Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Klargjøre en Isotopically Pure 229th ion Beam for studier av 229mth

Published: May 3, 2019 doi: 10.3791/58516
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Faculty of Physics, Ludwig-Maximilians-Universität München

Summary

Vi presenterer en protokoll for generering av en isotopically renset lav energi 229th ion Beam fra en 233U kilde. Dette ion strålen brukes for direkte påvisning av 229mth Ground-State forfall via intern konvertering forfall kanal. Vi måler også den interne konverteringen levetid på 229mth også.

Abstract

En metodikk er beskrevet for å generere en isotopically ren 229th ion Beam i 2 + og 3 + lade tilstander. Dette ion strålen gjør det mulig for en å undersøke lavtliggende isomere første opphisset tilstand 229th på en eksitasjon energi på ca 7,8 (5) EV og en strålingspådrivet levetid på opptil 104 sekunder. Den presenterte metoden tillot en første direkte identifisering av forfallet av thorium isomer, legge grunnlaget for å studere sine forfall egenskaper som forutsetning for en optisk kontroll av denne kjernefysiske overgangen. Høy energi 229th ioner produseres i α forfallet av en radioaktiv 233U kilde. Ioner er thermalized i en buffer-gass stoppe celle, ekstrahert og deretter en ion strålen dannes. Denne ion stråle er masse renset av en quadrupole-masse separator å utvikle en ren ion stråle. For å oppdage isomere forfall, er ioner samlet på overflaten av en mikro-kanals plate detektor, der elektroner, som slippes ut i den interne konverteringen forfallet av isomere tilstand, er observert.

Introduction

Den første glade metastabile tilstand i thorium-229 kjernen, betegnet som 229mth, utstillinger en spesiell posisjon i det kjernefysiske landskapet, som det besitter den laveste kjernefysiske eksitasjon energi av alle i dag kjent ca. 176 000 kjernefysiske glade stater. Mens typiske kjernefysiske energier spenner fra keV opp til MeV regionen, 229mth besitter en energi på under 10 EV over Atom bakken State1,2,3. Den tiden mest aksepterte energi verdien for denne tilstanden er 7,8 (5) EV4,5. Denne lave energi verdien har utløst interesse fra ulike fysiske samfunn og førte til forslaget til flere interessante programmer. Blant dem er en kjernefysisk laser6, en svært stabil qubit for Quantum Computing7 og en kjernefysisk klokke8,9.

Grunnen til at 229mth er forventet å tilby et bredt utvalg av programmer er basert på det faktum at, på grunn av sin ekstraordinære lav energi, er det eneste kjernefysiske staten som kan tillate direkte kjernefysisk laser eksitasjon bruker tiden tilgjengelig laser Teknologi. Så langt, derimot, direkte kjernefysisk laser eksitasjon av 229mth ble forhindret av utilstrekkelig kunnskap om metastabile Statens parametre som sin presise energi og levetid. Selv om eksistensen av en kjernefysisk opphisset tilstand av lav energi i 229th var allerede antatt i 197610, all kunnskap om denne tilstanden kan bare utledes fra indirekte målinger, ikke tillater for en presis bestemmelse av dens forfall Parametere. Denne situasjonen har endret seg siden 2016, da den første direkte deteksjon av 229mth Decay åpnet døren for en rekke målinger som mål å pin ned spent Statens parametre11,12. Her er en detaljert protokoll gitt, som beskriver de enkelte trinnene som kreves for en direkte påvisning av 229mth som oppnås i forsøket på 2016. Denne direkte oppdagelsen gir grunnlag for en presis bestemmelse av 229mth energi og levetid, og derfor for utvikling av en kjernefysisk klokke. I det følgende konseptet med en kjernefysisk klokke som det viktigste programmet for 229mth vil bli diskutert.

Med en relativ linewidth av ΔE/E ~ 10-20 Ground-State overgang av thorium isomer potensielt kvalifiserer som en kjernefysisk frekvens standard (' atomur ')8,9. På grunn av en Atomic nucleus ca 5 størrelsesordener mindre i forhold til Atom-skallet, kjernefysiske øyeblikkene (magnetisk dipol og elektriske quadrupole) er følgelig mindre enn de i atomer, rendering en kjernefysisk klokke i stor grad uimottakelig mot eksterne forstyrrelser (sammenlignet med den nåværende State-of-the-art Atomic klokker). Derfor lover en kjernefysisk frekvens standard en svært stabil og nøyaktig klokke drift. Selv om nøyaktigheten oppnås i den beste gaven Atom klokker når ca 2.1 x10-1813, tilsvarende et avvik på 1 sekund i en tidsperiode betydelig lengre enn alderen på universet, kjernefysiske klokker holder potensialet i en ytterligere forbedring som kan bli avgjørende for et stort bruksområde. Satellitt-baserte navigasjonssystemer som Global Positioning System (GPS), Global Navigation satellitt system (GLONASS) eller Galileo i dag opererer med en posisjonering presisjon på noen få meter. Hvis dette kan forbedres til centimeter eller millimeter skala, kan en overflod av søknader planlegges, fra autonom kjøring til frakt eller komponentsporing. I tillegg til svært nøyaktige klokker, vil slike systemer kreve pålitelig uavbrutt drift, med langsiktig drift stabilitet som sikrer synkroniseringen intervaller. Bruk av kjernefysiske klokker kan vise seg gunstig fra denne praktiske synspunkt. Videre praktiske anvendelser av (synkroniserte nettverk av) kjernefysiske klokker kan ligge på området relativistic geodesi14, hvor klokken fungerer som en 3D gravitasjon sensor, om lokale tyngdekraft potensielle forskjeller ΔU til målt (relativ) forskjeller i klokkefrekvens Δf/f via relasjonen Δf/f =-ΔU/c2 (c betegner lysets hastighet). De beste nåværende klokkene er i stand til å sensing tyngdekraften Skift fra Høydeforskjeller på ca ± 2 cm. Dermed ultra-presise målinger ved hjelp av en kjernefysisk klokke nettverk kan brukes til å overvåke dynamikken i vulkanske magma kamre eller tektoniske plate bevegelser15. Videre ble bruken av slike klokke nettverk foreslått som et verktøy for å søke etter teoretisk beskrevet klassen av topologisk mørk materie16. Omfattende diskusjon kan bli funnet i litteraturen om anvendelsen av en 229mth-basert kjernefysisk klokke i jakten på påvisning av potensielle timelige variasjoner av grunnleggende konstanter som fin struktur konstant α eller den sterke interaksjon parameter (mq/ΔQCD, med mq representerer Quark Mass og ΔQCD skala parameter av sterk samhandling), foreslo i noen teorier samlende gravitasjon med andre interaksjoner17. Påvisning av en temporal variasjon i bakke-statlige overgangen energien til 229mth kan gi en forbedret følsomhet med ca 2-5 størrelsesordener for timelige variasjoner av den fine strukturen konstant eller sterk interaksjon parameter 18,19,20,21,22,23,24,25,26. Den nåværende eksperimentelle grensen for en slik variant av α beløper til (dα/dt)/α =-0.7 (2.1) 10-17/år27. I det følgende eksperimentelle tilnærming for direkte påvisning av 229mth Ground-State forfall vil bli beskrevet.

