kadar bekleyin. Turbo pompasını Kullanıcı arayüzü (5) üzerinden tampon-gaz durdurma hücresine (7) bağlayan kapı vanasını açın ve sistemden tamamen çıkarılıncaya kadar bekleyin. Gaz besleme hattının yakın Vana (17) ve gaz temizleyici (13) kapatın. Sistem kuru nitrojen ile kapandıktan sonra kapanmasını engellemek için kapı vanasını (7) manuel işleme ayarlayın. Turbo pompaları, kaba pompa (6) ile bağlayan üç Vana kapatın ve üç Turbo pompası (8, 9, 10) aşağı güç. QMS basınç sensörünü (49) açın. Turbo pompaların dönme hızı, Kullanıcı arabiriminde (5) izlenen şekilde 100 Hz ‘nin altında önemli ölçüde azalıncaya kadar bekleyin. Dewar (51) ‘ ı sıvı nitrojen ile doldurun ve havalandırma valfi (52) yavaşça açın. Sistem tamamen kuru azot ile Bacalı kadar birkaç dakika bekleyin.Not: Alternatif olarak, bir gaz silindirinden kuru azot kullanılabilir. Ancak bu durumda, hiçbir aşırı basınç meydana gelmez (Örneğin, bir aşırı basınç Vana veya rüptürü disk ekleyerek) bakım alınmalıdır. Hava kullanımı da bir alternatiftir ama nem nedeniyle biraz daha uzun tahliye süreleri yol açacaktır. Havalandırma valfi (52) kapatın. MCP ‘yi fosfor ekran (41, 44) ile küçük tek anot MCP dedektörü (53) ile değiştirin CCD kamerayı (46), ışık geçirmez gövde (48) ile birlikte sökün ve çıkarın. MCP dedektörünün fosfor ekranı ile bağlantısını kesin (41, 44). MCP ve fosfor ekranını vakum odası ile bağlayan vakum flanşı açın. Tek anot MCP ‘yi (53), triot ekstraksiyon sisteminin (40) çıkışında birkaç mm mesafeye yerleştirin ve ön plakayı (42), arka plaka (43) ve MCP (54) anotlarını elektrik akışları ile bağlayan üç kabloyu bağlayın. Vakum odasını kapatın, sistem şimdi tahliye için hazır ve pişirin. Tek anot MCP ‘nin dış kablolarını HV modüllerine ve okuma sistemine verin. Sistemin tahliyesi ve pişirme 1.2.1-1.2.3 arasındaki adımları izleyerek vakum sistemini boşaltın. Steps için Bake-Out prosedürünü izleyin 1.2.4 için 1.2.8. Gaz-boru ve ultra-saf tedarik hazırlanması o 1.3.12 için 1.3.1 adımlarını izleyin.Not: paketlenmiş mod işlemi Için genelde RFQ Turbo pompası 100% rotasyon hızında çalışır ve 10-4 mbar aralığında bir basınç elde edilir. İyon demetleme için elektrik rehberlik alanları uygulayın 233-uranyum α kaynağına (1) özel DC voltaj beslemesi (19) ile 69 V DC potansiyeli uygulayın. DC güç kaynağı (20) ile 4 V/cm (65 V ila 33 V arasında değişen) DC potansiyel degradesini, 24 kanallı DC ofset kaynağı (21) ile 33 V voltaj uzaklığına, 50 kat segmentli huni Ring-elektrot sistemine uygulayın. Tüm gerilimler bilgisayar tabanlı kullanıcı arayüzü (5) ile kontrol edilir. Aynı bilgisayar tabanlı kullanıcı arabiriminin (5) yardımıyla ekstraksiyon meme elektrot (22) için 32 V DC potansiyelini uygulayın. 