Bevis for eksistensen av 229-thorium isomer inntil nylig bare kunne utledes fra indirekte målinger, noe som tyder på en eksitasjon energi på 7,8 (5) eV (tilsvarende en bølgelengde i vakuum ultra-fiolett Spectral spekter av 160 (11) NM)4 , 5. vår eksperimentelle tilnærming, med sikte på en direkte identifisering av isomere Ground-State deexcitation av 229mth isomer, bygger på en romlig separasjon av isomer befolkningen i en buffer-gass stoppe celle, etterfulgt av en ekstraksjon, og masse separert transport mot en egnet deteksjons enhet for å registrere de deexcitation produktene28,29. Således kan befolkning og deexcitation av isomer være disentangled, noe som resulterer i et rent måle miljø, upåvirket av spørre bakgrunn bidrag. Befolkningen i isomer oppnås via α forfallet fra en radioaktiv 233U kilde, der en 2% forfall gren provenyet ikke direkte til bakken tilstand 229th, men fyller isomere første glade tilstand i stedet. α-Decay rekyl kjerner er thermalized i en ultra-ren helium atmosfære av en buffer-gass stoppe celle, før de blir guidet av elektriske radiofrekvens (RF) og likestrøm (DC) felt mot et avsugsmunnstykke, hvor den nye overlyds gassen Jet drar dem inn i en tilstøtende vakuum kammer, bolig en (segmentert) radiofrekvens quadrupole (forespørsel) struktur fungerer som ion guide, fase-plass kjøligere og potensielt også som lineær Paul felle for bunching de utpakkede ioner. For en detaljert beskrivelse av buffer gass stoppe celle og utvinning TILBUDSFORESPØRSEL se referanser. 30 priser og , 31 andre , 32. siden opp til det øyeblikket den utpakkede ion strålen inneholder i tillegg til 229 (m)th også kjeden av α forfall datter produkter, er masse separasjon utføres ved hjelp av en QUADRUPOLE masse separator (QMS) i en påfølgende vakuum kammer til slutt Generer en isotopically ren 229 (m)i valgbare lade tilstander (q = 1-3). En detaljert beskrivelse av QMS kan bli funnet i refs. 33 for alle , 34. påvisning av isomere forfall ble oppnådd ved impinging den th ioner direkte på overflaten av en MicroChannel-DETEKTOR (MCP), hvor elektroner er frigjort, akselerert mot et fosfor skjerm og sett av en charge-koplet enhet (CCD) Kameraet. En oversikt over det eksperimentelle oppsettet vises i figur 1. En detaljert beskrivelse er gitt i REF.35.

Figure 1
Figur 1: oversikt over eksperimentoppsettet. Den thorium-229 isomer er befolket via 2% forfall gren i α forfallet av uran-233. 229m Th ioner, forlater 233U kilde på grunn av deres kinetisk rekyl energi, er thermalized i en buffer-gass stoppe celle fylt med 30 mbar helium gass. Ioner er Hentet fra stoppe volumet ved hjelp av RF og DC felt og en lav-energi ion strålen er dannet ved hjelp av en Radio-frekvens quadrupole (forespørsel). Den ion strålen er masse-renset ved hjelp av en quadrupole-masse-separator (QMS) og ioner er mykt implantert inn i overflaten av en mikro-kanals-plate (MCP) detektor kombinert med et fosfor skjerm som gjør det mulig for romlig løst påvisning av eventuelle signalene som oppstår. Med vennlig tillatelse fra springer forskning har dette tallet blitt modifisert fra11. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Følgende protokoll beskriver den underliggende prosedyren for å generere 229 (m)th ion som aktiverte den første direkte oppdagelsen av bakke-State forfall av thorium isomer, og dermed legge grunnlaget for å studere sine forfall egenskaper som en forutsetning av endelig forutsett all-optisk kontroll av denne eksotiske kjernefysiske tilstand mot sin anvendelse som en ultra-presis kjernefysisk frekvens standard. For bedre orientering en skjematisk oversikt over oppsettet som brukes for direkte påvisning av isomere Decay11 er gitt i figur 2, som inneholder en numerisk merking av komponentene som er adressert i følgende protokoll. Også komponentene som brukes for livstids fastsettelse12 er inneholdt som en innfelt.

Figure 2
Figur 2: skjematisk skisse av det eksperimentelle oppsettet som brukes til isomere forfall deteksjon. Komponentene som brukes til livstids måling, vises som en innfelt. Individuelle komponenter som vil bli referert i protokollen delen er numerisk merket. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

Merk: tallene angitt i protokollen vil referere til Figur 2.

1. direkte påvisning av th-229 isomere Decay

  1. Montering av 233-uran kilde
    1. Monter den 233-uran α-kilden (1) gjennom en tilgangs flens åpning i gass celle vakuumkammeret til oppstrøms enden av trakt ring elektrode systemet (2) inne i gass cellen (3).
      Merk: 290 kBq, 90 mm diameter 233U kilde ble produsert via molekylær plating på en Titan-freste Si wafer36. For å oppnå optimal α rekyl-effektiviteten av kilden, bør tykkelsen ikke overstige 16 NM, som stopper utvalg av 84 keV 229th i uran.
    2. Koble kabelen til kilde braketten for å tillate en DC-forskyvning av kilden. Lukk og forsegle tilgangs flens og koble den eksterne ledninger til 233U kilde.
  2. Evakuering av vakuumkammeret og stek ut
    1. Start evakuering av det komplette vakuumsystemet ved å starte den roughing vakuumpumpen (4) hvis den slås av (styres via et datamaskin-basert brukergrensesnitt (5)) og åpner de tre (hånd drevne) ventilene (6) som kobler de enkelte delene av differensial pumpe stadier til roughing pumpen.
      Merk: Begynn å åpne ventilene fra kamrene nedstrøms av gass cellen med åpen port ventil (7) mot Turbo molekylære pumpen av gass cellen for å skape et trykk gradient som hindrer potensielle forurensninger fra nedstrøms kamre som skal suges inn i gasskammer der det kreves høyeste renslighet.
    2. Når presset har nådd et nivå i det sub-mbar området (leses ut via brukergrensesnitt (5)) starter Turbo pumpene i gass cellen (8), utvinning radiofrekvens quadrupole (forespørsel) (9) og quadrupole masse separator (QMS) (10).
    3. Valgfritt Åpne bypass ventilen (11) for å også muliggjøre effektiv evakuering av gass tilførselsslangen.
    4. Fortsett å pumpe for et par (4-5) timer til nå metning trykk, vanligvis i området lav 10-7 mbar.
    5. Start bake systemet (12) via brukergrensesnittet (5) med en upramping (vanligvis 20 ° c-40 ° c per time) varme kurve til maksimalt 130 ° c.
    6. Fortsett å bake vakuumsystemet ved 130 ° c i 1-2 dager til trykk målingene begynner å avta.
    7. Start kjøle sekvensen på bakervarer systemet via brukergrensesnittet (5) med en downramping sekvens, vanligvis 20 ° c-40 ° c per time.
      Merk: avkjøling av systemet krever vanligvis 8 timer og utføres over natten. Vellykket utarbeidelse av vakuumsystemet oppnås når det endelige celle trykket etter kjølige områder under 5x10-10 mbar. Presset i TILBUDSFORESPØRSELEN og QMS kammeret vil være i 10-9 mbar og 10-8 mbar rekkevidde, henholdsvis.
    8. Koble de eksterne ledningene til vakuumkammeret for TILBUDSFORESPØRSEL.
  3. Utarbeidelse av gass systemet og tilførsel av ultra-ren he
    1. Start MonoTorr gass purifier (13) og vent 20 minutter til den har nådd driftstemperatur.
    2. Lukk omkjørings ventilen (11) hvis den er åpen.
    3. Åpne he-gass sylinder (14) (han av 99,9999% renhet brukes til drift).
    4. Åpne trykk redusering ventilen (15) til et trykk på ca 0,5 bar vises.
    5. Åpne ventilen som kobler trykkbeholderen til gass slangen (16).
    6. Åpne gass strømnings kontrollen (17) til en gass strøm på ca. 1,1 (tilsvarende ca 5 mbar l/s) vises.
    7. Skyll gass slangen i ca. 10 minutter for å fjerne gjenværende gasser fra slangen.
    8. Steng ventilen som forbinder trykkbeholderen med gass slangen (16).
    9. Vent noen minutter til han er fjernet fra gass slangen.
    10. Valgfritt For høyest mulig renhet av buffer gassen fyller du fryse fellen (18) med flytende nitrogen.
    11. Sett port ventilen (7) mellom buffer gass cellen og dens Turbo molekyl pumpe til automatisk drift og Lukk ventilen via brukergrensesnittet (5).
    12. Åpne ventilen som kobler trykkbeholderen til gass slangen (16).
      Merk: Stopp cellen for buffer gass er nå fylt med ca. 30 mbar av he-gassen. På denne måten er TILBUDSFORESPØRSELEN og QMS-trykket hevet til henholdsvis 10-4 mbar og 10-5 mbar.
    13. Juster rotasjonshastigheten for den Turbo molekylære pumpen i vakuumkammeret for utvinnings forespørselen (9) til 50% for å angi et omgivelsestrykk på ca. 10-2 mbar.
  4. Påfør de elektriske guiding felt for kontinuerlig ion utvinning
    1. Påfør et DC-potensial på 233-uran α-kilden (1) på 39 V i kontinuerlig modus via en tilpasset LIKESTRØMS penning (19).
    2. Påfør en DC potensiell stigning på 4 V/cm (fra 35 V til 3 V) via en likestrømforsyning (20) og en spennings forskyvning på 3 V via en 24-kanals DC offset forsyning (21) til 50-fold segmentert trakt ring-elektrode system. Alle spenninger styres med det datamaskin-baserte brukergrensesnittet (5).
    3. Påfør en DC potensial av typisk 2 V til ekstraksjon dyse elektroden (22) ved hjelp av samme datamaskin-basert brukergrensesnitt (5).
    4. Påfør en DC potensial gradient til 12-fold segmentert utvinning-forespørsel (27).
      Merk: spenningen til hvert segment kan påføres individuelt ved hjelp av det datamaskin-baserte brukergrensesnittet (5) via 24-kanals DC offset Supply (21). En spenning på 1,8 V påføres segmentet nærmest avsugs munnstykket. Spenningene i de påfølgende segmentene blir deretter trinnvis redusert med 0,2 V, noe som resulterer i en spenning på 0 V som brukes på det 10. Dette tilsvarer en DC-gradering på 0,1 V/cm. I tilfelle av tiltenkte kontinuerlig transport av utdraget ioner en spenning på 0 V er brukt på 11th og 12th tilbuds forespørsels segmenter. For dette formålet er DC spenningsforsyningen av 12th tilbuds forespørsels segmentet (23) igjen ved 0 V og den tilpassede trigger modulen (24) er satt til kontinuerlig driftsmodus.