12 katlı kesmeli ayıklama-RFQ ‘ a DC potansiyel degradesini uygulayın.Not: her segmentin voltajı, 24 kanallı DC ofset beslemesi (21) aracılığıyla bilgisayar tabanlı kullanıcı arabiriminin (5) yardımıyla tek başına uygulanabilir. Ekstraksiyon nozulu en yakın segmentte 31,8 volt voltaj uygulanır. Sonraki segmentlerin gerilimleri, 0,2 V tarafından azalır ve 10 RFQ segmentine uygulanan 30 V voltaj ile sonuçlanır. Bu 0,1 V/cm DC gradyan karşılık gelir. Demetlenmiş bir ışın oluşturulması durumunda, iyonlar 11. elektrot içinde saklanır ve soğutulur. Bu nedenle, 11 elektrodu 25 V olarak ayarlanmıştır ve son RFQ segmenti DC voltaj beslemesi (23) üzerinden 44 V ‘ye yükseltilerek, iyon grubu bırakmadan önce, bir mikrosaniyede 0 V ‘ye son elektrot segmentini düşürebilmek için yerel potansiyel kova içinde iyonları birikir. , özelleştirilmiş bir tetik modülü (24) tarafından tetiklenir. Tetik modülünü (24) demet moduna ayarlayın. Tetik modülü tetikleyici hızını ve zamanlamasını ayarlamanızı sağlar. Genellikle, 10 Hz tetik hızı olarak seçilir. 1.4.10 için 1.4.5 adımları izleyerek, kalan voltajları sisteme uygulayın. İyon ekstraksiyonu Probe ve QMS Tune Sensör tarafından üretilen iyonize helyum ve ışığın arka planını azaltmak için QMS basınç sensörünü (49) basınç sensörü kontrol ünitesi (50) üzerinden kapatın. Bir HV-Module (42) ile tek anot MCP (52) ön plakasına-2.000 V çekici bir yüzey potansiyeli uygulayın. MCP ‘nin arka tarafına-100 V potansiyelini uygulayın. MCP anot yere ayarlandı. MCP ön amplifikatör (56) için 12 V güç kaynağı modülünü (55) açın.Not: MCP dedektörünün üzerindeki tek iyonlarının artık preamplifikatör (56), bir amplifikatör (57) ve sabit fraksiyonel ayrımcılık (CFD) (58) kombinasyonu yardımıyla sayılır. CFD sinyali, QMS kontrolü için kullanılan PC ‘nin bir veri edinme (DAQ) kartına gönderilmektedir ve QMS Kullanıcı arayüzü (38) ile izlenebilir. Sinyal şeklini araştırmak için bir kitle taraması gerçekleştirin ve istenilen iyon türlerini ayıklamak için QMS ‘e göre ayarlayın.Not: Bu QMS Kullanıcı arabirimi (38) yardımıyla yapılır. Bu amaçla, bir ilk ve son kütle-aşırı şarj oranı ayarlanır (örn., 110 u/e 120 u/e için 229TH2 + Kütle-aralığı), yanı sıra çözme gücü (Örneğin, 1 u/e) ve entegrasyon süresi (5 s) tarama adım başına ve kütle tarama düğmesine basılarak tarama başlatılır. Ekstraksiyon düzgün çalışıyor ve iyonların QMS geçiyor durumda, Toryum ve uranyum güçlü sinyaller çıkarılan iyonların iyonik etkisi neden görünür olacaktır. Ömür boyu ölçüm İsomerik çürüme tespiti için TH2 + veya TH3 + iyon türünü ayıklamak için QMS parametrelerini ayarlayın. İyonik darbe sinyalini azaltmak için MCP dedektörünün (52) ön plakasının yüzey potansiyelini-25 V (42) ile azaltın. En iyi elektron amplifikasyonu için (43) ikinci MCP plakasına genellikle + 1.900 V hızlandırıcı bir potansiyel uygulayın. Genellikle + 2.100 V ‘yi MCP anot (53) ile hızlandıran bir potansiyel uygulayın. Bir Mikrokanal Scaler (59) üzerinden veri edinme başlatın.Not: preamplifikatör (56) ve Microchannel Scaler (59) zaman çözülmesine izin MCP dedektörünün okuma-out. İyon demetleri ve Mikrokanal Scaler her ikisi de tetik modülü tarafından tetiklenir (24). Scaler sinyali bir LabView Kullanıcı arayüzü (60) ile elde edilir. Yaklaşık 10 mikrosaniye ömür boyu üstel çürüme kuyruğu, Toryum isomerik çürümesine karşılık gelen iyon demetleri sonra görünür hale gelir.