    5. Påfør RF-frekvens og amplitude i trakt ring elektrode systemet via en funksjonsgenerator (25) og lineær RF-forsterker (26).
      Merk: typiske verdier for frekvens og amplitude er henholdsvis 850 kHz og 220 VPP. Spenningene kan styres med et datamaskin-basert brukergrensesnitt (5). Under trakt-RF spennings program, overvåke strømmen av trakten DC offset Supply (21). I tilfelle av gnister, som kan oppstå hvis buffer-gass renhet er utilstrekkelig, vil denne strømmen begynner å øke.
    6. Påfør RF frekvens (vanligvis 880 kHz) og amplitude (vanligvis 120-250 VPP) til ekstraksjon radiofrekvens quadrupole (27) (EXTRACTION-forespørselen) via en frekvens generator (28) og to RF forsterkere (29, 30), en for tilbudsforespørselen og en for den enkelte bunching elektroden. Spenningen kan styres med det datamaskin-baserte brukergrensesnittet (5).
    7. Påfør et DC-potensiale fra-1 V til utgangs elektroden (31) av utvinnings forespørselen via en Mesytec MHV-4 DC spenningsforsyning (32).
    8. Bruk DC offset spenninger til quadrupole masse separator (33) (QMS). Offset spenningen på QMS (Center elektrode og Brubaker linser) er valgt til å være-2 V via tilpasset DC offset moduler (34, 35).
    9. Start den quadrupole masse skilletegnet (33) QMS ved å slå på QMS Function-generator (36), RF-forsterkeren (37) og starte QMS brukergrensesnitt (38). I QMS brukergrensesnitt massen-over-charge forholdet av valgte ion arter er satt inn (vanligvis 76 u/e eller 114,5 u/e, for utvinning av th3 + eller th2 +, henholdsvis). Også QMS aksept (vanligvis 1 til 2 u/e) og RF frekvens (vanligvis 825 kHz) er satt inn.
      Merk: LabVIEW programmet vil automatisk gjelde og kontrollere RF amplitude og DC potensialer som kreves for ion valg. Den påkrevde RF-amplituder spenner fra 600 til 1500 VPP og DC potensialer spenner fra 50 v til 120 v. DC-potensialet for masse separasjon genereres av en tilpasset DC-modul (39). En feedback-loop er implementert for RF og DC spennings stabilisering.
    10. Bruk DC-potensiale på fokuserings triodic elektrode struktur (40) bak QMS (-2 V/-62 V/-22 V) via Mesytec 4-kanals (MHV-4) spennings forsynings modul (32).
  5. Sonden av ion-ekstraksjon og tune QMS
    1. Påfør et attraktivt overflate potensiale-1000 V til frontplaten på den doble platen (Chevron-geometri) MicroChannel (41) (MCP) via en høyspennings (HV)-modul (42).
    2. Påfør et potensial på + 900 V på baksiden av den andre MCP-platen via en HV-modul (43).
    3. Påfør et potensiale på + 5 000 V til fosfor skjermen (44) plassert bak MCP-detektoren via en HV-modul (45).
    4. Skru på det CCD kameraet (46) bak det fosfor skjermen og konfigurere det avsøring parameterene av det CCD kameraet inne det tilsvarende grafisk bruker grenseflate på datainnsamling PC (47).
      Merk: CCD-kameraet plasseres i et lett tett hus (48) for å dekke gjenkjenningen fra omgivelseslyset. I tilfelle at ekstraksjon kjører riktig og ioner passerer gjennom QMS et sterkt signal skal være synlig på fosfor skjermen forårsaket av den joniske virkningen av de utpakkede ioner. Dette signalet overvåkes nå av CCD-kameraet.
    5. Utføre en masse avsøke å sonde signalet skikkelsen og følgelig melodi det QMS å ekstra det ønsket ion art.
      Merk: Dette er en gjentakende prosedyre utført ved hjelp av QMS brukergrensesnitt (38). Velg en ønsket masse-over-charge forhold (vanligvis 114,5 u/e for 229th2 +) og QMS løse strøm (vanligvis 1 u/e), deretter sonde den IONISKE innvirkning signal via CCD-kameraet. Shift den valgte massen i 0,5 u/e trinn til et signal er observert. Så snart et signal er observert, sonde hvis også 233U2 + signal er Observer ved å flytte masse-over-charge-ratio med 2 U/e til høyere masser. Hvis også dette signalet er observert, sonde hvis signalene kan skilles. Hvis dette ikke er tilfelle, tilpasse QMS løse makten til 229th2 + og 233U2 + signaler kan tydelig skilles. Så sette det QMS å ekstra bare det 229th2 + ion art.
  6. Påvisning av isomere forfall
    1. Slå av QMS trykksensor (49) via kontrollenheten for trykksensoren (50) for å redusere bakgrunnen fra ionisert helium og lys som produseres av sensoren.
    2. Juster QMS parametere for å trekke ut den th2 + eller th3 + ion arter for isomere forfall deteksjon.
    3. Reduser overflate potensialet på frontplaten til MCP-detektoren (41) til-25 V via (42) for å unngå å oppdage signalene fra elektroner som stammer direkte fra den joniske virkningen av impinging ioner. På denne måten en "myk landing" av 229 (m)th IONER på MCP overflaten er oppnådd før isomere forfall.
    4. Påfør en akselererende potensial av typisk + 1 900 V til den andre MCP-platen for optimal elektron forsterkning via (43).
    5. Påfør en akselererende potensial av typisk + 6 000 V til fosfor skjermen plassert bak MCP detektor via (45).
      Merk: de faktisk brukte spenninger vil avhenge av MCP ytelse.
    6. Starte oppkjøpet orden av CCD profilen og lager informasjonen opp på diskett via kameraet bruker-grenseflate (47).
    7. Bruk MATLAB-programmer til bilde evaluering og etterbehandling.
      Merk: en beskrivelse av programmene og hvordan de brukes kan finnes i REF.35 vedlegg B. 3. Rådata til bilderammer samt programmene som brukes til evaluering har blitt gjort tilgjengelig online på DOI 10.5281/zenodo. 1037981.

2. måling av 229m th halveringstid (re-arrangement av setup)

  1. Slå av og lufting av systemet.
    1. Slå av de høye spenningene i MCP-deteksjonssystemet (42, 43, 45), QMS (37, 38), trakt systemet (25, 26) og TILBUDSFORESPØRSELEN (28, 29, 30).
    2. Valgfritt Slå av alle gjenværende DC-spenninger.
    3. Lukk han forsynings systemet manuelt (ventiler 14 og 16) og vent til trykket av buffer gass stopp cellen er redusert til under 2 mbar.
    4. Åpne porten ventilen som forbinder Turbo pumpen til buffer-gass stoppe cellen (7) via brukergrensesnittet (5) og vent til han er helt fjernet fra systemet.
    5. Lukk ventilen (17) på gass forsynings linjen og slå av gass rense ren (13).
    6. Still inn port ventilen (7) til manuell drift for å hindre den fra å lukkes når systemet er ventilert med tørt nitrogen.
    7. Lukk de tre ventilene som forbinder Turbo pumpene med roughing-pumpen (6) og slå av de tre Turbo pumpene (8, 9, 10).
    8. Slå på QMS trykksensor (49).
    9. Vente til rotasjonshastigheten til Turbo pumpene er redusert til betydelig under 100 Hz som overvåkes i brukergrensesnittet (5).
    10. Fyll Dewar (51) med flytende nitrogen og åpne ventilasjons ventilen (52) langsomt. Vent noen minutter til systemet er helt ventilert med tørt nitrogen.
      Merk: Alternativt kan tørr nitrogen fra en gassflaske brukes. Men i dette tilfellet, må forsiktighet tas at ingen overtrykk vil skje (f. eks, ved å sette inn en overtrykksventil eller brudd disk). Bruk av luft er også et alternativ, men vil føre til litt lengre evakuering ganger på grunn av luftfuktigheten.
    11. Steng ventilasjons ventilen (52).
  2. Erstatte MCP med fosfor skjerm (41, 44) av en liten anode MCP-detektor (53)
    1. Koble fra og fjern CCD-kameraet (46) sammen med det lyse tett huset (48).
    2. Koble MCP-detektoren med fosfor skjerm (41, 44).
    3. Åpne vakuum flens som kobler MCP-og fosfor skjermen til vakuumkammeret.
    4. Plasser single-anode MCP (53) med noen mm avstand bak avkjørselen til det triode avsugs systemet (40) og koble de tre ledningene som kobler frontplaten (42), bakplaten (43) og anode til MCP (54) med den elektriske feedthroughs.
    5. Lukk vakuumkammeret, systemet er nå klart for evakuering og stek ut.
    6. Gi den eksterne ledninger av singelen anode MCP til HV-modulene og lese-ut-systemet.
  3. Evakuering av systemet og bake ut
    1. Evakuere vakuumsystemet ved å følge trinnene 1.2.1 til 1.2.3.
    2. Følg bake ut prosedyren av trinn 1.2.4 til 1.2.8.
  4. Utarbeidelse av gass-rør og tilførsel av ultra-ren he
    1. Følg trinnene 1.3.1 til 1.3.12.
      Merk: for bunched-modus opererer vi vanligvis med tilbuds forespørsels Turbo pumpen ved 100% rotasjonshastighet, noe som resulterer i et trykk i 10-4 mbar-serien.
  5. Påfør de elektriske veilednings feltene for ion bunching
    1. Påfør et DC-potensial på 69 V på den 233-uran α-kilden (1) via den tilpassede likestrømsspenningen (19).
    2. Påfør en DC potensiell stigning på 4 V/cm (alt fra 65 V til 33 V) via DC strømforsyningen (20) og en spennings forskyvning på 33 V via 24-kanals DC offset Supply (21) til 50-fold segmentert trakt ring-elektrode system. Alle spenninger styres med det datamaskin-baserte brukergrensesnittet (5).
    3. Påfør et DC-potensiale på 32 V til elektroden for avsugs munnstykket (22) ved hjelp av det samme datamaskin-baserte brukergrensesnittet (5).
    4. Påfør en DC potensielle gradient til 12-fold segmentert Extraction-forespørselen.
      Merk: spenningen til hvert segment kan påføres individuelt ved hjelp av det datamaskin-baserte brukergrensesnittet (5) via 24-kanals DC offset Supply (21). En spenning på 31,8 V påføres segmentet nærmest avsugs munnstykket. Spenningene av de etterfølgende segmentene blir deretter trinnvis redusert med 0,2 V, noe som resulterer i en spenning på 30 V som brukes på 10 tilbuds forespørsels segmentet. Dette tilsvarer en DC-gradering på 0,1 V/cm. I tilfelle etableringen av en bunched stråle ioner lagres og kjøles i 11th elektroden. Derfor er 11-elektroden er satt til 25 V, og den siste forespørselen segmentet er hevet til 44 V via DC spenningsforsyningen (23) til å akkumulere ioner i den lokale potensielle bøtta før du slipper den ion gjeng ved å senke det siste elektrode segmentet til 0 V i en mikrosekund , utløst av en tilpasset trigger modul (24).
    5. Sett trigger modulen (24) til gjeng modus. Trigger modulen tillater justering av Trigger rate og timing. Vanligvis er 10 Hz valgt som trigger rate.
    6. Påfør de resterende spenninger til systemet, følgende trinn 1.4.5 til 1.4.10.
  6. Sonden av ion-ekstraksjon og tune QMS
    1. Slå av QMS trykksensor (49) via kontrollenheten for trykksensoren (50) for å redusere bakgrunnen fra ionisert helium og lys som produseres av sensoren.
    2. Påfør et attraktivt overflate potensiale-2 000 V til frontplaten på singelen anode MCP (52) via en HV-Module (42).
    3. Påfør et potensial på-100 V på baksiden av MCP. MCP-anode er satt til jord.
    4. Slå på 12 V strømforsynings modulen (55) for MCP-forforsterker (56).
      Merk: enkelt ioner som impinging på MCP-detektoren, telles nå ved hjelp av kombinasjonen av forforsterker (56), en forsterker (57) og en konstant brøk diskriminator (CFD) (58). CFD-signalet sendes til et datainnsamlings kort (DAQ) på PC-en som brukes til QMS-kontroll og kan overvåkes via QMS-brukergrensesnittet (38).
    5. Utføre en masse avsøke å sonde signalet skikkelsen og følgelig melodi det QMS å ekstra det ønsket ion art.
      Merk: Dette gjøres ved hjelp av QMS brukergrensesnitt (38). For dette formålet, en innledende og en endelig masse-over-charge ratio er satt (f. eks, 110 u/e til 120 u/e for 229th2 + Mass-Range), samt løse makt (f. eks 1 u/e) og integreringen tid (5 s) per Scan trinn og massen skanningen er startet ved å trykke på skanneknappen. I tilfelle at ekstraksjon kjører riktig og ioner passerer QMS, sterke signaler av thorium og uran vil være synlig på grunn av den joniske virkningen av de utpakkede ioner.
  7. Livstids måling
    1. Juster QMS parametere for å trekke ut den th2 + eller th3 + ion arter for isomere forfall deteksjon.
    2. Reduser overflate potensialet til frontplaten til MCP-detektoren (52) til-25 V via (42) for å redusere den joniske effekt signalet.
    3. Påfør en akselererende potensial av typisk + 1 900 V til den andre MCP-platen for optimal elektron forsterkning via (43).
    4. Påfør en akselererende potensial av typisk + 2 100 V til MCP-anode via (53).
    5. Start datainnsamlingen via en MicroChannel scaler (59).
      Merk: forforsterker (56) og MicroChannel-scaler (59) gir mulighet for tids løst lesing av MCP-detektoren. Den ion bunter og MicroChannel scaler er begge utløst av avtrekkeren modulen (24). Scaler signalet oppnås via et LabVIEW brukergrensesnitt (60). En eksponentiell forfallet hale på ca 10 mikrosekunder levetid blir synlig etter ion bunter, tilsvarende thorium isomere forfall.

Representative Results

Metoden beskrevet før tillatt for utvinning av α forråtnelse produkter fra en 233U kilde plassert inne i en buffer-gass stoppe celle, operert ved ca. 30 mbar ultra-ren helium gass ved romtemperatur. For første gang opp til triply belastes ioner kan trekkes ut fra en slik enhet med høy effektivitet29. Figur 3a viser massen spekteret av ioner utvunnet fra buffer-gass cellen, viser tre grupper av 233U α-Decay produkter (pluss tilhørende miljøgifter addukter) i enkeltvis, dobbelt og triply ladet ioniske stater. Bemerkelsesverdig er dominans av 229th3 + ekstraksjon sammenlignet med 233U3 +, mens begge artene er hentet med omtrent lik intensitet når det blir dobbelt ladet. Dette faktum ble brukt for sammenlignende målinger med 233U ioner, som tillot utelukkelse av noen ioniske innvirkning som signal opprinnelse.