Representative Results

Bir tampon-gaz durdurma hücresinin içine yerleştirilen bir 233U kaynağından α çürüme ürünlerinin çıkarılması için izin vermeden önce açıklanan yöntem, oda sıcaklığında 30 mbar ultra saf helyum gazı ile çalıştırılır. İlk kez en fazla hatta üç şarj edilen iyonlarının yüksek verimlilik29ile böyle bir cihazdan ayıklanabilir. Şekil 3A tampon-gaz hücresinden çıkarılan iyonların kütle spektrumunu görüntüler, üç adet 233U α-çürüme ürünü (artı eşlik eden kontaminant adduct) gösteren, tek başına, iki taraflı ve hatta üç şarj edilmiş iyonik durumlarda. Önemli 229TH hakimiyeti olduğunu3 + ekstraksiyon 233U ile karşılaştırıldığında3 +, her iki türler de eşit yoğunluğu ile ayıklanır iken ikisi birden şarj edildiğinde. Bu gerçek, 233U iyonlarla karşılaştırmalı ölçümler için kullanılan, sinyal kökeni olarak herhangi bir iyonik etki dışlama izin. Şekil 3 : 229-thorium isomer ‘in doğrudan çürümesi tanımlaması. a) 233U kaynak 129ile yapılan komple kitle taraması. Birimler elektrik şarjı (e) üzerinde Atomik kütle (u) olarak verilir. b) 2 + ve 3 + şarj durumunda Toryum ve uranyum birikimi sırasında elde edilen MCP sinyallerinin karşılaştırılması (kitle taramasına bağlanan oklar tarafından belirtildiği gibi). 233 Sen ve 234U kaynakları kullanıldı (kaynak numarası her satırın sağ tarafında verilir). Her görüntü, 2.000 s entegrasyon süresi (kesikli daire tarafından belirtilen 20 mm çap diyafram) bireysel ölçümüne karşılık gelir. İyonlarının yumuşak iniş garantisi için-25 V MCP yüzey voltajı ölçültü. c) 229’ in sinyali, 229TH3 + Ekstraksiyonunda kaynak 1 ile elde edilen ısomerik çürüğü. Yaklaşık 2 mm ‘lik (FWHM) bir sinyal alanı çapı elde edilir. Elde edilen maksimum sinyal yoğunluğu yaklaşık 0,01 sayar/(s mm2) arka plan hızında 0,08 sayar/(s mm2) olur. Springer Research 11’ in nazik izni ile. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Taşıma, soğutma ve kütle ayrımı yapıldıktan sonra, İyon ışını, düşük çekici yüzey potansiyelinin iyonik darbe sinyallerinin bastırılmasını sağlayan ve sadece Iç yüzeyden kaynaklanan elektronları yaprakları bir Mikrokanal-plaka dedektörünün yüzeyine inler. 229minci izomer ‘in dönüşüm (IC) bozulma kanalı, dedektör plaka kanallarının güçlü elektrik alanına çarpılır. Üç farklı uranyum kaynağı için elde edilen MCP sinyalleri Şekil 3B’de görüntülenir. Her bir ölçümde Dört taraflı kütle ayırıcı yardımıyla seçilen iki veya hatta üç şarj edilen iyonların iyon türü, üst panelden oklar ile gösterilir. Gösterilen resimler, fosforlu ekranın arkasındaki CCD kamera ile, MCP ‘den elektronların hızlandırılması ile elde edilmiştir. CCD kameranın görüş alanı, üçgen (ilk iki sütun) için kesikli çevrelerle gösterilir ve sırasıyla 229Th ve 233U ions (son iki sütun) 2 kat şarj edilir. Üst satır, küçük alan 233U kaynağı için elde edilen sonucu temsil eder (ca. 1000 ayıklanan 229TH3 + iyonlarının saniyede, kaynak 1), alt satırda aynı CA ile daha güçlü bir kaynak için gösterirken. 10.000 çıkarılan 229TH3 + saniye başına ions (kaynak 3). Her iki durumda da 229için net bir sinyal elde edildiği açıktır, 233U 11 için bir elektron sinyali belirtisi görülmez. Bu sinyal gerçekten bir atom kabuğu sürecinde değil, bir nükleer deexcitation ve kaynaklanan kanıtlamak için, orta satır bir 234U kaynağı kullanırken ortaya çıkan kamera görüntüsünü gösterir, nerede α çürüğü komşu izotopa doldurur 230 Benzer bir elektronik, ama farklı bir nükleer yapıya sahip. 230için beklendiği gibi, herhangi bir dönüşüm elektron sinyali hiçbir belirti incelenmiştir durumlarda bulunur. Yani güçlü sinyal, mükemmel sinyal-to-background oranı ile Şekil 3c görüntülenir, açıkça 229mTH çürüme ile ilişkilidir. Bu yorumu desteklemek için ek doğrulama ölçümleri Şekil 4’ te gösterilir. Bunlar, kayıtlı elektron sinyallerinin gerçekten nükleer isomer çürümesine neden olduğu konusunda daha fazla kanıt vermek için iki ölçüm gösteriyorlar: Şekil 4A ‘da MCP dedektörünün çekici yüzey potansiyelinin-100 V ‘den farklı olduğu gösterilmiştir ( İyonik etki gelen elektronların oluşumunu tercih) aşağı 0 V, sayısı oranları MCP 229TH2 + (kırmızı) ve 233U2 + iyonların (mavi) Ayıklanacak kayıtlı karşılaştırarak. Açıkça sayma oranı 233U2 + için sıfırdan aşağı düşer, CA.-40 V altında bir yüzey gerilimi ile gelen iyonların bir ‘ yumuşak iniş ‘ gerçekleştirirken, önemli bir sayma hızı için kalır ise 229TH2 + eşik kadar 0 V. Şekil 4b’de, mavi EĞRI, MCP Dedektör yüzeyine-2000 V ile güçlü hızlanma sonrasında çıkarılan iyonlar için kayıtlı elektron sayımı oranını gösterir. 233U2 + ve 229TH2 + iyonlarının iyonik etkisi Şekil 3A’nın çıkarılan kütle spektrumunda iki kat şarj edilmiş iyonlarının gösterildiği gibi eşit yoğunlukta görülür. Kırmızı eğri, ancak şimdi-25 V MCP yüzey potansiyeline sahip gelen iyonların ‘ yumuşak iniş ‘ için aynı senaryoyu gösterir. 233U2 + ‘ nın iyonik darbe sinyalinin hiçbir belirtisi, 229TH2 + bir sinyal kalırsa, ısomerik iç dönüşüm çürüğü11’ den kaynaklanan, daha fazla görülebilir. Şekil 4 : ISOMER çürüme doğrulama ölçümleri. a) 229TH2 + sinyal (kırmızı) ile karşılaştırıldığında 233U2 + (mavi) MCP yüzey voltajının bir fonksiyonu olarak. Hatalar gölgeli bantlar ile belirtilir. b)-25 V (isomer çürümesi, kırmızı) ve-2.000 V (iyon etkisi, mavi) MCP yüzey gerilimleri için QMS arkasındaki kütle-şarj oranının bir fonksiyonu olarak çıkarılan iyonların sinyali. Farklı tümleştirme süreleri ve eksen ölçekler unutmayın. 114,5 u/e sinyaline ek olarak ( 229TH2 + ‘ya karşılık gelir), 117,5 u/e ‘de bir daha sinyal ortaya çıkar ve bu da 235u ‘ nın isomerik çürümesiyle kaynaklanır. Springer Research11’ in nazik izni ile. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Bu nedenle, Şekil 4 ‘ te gözlenen sinyalin 229mTH ‘nin isomerik çürümesine kaynaklanan ve ilk doğrudan kimliğini temsil ettiği (Ref. 11′ de verilen ek argümanlar ile birlikte) belirsizliğe karşı kanıtlanmış olabilir. Bu zor isomer deexcitation. Daha sonra segmente extraction-RFQ doğrusal Paul tuzak olarak işletilen bir demetlenmiş İyon ışını oluşturmak için, böylece toryum isomer ömür boyu ölçümleri için izin. Bizim oda-sıcaklık yüksek vakum kadar 104 saniyeye kadar beklenen radyatif ömrünü araştırmak için yeterince uzun depolama süreleri için izin vermez, t1/2 > 1 dakika sadece bir alt sınırı için elde edilebilir 229mTH tahsil Doğrusal Paul tuzak11maksimum ulaşılabilen iyon depolama süresi ile sınırlı iyonlarının. Ancak, bir MCP dedektörü yüzeyinde toryum iyonlarının nötralizasyonundan sonra izomer