Figure 3
Figur 3 : Identifisering av direkte forfall av 229-thorium isomer. a) fullstendig masse skanning utført med 233U kilde 129. Enheter er gitt som atommasse (u) over elektrisk ladning (e). b) sammenligning av MCP-signaler oppnådd ved akkumulering av thorium og uran i 2 + og 3 + lade tilstander (som indikert av pilene som kobler til masse skanningen). 233 for alle du og 234U kilder ble brukt (kildenummeret er oppgitt på høyre side av hver rad). Hvert bilde tilsvarer en individuell måling av 2 000 s integrasjons tid (20 mm diameter blenderåpning indikert av den stiplede sirkelen). Målinger ble utført ved-25 V MCP overflatespenning for å garantere myk landing av ioner. c) signal av 229th isomere forfall innhentet under 229th3 + ekstraksjon med kilde 1. Et signal område diameter på ca 2 mm (FWHM) oppnås. Den oppnådde maksimale signal intensiteten er 0,08 teller/(s mm2) ved en bakgrunn rate på ca 0,01 teller/(s mm2). Med vennlig tillatelse fra springer Research 11. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Etter transport, kjøling og masse separasjon, ion strålen gjøre inngrep på overflaten av en MicroChannel-plate detektor, der en lav attraktiv overflate potensial sikrer undertrykkelse av ioniske innvirkning signaler og etterlater bare elektroner som oppstår fra den interne Konvertering (IC) forfall kanal av 229mth isomer å bli multiplisert i det sterke elektriske feltet av detektoren plate kanaler. De resulterende MCP-signalene som er innhentet for tre ulike uran kilder, vises i figur 3b. Den ion arter av dobbelt eller triply belastes ioner som ble valgt ved hjelp av quadrupole masse separator i hver enkelt måling er indikert med pilene fra øvre panel. Vist er bilder ervervet med CCD-kameraet bak fosfor skjermen, på hvilke elektroner fra MCP ble akselerert. Synsfeltet til CCD-kameraet er indikert av stiplede sirkler for triply (første to kolonner) og dobbelt ladet (siste to kolonner) 229Th og 233U ioner, henholdsvis. Den øvre raden representerer resultatet oppnådd for en liten-område 233U kilde (ca. 1000 utdraget 229th3 + ioner per sekund, kilde 1), mens den nederste raden viser det samme for en sterkere kilde med ca. 10 000 ekstrahert 229th3 + ioner per sekund (kilde 3). Det er åpenbart at i begge tilfeller et klart signal er innhentet for 229th, mens ingen indikasjon på et elektron signal er observert for 233U 11. For å bevise at dette signalet faktisk stammer fra en kjernefysisk deexcitation og ikke fra en Atomic Shell prosess, den midterste raden viser den resulterende kameraet bildet når du bruker en 234U kilde, hvor α forfallet fyller nabolandet isotop 230 Th, med en sammenlignbar elektronisk, men forskjellig kjernefysisk struktur. Som forventet for 230th, ingen indikasjon på en konvertering elektron signal er funnet i noen av tilfellene studert. Så det sterke signalet, som vises i figur 3c med utmerket signal-til-bakgrunn-forhold, er tydelig korrelert med forfallet av 229mth.

Ytterligere verifiserings mål for å støtte denne tolkningen er vist i Figur 4. De viser to målinger for å gi ytterligere bevis for at de registrerte elektron signalene faktisk stammer fra forfallet av Atom isomer: i figur 4a er det vist at det attraktive overflate potensialet til MCP-detektoren var variert fra-100 V ( favoriserer forekomsten av elektroner fra ioniske innvirkning) ned til 0 V, sammenligner telle priser registrert med MCP for utdraget 229th2 + (rød) og 233U2 + ioner (blå). Klart telle hastigheten synker ned til null for 233U2 + når realisere en "myk landing" av innkommende ioner med en overflatespenning under ca-40 V, mens en betydelig telle rate gjenstår for 229th2 + til terskelen på 0 V. I figur 4b, den blå kurven viser elektron telle rate registrert for utpakkede ioner etter sterk akselerasjon mot MCP detektor overflaten med-2000 V. ioniske virkningen av 233U2 + og 229th2 + ioner er observert med omtrent lik intensitet, som allerede vist for dobbelt ladet ioner i utdraget masse spekteret av figur 3a. Den røde kurven viser samme scenario, men nå for en "myk landing" av innkommende ioner med-25 V MCP overflate potensial. Ingen indikasjon på den joniske innvirkning signal på 233U2 + er synlig lenger, mens for 229th2 + a signal forblir, som stammer fra isomere interne konverteringen forfall11.

Figure 4
Figur 4 : Isomer-målinger for forfall. a) 229th2 + signal (rød) sammenlignet med 233U2 + (blå) som en funksjon av MCP overflatespenning. Feil indikeres av fargede felt. b) signal av utpakkede ioner som en funksjon av masse-til-lade ratio bak QMS for MCP overflate spenninger på-25 V (isomer forfall, rød) og-2 000 V (ion effekt, blå). Legg merke til de ulike integrasjons tider og akse-skalaer. I tillegg til signalet på 114,5 u/e (tilsvarende 229th2 +), et ytterligere signal på 117,5 u/e oppstår, som stammer fra isomere forfall av 235u. Med vennlig tillatelse fra springer Research11. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Således kan det være entydig påvist (sammen med flere argumenter gitt i REF. 11) at signalet observert i Figur 4 stammer fra isomere forfall av 229mth og representerer den første direkte identifisering av deexcitation av denne unnvikende isomer.

Deretter segmentert Extraction-forespørselen ble operert som en lineær Paul felle for å lage en bunched ion strålen, og dermed gir for levetid målinger av thorium isomer. Siden vår romtemperatur høy vakuum ikke tillater tilstrekkelig lang lagring ganger for å undersøke forventet strålingspådrivet levetid på opptil 104 sekunder, bare en nedre grense på t1/2 > 1 minutt kan utledes for ladet 229mth ioner, begrenset av maksimal oppnåelig ion lagringstid i den lineære Paul felle11. Men ved hjelp av den samme oppdagelsen strategien som brukes før for identifisering av isomer forfall etter nøytralisering av thorium ioner på overflaten av en MCP-detektor, forventet mye kortere levetid for nøytrale 229mth atomer gjennomgår intern konverterings forfall gir tilgang til livstids informasjon12. Figur 5a viser forventet form av forfall tids spekteret som simulert for en ion gjeng med en pulsbredde på 10 μs. Mens den røde kurven indikerer ioniske innvirkning signalet og signalet fra en eksponentiell forfall med 7 μs halveringstid er representert ved den grå kurven med en lang forfall hale, den forventede signalet fra forfallet av thorium isomer, bestående av både ioniske innvirkning og e xponential isomere forfall, er illustrert ved den blå kurven. Figur 5B viser utfallet av tilsvarende måling for 233U3 + (rød) og 229th3 + (blå), henholdsvis. Mens uran ioner bare viser sin ioniske innvirkning signal, for 229-thorium klart den forventede forfallet halen av isomer forfall kan observeres12.