çürümesi tanımlanması için önce uygulanan aynı algılama stratejisini kullanarak, nötr 229mTH atom için beklenen çok daha kısa ömür iç dönüşüm çürümesi ömür boyu bilgi erişim sağlar12. Şekil 5A , 10 μs Pulse genişliğine sahip bir iyon demet için simüle olarak çürüme zaman spektrumunun beklenen şeklini gösterir. Kırmızı eğri, iyonik darbe sinyalini ve 7 μs yarı ömrü ile üstel çürüme sinyalini gösterirken, uzun çürüme kuyruğu ile gri eğrisi ile temsil edilir, Toryum izomer çürümesi beklenen sinyal, hem iyonik etkisi ve e oluşur xponential isomerik çürüme, mavi eğrisi tarafından gösterilmiştir. Şekil 5B sırasıyla 233U3 + (kırmızı) ve 229TH3 + (mavi) için ilgili ölçümün sonucunu görüntüler. Uranyum iyonlarının sadece iyonik etki sinyalini gösterirken, 229-thorium için açıkça beklenen çürüme kuyruğu izomer çürümesi görülebilir12. Şekil 5 : Simüle ve ölçülen temporal iyon etkisi ve çürüme özellikleri. a) 229TH bunches ISOMER çürüme zaman özelliklerinin simülasyonu. Simülasyon ölçülen demet şekli ve 229Th iyonlarının 2% nötralizasyondan sonra 7 μs yarı ömrü ile isomerik devlet olduğunu varsayımına dayanmaktadır. Elektron algılama verimliliğinin iyon algılama verimliliğine göre 25 kat daha büyük olduğu varsayılır. b) isomerik çürüğü, bir demeti 229 (m)TH3 + iyon ışın (mavi) ile ölçülmesi. 233U3 + ile karşılaştırmalı bir ölçüm kırmızı gösterilir. Amerikan fiziksel toplumu12′ nin izniyle. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Çürüme kuyruğunu bir üstel ile sığdırmak ( Şekil 6′ da Logaritmik gösterime doğrusal bir sığmaya karşılık gelen), son olarak 7 (1) μs12’ den oluşan nötr 229mTH izomer ‘nin yarı ömrü ile sonuçlanır. Bu değer, α IC büyük dönüşüm katsayısı nedeniyle şarj edilmiş izomer durumunda CA. 104 saniyenin büyüklüğü dokuz sipariş tarafından teorik olarak beklenen ömür boyu azaltma ile kabul eder~ 10937. Şekil 6 : 229m ‘ye uygun Çürüme eğrisi. 229 (m)TH2 + iyonlarının (a) ve 229(m) TH3 + iyonlar (b) için temporal çürüme özelliklerinin Logaritmik arsa ile birlikte bir uygun eğrisi, 229mTH ısomerik yarı ömrü ayıklamak için uygulanan şarj rekombinasyon sonra , MCP Dedektör yüzeyi. Amerikan fiziksel toplumu12’ nin izniyle. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Discussion

Uranyum miktarlarında α çürüme kızı çekirdekleri sürme aralığı sadece yaklaşık 16 Nm. Belirli bir kaynak aktivitesi için α-Recoil iyonlarının kaynağının yüksek verimliliğine ulaşmak için, kaynak malzeme kalınlığını bu aralığa sınırlamak zorunludur. Α geri tepme çıkarma verimliliği, tampon-gaz hücresinin temizliğinden şiddetle etkilenir. Durdurma gazının kontaminasyonu, şarj değişimi veya molekül oluşumuna yol açacaktır. Bu nedenle, gaz hücresi kendisi Ultra yüksek vakum standartlarına göre inşa edilmelidir, özellikle hücrenin bir pişirme ve içinde herhangi bir organik malzeme kaçınarak izin vermek. Durdurma gazı, teknik devlet-of-the-Art ‘ a göre, katalitik arıtma ve gaz hücresine yüksek kalitede gaz saflığından başlayarak, ultra temiz bir gaz besleme hattı ile kısmen bir kriyojenik tuzak ile çevrili kirleri dondurmak. Genel olarak, gaz hücresi ekstraksiyon meme konumuna tam kurulum merkezi ekseni dikkatli hizalama yüksek taşıma ve algılama verimliliği²⁹elde etmek için esastır.

Adım 1.4.5 en önemli protokoldür. Verimli iyon ekstraksiyon için yüksek RF amplitüd huni halka elektrot uygulanması gerekir. Ancak, genlik çok yüksek seçilmişse, gaz hücresindeki kıvılcımlar ortaya çıkar. Maksimum ulaşılabilen RF voltaj amplitüdü, tampon gazının saflığına göre kritik olarak değişir. Gerilimin başarılı bir şekilde uygulanması, huni ofset geriliminin akımı ile izlenir. Bu akım kıvılcımlar durumunda artacaktır. Kıvılcımlar meydana geliyorsa, en yüksek iyon ekstraksiyon verimliliğini garanti etmek için fırında çıkarma prosedürü tekrarlanmalıdır.

Daha önemli bir nokta, yüksek gerilimler MCP dedektörü (Steps 1.6.2-1.6.4) uygulamasıdır. Saha emisyonları MCP ‘de ortaya çıkabilir ve bu da artifaktüel sinyallerine yol açabilen elektronların emisyonuna yol açabilir.

Optimum iyon ekstraksiyon ve (soğutmalı ve kütle arıtılmış) algılama birimine doğru taşıma merkezi optik eksen dikkatli hizalama gerektirir. Bir optik hizalama sisteminin (hizalama lazer veya teodolit) kullanılabilirliği esastır. Ekstraksiyon RFQ ve QMS aracılığıyla verimli iyon taşıma çubuklar²⁹her zıt çifti uygulanan iki zıt faz için radyo frekansı amplitüs sürekli stabilizasyonu gerektirir. Ekstraksiyon veya taşıma sorunlarının tanımlanması, örn. bir iyon teşhisi ile kolaylaştırılabilir , örneğin, bir çok kanallı plaka dedektörü üzerinden iyon yolu boyunca farklı pozisyonlarda ardışık olarak yerleştirilmiş Kurulum, veya alternatif olarak, örn. altında 90^o ekstraksiyon RFQ arkasında yüksek negatif yüzey voltajı (1-2 kV) ile Dedektör doğru tüm ayıklanan iyonları çekmek için.

İşlem sırasında genellikle iki sorun ortaya çıkabilir. Tüm gerilimler doğru uygulanmamıştır. Bu durumda genellikle hiçbir iyonlarının ayıklanır, ve bir doğru uygulanan voltaj yeri bulmak zorunda. Ayrıca, helyum tampon-gaz içinde kirleri mevcut. Bu durumda, hatta üç şarj edilmiş toryum iyonlarının ekstraksiyon verimliliği büyük ölçüde azalır ve molekül oluşumu meydana gelir. En kötü durumda, huni voltajı uygulandığında kıvılcımlar bile görünecektir. Yetersiz gaz saflık nedeni genellikle gaz besleme hattı veya tampon-gaz durdurma hücresi düzgün kapalı flanşı bir sızıntıdır.

Enerjik bir şekilde düşük olan ^229mTH izomer içeren iyonları temiz bir ışın oluşturmak için açıklanan yöntem, faiz iyon büyük miktarlarda tampon-gaz atmosferinden ayıklanabilir tüm karşılaştırılabilir durumlarda uygulanabilir. Gaz hücresi ve tampon gazının temizliği zorunludur, böylece kalan gaz kirleri miktarı yöntemin hassasiyetini kısıtlar. İstihdam edilen Microchannel-Plate dedektörü (MCP) elektronların algılanmasını temel alarak, burada düşük enerjili dönüşüm elektronların tescili için yararlanıldığı gibi, bu durumda zaten MCPs³⁸için verimlilik eğrisi düşük enerji sınırında yatıyor, yüksek enerjiler için ise Yöntem algılama verimliliğinde önemli ölçüde kazanacaktır.