Figure 5
Figur 5 : Simulert og målt Tinning ion effekt og forfall egenskaper. a) simulering av isomer forfall tid karakteristikker av 229th bunter. Simuleringen er basert på en målt gjeng form og antagelsen om at 2% av 229th ioner er i isomere staten med en halveringstid på 7 μs etter nøytralisering. Den elektron deteksjon effektivitet antas å være 25 ganger større enn ion deteksjon effektivitet. b) måling av isomere forfall med en bunched 229 (m)th3 + ion Beam (blå). En komparativ måling med 233U3 + er vist i rødt. Med vennlig tillatelse fra American Physical Society12. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Montering av forfall med en eksponentiell (tilsvarende en lineær tilpasning til logaritmisk representasjon i figur 6) til slutt resulterer i en halveringstid av nøytral 229mth isomer av 7 (1) μs12. Denne verdien pent enig med teoretisk forventet levetid reduksjon med ni størrelsesordener fra ca. 104 sekunder i tilfelle ladet isomer på grunn av den store omregnings koeffisienten til αIC ~ 109 37.

Figure 6
Figur 6 : Tilpass til 229m Th forfall kurve. Logaritmisk plott av Tinning forfall egenskaper for 229 (m)th2 + ioner (a) og 229(m) th3 + ioner (b) sammen med en passe kurve brukes til å trekke ut isomere halveringstiden av 229mth etter charge rekombinasjon på overflaten på MCP-detektoren. Med vennlig tillatelse fra American Physical Society12. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Utvalget av recoiling α Decay datter kjerner i uran utgjør bare rundt 16 NM. For å oppnå en høy virkningsgrad av kilden for α-rekyl-ioner for en gitt kilde aktivitet, er det obligatorisk å begrense kildematerialets tykkelse til dette området. Det α rekyl utvinnings effektivitet er sterkt påvirket av renslighet av buffer-gass cellen. Forurensninger av stopp gassen vil føre til lade utveksling eller molekyl dannelse. Derfor må gass cellen i seg selv bygges i henhold til ultra-høye vakuum standarder, spesielt for å muliggjøre en bakervarer av cellen og unngå eventuelle organiske materialer inne. Den stopper gassen må renses i henhold til teknisk State-of-the-art, fra høyeste kvalitet gass renhet assistert av katalysator og levering til gassen cellen via en ultra-Clean gass-forsyning linje, delvis omgitt av en kryogene felle til fryse ut urenheter. Generelt er forsiktig justering av den sentrale aksen av det komplette oppsettet til plasseringen av gass celle avsugs munnstykket avgjørende for å oppnå en høy transport-og deteksjons effektivitet29.

Step 1.4.5 er den mest kritiske av protokollen. For effektiv ion-ekstraksjon må det brukes en høy RF-amplitude på trakt ring elektroden. Men hvis amplituden er valgt for høyt, vil gnister i gass cellen forekomme. Maksimal oppnåelig RF spenning amplitude avhenger kritisk på renheten av buffer gassen. En vellykket anvendelse av spenning overvåkes via gjeldende av trakten offset spenning. Denne strømmen vil øke i tilfelle av gnister. Hvis det har oppstått gnister, må bake-ut prosedyren gjentas for å garantere høyest mulig utvinnings effekt.

Et ytterligere kritisk punkt er anvendelsen av høye spenninger til MCP-detektoren (trinn 1.6.2-1.6.4). Felt utslippene kan forekomme på MCP, noe som fører til utslipp av elektroner som kan føre til artefactual signaler.

Optimal ion utvinning og (avkjølt og masse renset) transport mot deteksjons enheten krever nøye justering av den sentrale optiske aksen. Tilgjengeligheten av en optisk justering system (justering laser eller teodolitt) er viktig. Den effektive ion transport gjennom utvinning TILBUDSFORESPØRSELEN og QMS krever en kontinuerlig stabilisering av radiofrekvens amplituder for de to motsatte fasene brukes på hver motsatt par av stenger29. Identifisering av utvinning eller transport problemer kan bli lettere av en ion diagnostiske realisert f. eks, via en flerkanals detektor plassert enten etter hverandre på ulike posisjoner langs ion banen under igangkjøring fasen av oppsett, eller alternativt, f. eks , under 90o bak ekstraksjon tilbudsforespørselen med en høy negativ overflatespenning (1-2 kv) for å tiltrekke alle utpakkede ioner mot detektoren.

Under drift vanligvis to problemer kan oppstå. Ikke alle spenninger er riktig brukt. I dette tilfellet vanligvis ingen ioner er ekstrahert, og man må finne stedet for ikke riktig anvendt spenning. Også urenheter er til stede i helium buffer-gass. I dette tilfellet blir utvinnings effektiviteten for triply ladet thorium ioner drastisk redusert og molekyl dannelse oppstår. I verste fall vil selv gnister dukke opp når trakt spenningen brukes. Årsaken til utilstrekkelig gass renhet er vanligvis en lekkasje i gass forsynings linjen eller en ikke riktig lukket flens på Stopp cellen for buffer gassen.

Den beskrevne metoden for å generere en ren stråle av ioner som inneholder energisk lavtliggende 229mth isomer kan brukes på alle sammenlignbare tilfeller der ion av interesse kan trekkes ut fra buffer-gass atmosfære i store mengder. Renslighet av gass-celle og buffer gass er obligatorisk, og dermed mengden av gjenværende gass urenheter er en begrensning på følsomheten av metoden. Mens ansatt MicroChannel-plate detektor (MCP) er basert på påvisning av elektroner, som utnyttes her for registrering av lav-energi konvertering elektroner, er dette tilfellet allerede ligger på lav-energi grensen av virkningsgraden kurve for MCPs38, mens for høyere energier metoden ville betydelig gevinst i deteksjon effektivitet.

Hittil har den beskrevne metoden gitt den eneste rapporterte direkte og entydige identifikasjonen av de-eksitasjon av thorium isomer. Alternativt, vakuum ultra-fiolett (VUV)-gjennomsiktige krystaller (med store bandgaps, overstiger antatt eksitasjon energi av isomer) er dopet med 229th. Målet er å plassere 229th ioner i høy (4+) ladetilstand krystall gitter posisjoner, hemme de-eksitasjon av store band gap og sikte på en eksitasjon av isomer ved hjelp av røntgenstråler fra Synchrotron lyskilder. Til tross for den elegante konseptet med denne tilnærmingen, så langt ingen VUV fluorescens kan observeres i en rekke eksperimenter rapportert av flere grupper over hele verden39,40,41,42,43 . Det samme gjelder for en klasse av eksperimenter som mål å realisere kjernefysiske eksitasjon av isomer via elektron skallet av 229th, ved hjelp av en såkalt elektron-bro overgang. Her er en resonans kopling mellom et elektron skall overgang og Atom isomer bør muliggjøre en mer effektiv isomer befolkning44,45. Andre eksperimenter som tar sikte på etterforskningen av isomere egenskaper er basert på microcalorimetry46 eller observasjon av hyperfine-Shift i atom skallet47. Svært nylig en annen metode for å opphisse isomer i en laser-indusert plasma ble rapportert48 og er gjenstand for vitenskapelig diskusjon i samfunnet.