Şimdiye kadar, açıklanan Yöntem toryum isomer de-Excitation sadece bildirilen doğrudan ve belirsiz tanımlaması sağladı. Alternatif olarak, vakum Ultra-menekşe (VUV)-şeffaf kristaller (büyük bandgaps ile, isomer kabul uyarma enerjisini aşan) ²²⁹ile katkılı. Amaç, kristal kafes pozisyonlarının yüksek (4⁺) şarj devlet ²²⁹TH iyonlarını yerleştirmek için, büyük bant boşluğu ile de-uyarma inhibe ve senkrotron ışık kaynaklarından X-ışınları kullanarak izomer bir uyarma amacı. Bu yaklaşımın zarif konseptine rağmen, şimdiye kadar hiçbir VUV floresans çeşitli gruplar tarafından Dünya çapında bildirilen bir dizi deney görülebilir³⁹^,⁴⁰^,⁴¹^,⁴²^,⁴³. Aynı, ²²⁹TH elektron kabuğu aracılığıyla izomer nükleer uyarılma gerçekleştirmek için amaçlayan bir deney sınıfı için tutar, bir sözde elektron-köprü geçiş kullanarak. Burada bir elektron kabuğu geçişi ve nükleer izomer arasında rezonant bağlantı daha verimli bir izomer nüfus⁴⁴^,⁴⁵için izin vermelidir. İsomerik özelliklerinin soruşturulması amacı diğer deneyler mikrokalorimetri⁴⁶ veya atom kabuğu⁴⁷içinde hyperfine-vardiya gözlem dayanmaktadır. Son zamanlarda bir lazer kaynaklı plazma içinde izomer heyecanlandırmak için başka bir yöntem⁴⁸ bildirdi ve toplum içinde bilimsel tartışmaya tabidir.

Toryum izomer¹¹ ‘ in iç dönüşüm çürüğü kanalının keşfi ve tarafsız ^229mTH (7 (1) μs)¹² ‘ nin ilgili yarı ömrünün belirlenmesi, gelecekte ilk tüm optik zaten mevcut teknolojiye dayalı bir darbeli, ayarlanabilir VUV lazer ile uyarılma. Böylece mevcut paradigma bu uyarılma enerjisi ve ilgili özelleştirilmiş lazer gelişimi çok daha iyi bilgi gerektirecektir kaçınılabilir. Buna karşılık, iç dönüşüm elektron emisyonu bilgisini sömürüyor, lazer darbesi ile dönüşüm elektronların algılanması yüksek bir sinyal-arka plan oranı sağlayacaktır, az 3 uyarma enerjisi 1 eV tarama için izin verirken gün⁴⁹. Dahası, hala devam eden çalışma olan isomer ‘in uyarılma enerjisinin belirlenmesi, bir manyetik şişe elektron spektrometresi içine ıC çürüğü elektronları göndererek, ^229mTH ışın üretme açıklanan yönteme dayalı olabilir geciktirme alan elektrot ızgaraları⁵⁰. Aynı teknik aynı zamanda farklı kimyasal ortamlar için (Örneğin CaF₂ veya Frozen argon gibi büyük bant boşluğu malzemelerinde) veya ²²⁹TH⁺ ‘ da, ücretsiz, nötr atomun ısomerik ömrünü belirlemesine izin verecektir.

3 + şarj durumunun izotopik saf toryum İyon ışını üretme yöntemi, gelecekteki lazer spektroskopisi denemeleri için toryum iyonlarının sağlanması için bir araç olarak kullanılabilir. Bu durumda İyon ışını istikrarlı ve verimli bir şekilde Paul tuzağı yüklemek için kullanılabilir. Şimdiye kadar, tek alternatif yöntem, katı bir hedeften lazer ablasyon tarafından ²²⁹TH^{3 +} üretmektir. Bu, ancak, yüksek lazer yoğunlukları ve ²²⁹TH büyük bir miktar gerektirir, hangi pahalı bir radyoaktif malzeme ve kullanılan vakum bileşenlerinin kontaminasyona yol açar. Bu nedenle, açıklanan Yöntem nükleer lazer spektroskopisi deneylerine gelince önemli bir avantaj olabilir. Bu tür bir ilk uygulama⁵¹zaten yayımlandı.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Avrupa Birliği ‘nin Horizon 2020 araştırma ve yenilik programı tarafından Grant Sözleşmesi No. 664732 “nuClock” tarafından, DFG Grant Th956/3-1 tarafından ve Maier-Leibnitz-Lab aracılığıyla tıbbi fiziğin LMU departmanı tarafından destekleniyordu.

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