Oppdagelsen av den interne konverteringen forfall kanal av thorium isomer11 og fastsettelse av tilsvarende halveringstiden av nøytral 229mth (7 (1) μs)12 kan utnyttes i fremtiden for å realisere en første alle-optiske eksitasjon med en pulserende, tunable VUV laser basert på allerede eksisterende teknologi. Således dagens paradigme at dette ville kreve mye bedre kunnskap om eksitasjon energi og en tilsvarende tilpasset laser utvikling kan være omgås. I kontrast, utnytte kunnskap om intern konvertering elektron utslipp, gating påvisning av konvertering elektroner med laser puls vil gi et høyt signal-til-bakgrunn ratio, samtidig som en skanning av 1 eV av eksitasjon energi på mindre enn 3 dager49. Videre, en bestemmelse av eksitasjon energien i isomer, fortsatt under arbeid, kan være basert på den beskrevne metode for å generere 229mth strålen ved å sende IC Decay elektroner i en magnetisk-flaske elektron spektrometer med hemme feltet elektrode nett50. Den samme teknikken vil også tillate å bestemme isomere levetid for ulike kjemiske miljøer (foreksempel på store band-gap materialer som CaF2 eller frossen argon) eller i 229th+ så vel som i det frie, nøytrale Atom.

Det beskrevet metoden av utvikler en isotopically ren thorium ion stråle av 3 + avgift begrunne kan brukes som verktøyet å skaffe thorium ioner for fremtid laser-spektroskopi eksperimenter. I dette tilfellet kan ion strålen brukes til å laste en Paul felle på en stabil og effektiv måte. Så langt er den eneste alternative metoden å produsere 229th3 + av laser ablasjon fra et solid mål. Dette krever imidlertid høy laser intensitet og en stor mengde av 229th, som er et kostbart radioaktivt materiale og fører til forurensning av brukte vakuum komponenter. Av denne grunn kan den beskrevne metoden være av vesentlig fordel når det gjelder kjernefysiske laser spektroskopi eksperimenter. En første anvendelse av denne typen har allerede blitt publisert51.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av EUs Horizon 2020 forsknings-og innovasjonsprogram under Grant Agreement no. 664732 "nuClock", av DFG Grant Th956/3-1, og ved LMU Institutt for medisinsk fysikk via Maier-Leibnitz-laboratorium.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Reich, C. W., Helmer, R. G. An excited state of 229Th at 3.5 eV. Physical Review C. 49, 1845-1858 (1994).
  3. Guimaraes-Filho, Z. O., Helene, O. Energy of the 3/2+ state of 229Th reexamined. Physical Review C. 71, 044303 (2005).
  4. Beck, B. R., et al. Energy splitting of the ground-state doublet in the nucleus 229Th. Physical Review Letters. 98, 142501 (2007).
  5. Cerutti, F., Ferrari, A. Improved value for the energy splitting of the ground-state doublet in the nucleus 229Th. Proceedings of the 12th International Conference on Nuclear Reaction Mechanisms, , Varenna. (2009).
  6. Tkalya, E. V. Proposal for a nuclear gamma-ray laser of optical range. Physical Review Letters. 106, 162501 (2011).
  7. 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).
  8. Peik, E., Tamm, C. Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in 229Th. European Physical Letters. 61, 181-186 (2003).
  9. 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).
  10. 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).
  11. vd Wense, L., et al. Direct detection of the Thorium-229 nuclear clock transition. Nature. 533, 47-51 (2016).
  12. Seiferle, B., vd Wense, L., Thirolf, P. G. Lifetime measurement of the 229Th nuclear isomer. Physical Review Letters. 118, 042501 (2017).
  13. Nicholson, T. L., et al. Systematic evaluation of an atomic clock at 2.10-18 total uncertainty. Nature Communications. 6, 7896 (2015).
  14. Flury, J. Relativistic geodesy. Journal of Physics - Conference. 723, 012051 (2016).
  15. Ludlow, A. D., Boyd, M. M., Ye, J., Peik, E., Schmidt, P. O. Optical atomic clocks. Reviews of Modern Physics. 87, 637-701 (2015).
  16. Derevianko, A., Pospelov, M. Hunting for topological dark matter with atomic clocks. Nature Physics. 10, 933-936 (2014).
  17. Uzan, J. P. The fundamental constants and their variation: observational and theoretical status. Review of Modern Physics. 75, 403-455 (2003).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Neumayr, J. B. The buffer-gas cell and extraction RFQ for SHIPTRAP. , LMU . Munich, Germany. PhD Thesis (2004).
  31. Neumayr, J. B., et al. The ion-catcher device for SHIPTRAP. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 244, 489-500 (2006).
  32. Neumayr, J. B., et al. Performance of the MLL-Ion catcher. Review of Scientific Instruments. 77, 065109 (2006).
  33. Haettner, E. A novel radio frequency quadrupole system for SHIPTRAP & New mass measurements of rp nuclides. , University of Giessen. Germany. PhD Thesis (2011).
  34. 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).
  35. vd Wense, L. On the direct detection of 229mTh. Springer Theses 2018. , Springer international publishing. ISBN 978-3-319-70460-9 (2018).
  36. Eberhardt, K., et al. Actinide targets for fundamental research in nuclear physics. AIP Conference Proceeding 1962s. , 030009 (2018).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. Stellmer, S., Schreitl, M., Schumm, T. Radioluminescence and photoluminescence of Th:CaF2 crystals. Scientific Reports. 5, 15580 (2015).
  42. 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).
  43. Stellmer, S., et al. On an attempt to optically excite the nuclear isomer in Th-229. arXiv:1803.09294 [physics.atom-ph]. , (2018).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. Sonnenschein, V., et al. The search for the existence of 229mTh at IGISOL. European Physical Journal A. 48, 52 (2012).
  48. 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).
  49. vd Wense, L., et al. A laser excitation scheme for 229mTh. Physical Review Letters. 119, 132503 (2017).
  50. Seiferle, B., vd Wense, L., Thirolf, P. G. Feasibility study of Internal Conversion Electron Spectroscopy of 229mTh. European Physical Journal A. 53, 108 (2017).
  51. Thielking, J., et al. Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer 229mTh. Nature. 556, 321-325 (2018).

Tags

Engineering atomur 229-thorium isomer buffer-gass celle ion guide Paul felle masse separasjon Alpha forfall intern konvertering
Klargjøre en Isotopically Pure <sup>229</sup>th ion Beam for studier av <sup>229m</sup>th
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wense, L. v. d., Seiferle, B.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter