Name: Vorbereitung eines isotopisch reinen 229Th Ion Beam für Studien von 229mTh (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-03T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 42 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung eines isotopisch reinen Thorium-229-Ionenstrahls aus Uranium-233 für Kernphysik-Studien. Diese Methode ermöglicht präzise Messungen des internen Konversionszerfalls von 229mTh.

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Diese Arbeit wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen des Zuschussabkommens Nr. 664732 "nuClock", durch dfgs-Stipendium Th956/3-1 und durch die LMU-Abteilung für Medizinische Physik über das Maier-Leibnitz-Labor unterstützt.

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Der Bereich der Rückstoß-,Zerfallstochterkerne in Uran beträgt nur etwa 16 nm. Um eine hohe Effizienz der Quelle für die Rückstoßionen für eine bestimmte Quellaktivität zu erreichen, ist es zwingend erforderlich, die Materialdicke der Quelle auf diesen Bereich zu begrenzen. Die Recoil-Extraktionseffizienz wird stark durch die Sauberkeit der Puffergaszelle beeinflusst. Verunreinigungen des stoppenden Gases führen zu Ladungsaustausch oder Molekülbildung. Daher muss die Gaszelle selbst nach ultrahohen Vakuumstandards gebaut werden, um insbesondere ein Backen der Zelle zu ermöglichen und organische Materialien im Inneren zu vermeiden. Das Bremsgas muss nach dem technischen Stand der Technik gereinigt werden, beginnend mit höchster Gasreinheit, unterstützt durch katalytische Reinigung und Lieferung an die Gaszelle über eine ultrasaubere Gasversorgungsleitung, teilweise umgeben von einer kryogenen Falle, um Verunreinigungen einfrieren. Im Allgemeinen ist eine sorgfältige Ausrichtung der Mittelachse des kompletten Aufbaus an die Position der Gaszellenextraktionsdüse unerlässlich, um eine hohe Transport- und Detektionseffizienz zu erreichen29.
Schritt 1.4.5 ist der kritischste des Protokolls. Für eine effiziente Ionenextraktion muss eine hohe HF-Amplitude auf die Trichterringelektrode aufgebracht werden. Wenn die Amplitude jedoch zu hoch gewählt wird, treten Funken in der Gaszelle auf. Die maximal erreichbare HF-Spannungsamplitude hängt entscheidend von der Reinheit des Puffergases ab. Eine erfolgreiche Spannungsanwendung wird über den Strom der Trichterversatzspannung überwacht. Dieser Strom wird im Falle von Funken zunehmen. Wenn Funken aufgetreten sind, muss das Backverfahren wiederholt werden, um eine höchste Ionenextraktionseffizienz zu gewährleisten.
Ein weiterer kritischer Punkt ist die Anwendung der Hochspannungen auf den MCP-Detektor (Schritte 1.6.2-1.6.4). Feldemissionen können auf dem MCP auftreten, was zur Emission von Elektronen führt, die zu artefaktischen Signalen führen können.
Eine optimale Ionenextraktion und (gekühlte und massengereinigte) Transport zur Detektionseinheit erfordert eine sorgfältige Ausrichtung der zentralen optischen Achse. Die Verfügbarkeit eines optischen Ausrichtungssystems (Ausrichtungslaser oder Theodolit) ist von wesentlicher Bedeutung. Der effiziente Ionentransport durch die Extraktions-HFQ und das QMS erfordert eine kontinuierliche Stabilisierung der Hochfrequenzamplituden für die beiden entgegengesetzten Phasen, die auf jedes gegenüberliegende Stabpaar29angewendet werden. Die Identifizierung von Extraktions- oder Transportproblemen kann durch eine Ionendiagnose erleichtert werden, z.B. über einen Mehrkanal-Plattendetektor, der während der Inbetriebnahmephase des oder alternativ, z.B. unter 90o hinter der Extraktions-HFQ mit einer hohen negativen Oberflächenspannung (1-2 kV), um alle extrahierten Ionen zum Detektor zu ziehen.
Während des Betriebs können in der Regel zwei Probleme auftreten. Nicht alle Spannungen werden korrekt angewendet. In diesem Fall werden in der Regel keine Ionen extrahiert, und man muss den Ort der nicht korrekt angelegten Spannung finden. Auch Verunreinigungen sind im Heliumpuffergas vorhanden. In diesem Fall wird die Extraktionseffizienz für triply geladene Thoriumionen drastisch reduziert und Molekülbildung erfolgt. Im schlimmsten Fall werden sogar Funken angezeigt, wenn die Trichterspannung angelegt wird. Der Grund für die unzureichende Gasreinheit ist in der Regel ein Leck in der Gasversorgungsleitung oder ein nicht ordnungsgemäß geschlossener Flansch der Puffergas-Stoppzelle.
Die beschriebene Methode zur Erzeugung eines sauberen Ionenstrahls, der das energetisch niedrig liegende 229mTh Isomer enthält, kann auf alle vergleichbaren Fälle angewendet werden, in denen das Interessesion in beträchtlichen Mengen aus der Puffergasatmosphäre extrahiert werden kann. Die Sauberkeit der Gaszelle und des Puffergases ist obligatorisch, so dass die Menge der verbleibenden Gasverunreinigungen eine Einschränkung der Empfindlichkeit der Methode darstellt. Während der eingesetzte Mikrokanalplattendetektor (MCP) auf der Detektion von Elektronen basiert, wie er hier für die Registrierung von Niederenergieumwandlungselektronen genutzt wird, liegt dieser Fall bereits an der Niedrigenergiegrenze der Effizienzkurve für MCPs38, bei höheren Energien würde die Methode deutlich an Detektionseffizienz gewinnen.
Bisher hat die beschriebene Methode die einzige gemeldete direkte und eindeutige Identifizierung der Erregung des Thorium-Isomers geliefert. Alternativ werden vakuum-ultraviolette (VUV)-transparente Kristalle (mit großen Bandlücken, die die angenommene Anregungsenergie des Isomers überschreiten) mit 229Th dotiert. Ziel ist es, 229Th-Ionen in einen hohen (4+) Ladezustand von Kristallgitterpositionen zu stellen, die De-Erregung durch den großen Bandspalt zu hemmen und eine Anregung des Isomers mittels Röntgenstrahlen von Synchrotronlichtquellen anzuregen. Trotz des eleganten Konzepts dieses Ansatzes konnte bisher keine VUV-Fluoreszenz in einer Reihe von Experimenten beobachtet werden, die von mehreren Gruppen weltweit berichtet wurden39,40,41,42,43 . Dasselbe gilt für eine Klasse von Experimenten, die darauf abzielt, die nukleare Erregung des Isomers über die Elektronenhülle von 229Th mit Hilfe eines sogenannten Elektronenbrückenübergangs zu realisieren. Hier sollte eine Resonanzkopplung zwischen einem Elektronenschalenübergang und dem Kernisomer eine effizientere Isomerpopulation44,45ermöglichen. Andere Experimente, die auf die Untersuchung der isomerischen Eigenschaften abzielen, basieren auf Mikrokalorimetrie46 oder der Beobachtung der Hyperfeinverschiebung in der Atomhülle47. Erst vor kurzem wurde eine andere Methode zur Erregung des Isomers in einem laserinduzierten Plasma48 gemeldet und ist Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen innerhalb der Gemeinschaft.
Die Entdeckung des internen Umwandlungszerfallskanals des Thoriumisomers11 und die Bestimmung der entsprechenden Halbwertszeit von neutralen 229mTh (7(1) s)12 können in Zukunft genutzt werden, um eine erste Anregung mit einem gepulsten, abstimmbaren VUV-Laser auf Basis bereits vorhandener Technologie. So kann das gegenwärtige Paradigma, dass dies viel bessere Kenntnisse über die Anregungsenergie und eine entsprechende kundenspezifische Laserentwicklung erfordern würde, umgangen werden. Im Gegensatz dazu liefert die Nutzung des Wissens der internen Umwandlungselektronenemission, die Gatingderung der Detektion von Umwandlungselektronen mit dem Laserpuls ein hohes Signal-Hintergrund-Verhältnis, während ein Scan von 1 eV Anregungsenergie in weniger als 3 Tage49. Darüber hinaus kann eine Bestimmung der Anregungsenergie des noch laufenden Isomers auf der beschriebenen Methode zur Erzeugung des 229mTh-Strahls basieren, indem IC-Zerfallselektronen in ein magnetisch-flaschengroßes Elektronenspektrometer mit Feldelektrodengitter50. Die gleiche Technik ermöglicht es auch, die isomerische Lebensdauer für verschiedene chemische Umgebungen(z. B. bei großen Band-Gap-Materialien wie CaF2 oder gefrorenem Argon) oder in 229Th+ sowie im freien, neutralen Atom zu bestimmen.
Die beschriebene Methode zur Erzeugung eines isotopisch reinen Thoriumionenstrahls mit 3+ Ladungszustand kann als Werkzeug zur Bereitstellung von Thoriumionen für zukünftige Laserspektroskopieexperimente verwendet werden. In diesem Fall kann der Ionenstrahl verwendet werden, um eine Paul-Falle stabil und effizient zu laden. Bisher besteht die einzige alternative Methode darin, 229Th3+ durch Laserablation aus einem festen Ziel zu erzeugen. Dies erfordert jedoch hohe Laserintensitäten und eine große Menge von 229Th, was ein teures radioaktives Material ist und zur Kontamination gebrauchter Vakuumkomponenten führt. Aus diesem Grund kann die beschriebene Methode bei Kernlaserspektroskopieexperimenten von erheblichem Vorteil sein. Eine erste Anwendung dieses Typs wurde bereits veröffentlicht51.

Der erste angeregte metastabile Zustand im Thorium-229-Kern, der als 229mTh bezeichnet wird, weist eine besondere Stellung in der nuklearen Landschaft auf, da er die niedrigste nukleare Erregungsenergie aller derzeit bekannten ca. 176.000 kernatigen zuständen besitzt. Während typische Kernenergien von keV bis zur MeV-Region reichen, besitzt 229mTh eine Energie von unter 10 eV über dem nuklearen Bodenzustand1,2,3. Der derzeit am meisten akzeptierte Energiewert für diesen Zustand ist 7.8(5) eV4,5. Dieser niedrige Energiewert hat das Interesse verschiedener physischer Gemeinschaften geweckt und zu dem Vorschlag mehrerer interessanter Anwendungen geführt. Darunter befinden sich ein Nuklearlaser6, ein hochstabiles Qubit für Quantencomputer7 und eine Atomuhr8,9.
Der Grund, dass 229mTh eine breite Palette von Anwendungen bieten soll, beruht auf der Tatsache, dass es aufgrund seiner außergewöhnlich niedrigen Energie der einzige Kernzustand ist, der eine direkte nukleare Laseranregung mit derzeit verfügbaren Lasern ermöglichen könnte. technologie. Bisher wurde jedoch eine direkte nukleare Lasererregung von 229mTh durch unzureichende Kenntnis der Parameter des metastabilen Zustands wie seiner genauen Energie und Lebensdauer verhindert. Obwohl die Existenz eines nuklear erregten Zustands niedriger Energie in 229Th bereits 197610vermutet wurde, konnte alles Wissen über diesen Zustand nur aus indirekten Messungen abgeleitet werden, ohne eine genaue Bestimmung seines Zerfalls zu ermöglichen. rahmen. Diese Situation hat sich seit 2016 geändert, als die erste direkte Detektion des 229mTh Zerfalls die Tür für eine Vielzahl von Messungen öffnete, die darauf abzielten, die Parameter des aufgeregten Zustands11,12festzuhalten. Hier ist ein detailliertes Protokoll vorgesehen, das die einzelnen Schritte beschreibt, die für eine direkte Detektion von 229mTh erforderlich sind, wie sie im Experiment von 2016 erreicht wurden. Diese direkte Detektion bildet die Grundlage für eine präzise Bestimmung der 229mTh Energie und Lebensdauer und damit für die Entwicklung einer Nuklearen Uhr. Im Folgenden wird das Konzept einer nuklearen Uhr als wichtigste Anwendung für 229mTh diskutiert.
Mit einer relativen Linienbreite von E/E 10-20 qualifiziert sich der Bodenzustandsübergang des Thorium-Isomers potenziell als Kernfrequenzstandard ('Kernuhr')8,9. Aufgrund eines Atomkerns, der im Vergleich zur Atomhülle um etwa 5 Größenordnungen kleiner ist, sind die Kernmomente (magnetischer Dipol und elektrischer Quadrupol) dementsprechend kleiner als die in Atomen, wodurch eine Kernuhr weitgehend immun gegen externe Störungen (im Vergleich zu den heutigen hochmodernen Atomuhren). Daher verspricht ein Kernfrequenzstandard einen hochstabilen und präzisen Taktbetrieb. Obwohl die in den besten gegenwärtigen Atomuhren erreichte Genauigkeit etwa 2,1x10-1813erreicht, was einer Abweichung von 1 Sekunde in einem Zeitraum entspricht, der wesentlich länger ist als das Alter des Universums, halten Atomuhren das Potenzial einer weiteren Verbesserung, die für ein weites Anwendungsfeld von wesentlicher Bedeutung sein könnte. Satellitengestützte Navigationssysteme wie das Global Positioning System (GPS), das Global Navigation Satellite System (GLONASS) oder Galileo arbeiten derzeit mit einer Positioniergenauigkeit von wenigen Metern. Wenn dies auf die Zentimeter- oder sogar Millimeterskala verbessert werden könnte, könnte eine Vielzahl von Anwendungen ins Auge gefasst werden, vom autonomen Fahren über die Fracht- bis hin zur Bauteilverfolgung. Neben hochpräzisen Uhren würden solche Systeme einen zuverlässigen, unterbrechungsfreien Betrieb mit langfristiger Driftstabilität erfordern, die lange Resynchronisationsintervalle sichert. Der Einsatz von Atomuhren könnte sich aus praktischer Sicht als vorteilhaft erweisen. Weitere praktische Anwendungen von (synchronisierten Netzen) von Kernuhren könnten im Bereich der relativistischen Geodäsie14liegen, wo die Uhr als 3D-Schwerkraftsensor fungiert und lokale Gravitationspotentialunterschiede mit gemessenen (relativen) Taktfrequenzunterschiede f/f über die Beziehung f/f=-U/c2 (c bezeichnet die Lichtgeschwindigkeit). Die besten aktuellen Uhren sind in der Lage, Gravitationsverschiebungen von Höhenunterschieden von ca. 2 cm zu erfassen. So könnten ultrapräzise Messungen mit Hilfe eines Kerntaktnetzes verwendet werden, um die Dynamik vulkanischer Magmakammern oder tektonischer Plattenbewegungen15zu überwachen. Darüber hinaus wurde die Verwendung solcher Uhrennetze als Werkzeug vorgeschlagen, um nach der theoretisch beschriebenen Klasse der topologischen Dunklen Materie16zu suchen. In der Literatur findet sich eine ausführliche Diskussion über die Anwendung einer 229mTh-basierten Kernuhr bei der Suche nach der Erkennung potenzieller zeitlicher Variationen grundlegender Konstanten wie der feinen Strukturkonstante oder der starken Wechselwirkung Parameter (mq/QCD, wobei m q die Quarkmasse darstellt und der Maßstabsparameter der starken Wechselwirkung) in einigen Theorien vorgeschlagen wird, die die Schwerkraft mit anderen Wechselwirkungen vereinheitlichen17. Die Detektion einer zeitlichen Variation der Grundzustands-Übergangsenergie von 229mTh kann eine erhöhte Empfindlichkeit um etwa 2-5 Größenordnungen für zeitliche Variationen der Feinstrukturkonstante oder des starken Wechselwirkungsparameters bieten. 18,19,20,21,22,23,24,25,26. Der aktuelle Versuchsgrenzwert für eine solche Variation von n beträgt (d'/dt)/-0.7(2.1)10-17/yr27. Im Folgenden wird der experimentelle Ansatz zur direkten Detektion des 229mTh Bodenzustandszerfalls beschrieben.
Beweise für die Existenz des 229-Thorium-Isomers konnten bis vor kurzem nur aus indirekten Messungen abgeleitet werden, was auf eine Anregungsenergie von 7,8 (5) eV hindeutet (entspricht einer Wellenlänge im vakuumultravioletten Spektralbereich von 160(11) nm)4 , 5. Unser experimenteller Ansatz, der auf eine direkte Identifizierung der isomerischen Bodenzustandserererererrezitation des 229mTh Isomers abzielt, baut auf einer räumlichen Trennung der Isomerpopulation in einer Puffergas-Stoppzelle auf, gefolgt von einer Extraktion, und massengetrennter Transport zu einer geeigneten Detektionseinheit zur Erfassung der Entregungsprodukte28,29. So können Population und Erregung des Isomers entwirrt werden, was zu einer sauberen Messumgebung führt, die von prompten Hintergrundbeiträgen nicht beeinflusst wird. Die Population des Isomers wird über den Zerfall aus einer radioaktiven 233U-Quelle erreicht, wobei ein 2% Zerfallszweig nicht direkt in den Bodenzustand von 229Th übergeht, sondern stattdessen den isomerischen ersten erregten Zustand bevölkert. Die Rückstoßkerne werden in einer ultrareinen Heliumatmosphäre einer Puffergas-Stoppzelle thermischisiert, bevor sie von elektrischen Hochfrequenz- (RF) und Gleichstromfeldern (DC) zu einer Extraktionsdüse geleitet werden, wo der entstehende Überschallgasstrahl sie in eine benachbarte Vakuumkammer, die eine (segmentierte) Hochfrequenz-Quadrupolstruktur (RFQ) als Ionenführung, Phasenraumkühler und möglicherweise auch als lineare Paul-Falle zum Bündeln der extrahierten Ionen enthält. Eine detaillierte Beschreibung der Puffergas-Stoppzelle und der Extraktions-RFQ finden Sie unter Refs. 30 , 31 , 32. Da der extrahierte Ionenstrahl bis zu diesem Zeitpunkt neben 229(m)Th auch die Kette von Zerfallstochterprodukten enthält, erfolgt die Massentrennung mit einem Quadrupol-Massenabscheider (QMS) in einer nachfolgenden Vakuumkammer, um schließlich erzeugen Sie einen isotopisch reinen 229(m)Th-Strahl in wählbaren Ladungszuständen (q=1-3). Eine ausführliche Beschreibung des QMS finden Sie in Refs. 33 , 34. Die Detektion des isomerischen Zerfalls wurde erreicht, indem die Th-Ionen direkt auf die Oberfläche eines Mikrokanalplattendetektors (MCP) einbeeinflusst wurden, wo Elektronen freigesetzt, zu einem Phosphorschirm beschleunigt und von einem ladungsgekoppelten Gerät (CCD) betrachtet werden. kamera. Eine Übersicht über die Versuchseinstellungen ist in Abbildung 1dargestellt. Eine ausführliche Beschreibung finden Sie in Ref.35.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig1.jpg"> Abbildung 1: Übersicht über den Versuchsaufbau. Das Thorium-229-Isomer wird über den 2%-Zerfallszweig im Zerfall von Uran-233 besiedelt. 229m Die 233U-Quelle aufgrund ihrer kinetischen Rückstoßenergie werden in einer Puffergas-Stoppzelle thermischisiert, die mit 30 mbar Heliumgas gefüllt ist. Die Ionen werden mit Hilfe von HF- und DC-Feldern aus dem Stoppvolumen extrahiert und mit Hilfe eines Hochfrequenz-Quadrupols (RFQ) ein energiearmer Ionenstrahl gebildet. Der Ionenstrahl wird mit Hilfe eines Quadrupol-Massenabscheiders (QMS) massengereinigt und die Ionen werden sanft in die Oberfläche eines Mikrokanalplattendetektors (MCP) in Kombination mit einem Phosphorsieb implantiert, der eine räumlich aufgelöste Detektion auftretenden Signalen. Mit freundlicher Genehmigung von Springer Research wurde diese Zahl von11geändert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Das folgende Protokoll beschreibt das zugrunde liegende Verfahren zur Erzeugung des 229(m)Th-Ionenstrahls, der die erste direkte Detektion des Bodenzustandszerfalls des Thorium-Isomers ermöglichte und damit den Grundstein für die Untersuchung seiner Zerfallseigenschaften als Voraussetzung für die letztlich vorgesehene gesamtoptische Kontrolle dieses exotischen Kernzustandes auf seine Anwendung als ultrapräziser Kernfrequenzstandard. Zur besseren Orientierung ist in Abbildung 2eine schematische Übersicht über die für die direkte Detektion des isomerischen Zerfalls verwendeten Einstellungen11 enthalten, die eine numerische Kennzeichnung der im folgenden Protokoll angesprochenen Komponenten enthält. Auch die für die Lebensdauerbestimmung12 verwendeten Komponenten sind als Einbau enthalten.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig2.jpg"> Abbildung 2: Schematische Skizze des experimentellen Aufbaus, der für die Erkennung von isomerischen Zerfallen verwendet wird. Die für die Lebensdauermessung verwendeten Komponenten werden als Einbau angezeigt. Einzelne Komponenten, auf die im Protokollabschnitt verwiesen wird, werden numerisch beschriftet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

<table><tbody><tr><td>Uran-233 Quelle</td><td>Institut f&uuml; r Radiochemie Universität&auml; t Mainz</td><td>kundenspezifisch</td><td>290 kBq U-233 abgeschieden auf 90 mm</td></tr><tr><td>Durchmesser RF Trichter</td><td>Secamus Laserschneidtechnik GmbH</td><td>kundenspezifisch</td><td>50 Ringelektroden, lasergeschnitten und elektropoliert</td></tr><tr><td>Puffergas-Stoppzelle</td><td>Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifisch</td><td>Vacuuchamber DN200 CF für Puffergas-Stoppzelle</td></tr><tr><td>Schrupppumpe</td><td>Leybold</td><td>Screwline SP 250</td><td>Schrupppumpe für gesamte System</td></tr><tr><td>Schrupppumpensteuerung</td><td>Siemens</td><td>Micromaster 420</td><td>Steuergerät für Screwline SP 250</td></tr><tr><td>Vakuummeter Vordruck</td><td>Pfeiffer</td><td>TPR 265</td><td>Druckregelung für Vorpumpe</td></tr><tr><td>Vakuummesszelle 1</td><td>Pfeiffer</td><td>CMR 261</td><td>Druckregelung für Zelle (Hochdruckbereich)</td></tr><tr><td>Vakuummesszelle 2</td><td>Pfeiffer</td><td>PBR 260</td><td>Druckregelung für Zelle ( Tiefdruckbereich)</td></tr><tr><td>Vakuummeter RFQ</td><td>Pfeiffer</td><td>PKR 261</td><td>Druckregelung für RFQ-Druckanzeige</td></tr><tr><td>Manometer QMS</td><td>Pfeiffer</td><td>PKR 261</td><td>Druckregelung für QMS Druckauslesung</td></tr><tr><td>Druckregler</td><td>Pfeiffer</td><td>TPG 256 A</td><td>Steuereinheit für alle Manometer</td></tr><tr><td>Steuereinheit PC 1</td><td>Fujitsu</td><td>unbekannt</td><td>Steuercomputer für Puffergas Stoppzelle</td></tr><tr><td>Simatic mit CPU</td><td>Siemens</td><td>S7-300</td><td>Simatic für Automatisierung und Steuerung</td></tr><tr><td>Simatic ohne CPU</td><td>Siemens</td><td>ET 200M</td><td>Simatic für Automatisierung und Steuerung</td></tr><tr><td>Vakuumventile</td><td>SMC</td><td>XLH-40</td><td>Vakuumventile für die Evakuierungssteuerung</td></tr><tr><td>UHV-Absperrschieber</td><td>VAT</td><td>48240-CE74</td><td>Absperrschieber für das Schließen der Zelle während des Betriebs</td></tr><tr><td>Turbomolekularpumpe 1</td><td>Pfeiffer</td><td>TMU 400M</td><td>Turbopumpe für Zelle</td></tr><tr><td>Steuergerät für TMP 1</td><td>Pfeiffer</td><td>TCM 1601</td><td>Steuergerät für TMP TMU 400M</td></tr><tr><td>Turbomolekularpumpe 2</td><td>Pfeiffer</td><td>HiMag 2400</td><td>Trubo Pumpe für RFQ</td></tr><tr><td>Turbomolekularpumpe 3</td><td>Edwards</td><td>STP 603</td><td>Trubo Pumpe für QMS</td></tr><tr><td>Steuergerät für TMP 3</td><td>Edwards</td><td>SCU-800</td><td>Steuergerät für TMP Edwards STP 603</td></tr><tr><td>Bypass-Ventil der Gasleitung</td><td>Swagelok</td><td>SS-6BG-MM</td><td>Ventil zum Bypass des Massendurchflussreglers</td></tr><tr><td>Heizmanschetten</td><td>Isopad</td><td>kundenspezifisch</td><td>Heizmanschetten für Ausheizkörper und RFQ</td></tr><tr><td>Temperatursensoren</td><td>Isopad</td><td>TAI/NM NiCrNi</td><td>Temperatursensoren für Ausheizsystem</td></tr><tr><td>Heizungssteuergerät</td><td>Elektronikwerkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifisch</td><td>Steuergerät für Isopad Heizhülsen</td></tr><tr><td>Katalytischer Gasreiniger</td><td>SAES MonoTorr</td><td>PS4-MT3-R-2</td><td>Gasreiniger für die Reinstversorgung mit Helium</td></tr><tr><td>Er Gasflasche</td><td>Air Liquide</td><td>He 6.0, 50 Liter</td><td>Helium mit einer Reinheit von 99,9999 %</td></tr><tr><td>Druckminderer</td><td>Druva</td><td>FMD 502-16</td><td>Druckminderer für Er Gasflasche</td></tr><tr><td>Ventil der Gasversorgung</td><td>Swagelok</td><td>SS-6BG-MM</td><td>Ventil zum Öffnen oder Schließen der Gaszufuhr</td></tr><tr><td>Massendurchflussregler</td><td>AERA</td><td>FC-780CHT</td><td>Massendurchflussregelventil für He Versorgung</td></tr><tr><td>Steuereinheit für Massendurchflussventil</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifisch</td><td>Steuereinheit für AERA Massendurchflussregelung</td></tr><tr><td>Gasschlauch</td><td>Dockweiler</td><td>Ultron</td><td>elektropolierter Gasschlauch für He Versorgung</td></tr><tr><td>Kryofalle</td><td>Isotherme</td><td>unbekannte</td><td>Kryofalle für die He-Reinigung (optional)</td></tr><tr><td>Gleichspannungsversorgung für Quelle</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifische</td><td>DC-Offset-Spannungsversorgung für U-233 Quelle</td></tr><tr><td>Gleichspannungsversorgung für Trichter</td><td>Heinzinger</td><td>LNG 350-6</td><td>Stromversorgung für DC-Gradient des Trichters</td></tr><tr><td>Gleichspannungsversorgung für RFQ</td><td>Iseg</td><td>unbekannte</td><td>Gleichspannungsversorgung für Trichterversatz, Düse und RFQ</td></tr><tr><td>Laval Düse</td><td>Friatec AG</td><td>kundenspezifische</td><td>Laval Düse für He und Ionenextraktion</td></tr><tr><td>DC Spannungsversorgung für Buncher</td><td>Heinzinger</td><td>LNG 350-6</td><td>DC Versorgung für Bunching</td></tr><tr><td>Elektrode Trigger Modul</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifisch</td><td>Trigger Modul für Bündelbetrieb</td></tr><tr><td>HF Generator für Trichter</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SRS DS 345</td><td>HF-Generator für Trichter</td></tr><tr><td>HF-Verstärker für Trichter</td><td>Electronic Navigation Industries</td><td>ENI 240L-1301 HF-Verstärker</td><td>für Trichter</td></tr><tr><td>HF-Phasenteiler für Trichter</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifischer</td><td>HF-Phasenteiler für Trichter</td></tr><tr><td>RF+DC&nbsp; Mischer für Trichter</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifischer</td><td>Spannungsteiler und HF+DC-Mischer für Trichterspannung</td></tr><tr><td>Extraktion RFQ</td><td>Workshop der LMU München</td><td>kundenspezifisch</td><td>Extraktion RFQ für Ionenstrahlbildung oder -speicherung HF-Generator</td></tr><tr><td>für RFQ</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SRS DS 345</td><td>HF-Generator für RFQ</td></tr><tr><td>HF-Verstärker für RFQ</td><td>Elektronik-Workshop der LMU München</td><td>kundenspezifischer</td><td>HF-Verstärker für RFQ</td></tr><tr><td>HF-Verstärker für Bundelektrode</td><td>Elektronik-Workshop der LMU München</td><td>kundenspezifisch</td><td>HF-Verstärker für Bündelelektrode</td></tr><tr><td>RF+DC-Mischer für RFQ</td><td>Elektronikwerkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifisch</td><td>Mischt die HF- und DC-Potentiale für RFQ-Spannung</td></tr><tr><td>RFQ-Ausgangselektrode</td><td>Workshop der LMU München</td><td>kundenspezifische</td><td>Ausgangsöffnung mit 2 mm Durchmesser für differentielles Pumpen</td></tr><tr><td>4-Kanal-DC-Versorgung</td><td>Mesytec</td><td>MHV 4</td><td>DC-Offset für Apertur und Triode</td></tr><tr><td>QMS-Workshop</td><td>der LMU München</td><td>kundenspezifischer</td><td>Quadrupol-Massenabscheider für m/q Auswahl</td></tr><tr><td>Brubaker DC Offset Modul</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifische</td><td>DC Offset Versorgung für Brubaker Objektive von QMS</td></tr><tr><td>QMS DC Offset Modul</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifische</td><td>DC Offset Versorgung für QMS</td></tr><tr><td>USB-zu-Analog Wandler</td><td>EA Elektro-Automatik</td><td>UTA12</td><td>zur Signalerzeugung für QMS HV Schalthebel</td></tr><tr><td>QMS HV Schalthebel</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>angepasst</td><td>zur Verschiebung der Spannung des QMS DC-Moduls</td></tr><tr><td>QMS DC-Modul</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifisches</td><td>Modul zur Bereitstellung von Gleichspannungen für QMS</td></tr><tr><td>HF-Generator für QMS</td><td>Tektronix</td><td>AFG 3022B</td><td>HF-Generator für QMS</td></tr><tr><td>HF-Verstärker für QMS</td><td>Elektronische Werkstatt der LMU München</td><td>angepasst</td><td>HF-Verstärker für QMS</td></tr><tr><td>Picoscope</td><td>Pico Technology</td><td>Picoscope 4227</td><td>Oszilloskop für QMS HF-Steuerung</td></tr><tr><td>Control PC 2</td><td>Fujitsu</td><td>Esprimo P900</td><td>Steuercomputer für QMS</td></tr><tr><td>Trioden-Extraktionssystem</td><td>Werkstatt der LMU München</td><td>kundenspezifisch</td><td>Set von drei Ringelektroden zur Führung von Ionen</td></tr><tr><td>MCP Detektor</td><td>Beam-Imaging-Solutions</td><td>BOS-75-FO</td><td>MCP-Detektor mit Phosphor-Sreen-Gleichspannungsversorgung</td></tr><tr><td>für MCP</td><td>Keithley Instruments</td><td>HV-Versorgung 246</td><td>Spannungsversorgung für MCP frontseitige</td></tr><tr><td>Gleichspannungsversorgung für MCP</td><td>CMTE (NIM-Modul)</td><td>HV 3160</td><td>Spannungsversorgung für MCP Rückseite</td></tr><tr><td>DC-Spannungsversorgung für MCP</td><td>Fluke</td><td>HV Versorgung 410B</td><td>Spannungsversorgung für Phosphor-Sreen</td></tr><tr><td>CCD-Kamera</td><td>PointGrey</td><td>FL2-14S3M-C</td><td>CCD-Kamera zur Bildaufzeichnung</td></tr><tr><td>Steuer-PC 3</td><td>Fujitsu</td><td>Esprimo P910</td><td>Steuerrechner für CCD-Kamera</td></tr><tr><td>Lichtdichtes Gehäuse</td><td>Werkstatt der LMU München</td><td>angepasst</td><td>Lichtdichte Holzkiste für CCD-Kamera</td></tr><tr><td>Dewar für LN2-Versorgung</td><td>Isotherm</td><td>unbekannt</td><td>Dewar zur Bereitstellung von trockenem Stickstoff für die Entlüftung</td></tr><tr><td>Verdampfer für LN2</td><td>Werkstatt der LMU München</td><td>angepasst</td><td>Verdampfer zur Bereitstellung von trockenem Stickstoff</td></tr><tr><td>MCP-Detektor mit einer Anode</td><td>Hamamatsu</td><td>F2223</td><td>MCP mit einer Anode für kurze Messungen</td></tr><tr><td>Gleichspannungsversorgung für MCP</td><td>Fluke</td><td>HV-Versorgung 410B</td><td>Spannungsversorgung für MCP-Anode</td></tr><tr><td>Stromversorgung für Vorverstärker</td><td>Delta Elektronika</td><td>E 030-1</td><td>Stromversorgung für Vorverstärker</td></tr><tr><td>Vorverstärker für MCP-Signale</td><td>Ortec&nbsp;</td><td>VT120A</td><td>Vorverstärker für MCP-Signale</td></tr><tr><td>Verstärker für MCP-Signale</td><td>Ortec (NIM-Modul)</td><td>Ortec 571</td><td>Verstärker für MCP-Signale</td></tr><tr><td>CFD</td><td>Canberra</td><td>1428A</td><td>Konstantbruch-Diskriminator für MCP-Signale</td></tr><tr><td>Mehrkanal-Scaler</td><td>Stanford Research</td><td>SR 430</td><td>Mehrkanal-Scaler für Signalauslesung</td></tr><tr><td>Control PC 4</td><td>Fujitsu</td><td>Esprimo P920</td><td>Steuerrechner zum Auslesen von Scalern</td></tr><tr><td>Labview</td><td>National Instruments</td><td>verschiedene Versionen</td><td>Programm zur Messsteuerung</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks Inc.</td><td>Version 7.0</td><td>Programm zur Datenanalyse</td></tr></tbody></table>

vorbereitung eines isotopisch reinen 229th ion beam für studien von 229mth

Preparing an Isotopically Pure 229Th Ion Beam for Studies of 229mTh

Eine Methode wird beschrieben, um einen isotopisch reinen 229Th Ionenstrahl in den Ladezuständen 2+ und 3+ zu erzeugen. Dieser Ionenstrahl ermöglicht es, den tief liegenden isomeren ersten angeregten Zustand von 229Th bei einer Anregungsenergie von etwa 7,8 (5) eV und einer Strahlungslebensdauer von bis zu 104 Sekunden zu untersuchen. Die vorgestellte Methode ermöglichte eine erste direkte Identifizierung des Zerfalls des Thorium-Isomers und legte die Grundlagen, um seine Zerfallseigenschaften als Voraussetzung für eine optische Kontrolle dieses nuklearen Übergangs zu untersuchen. Hochenergie 229Th Ionen werden im Zerfall einer radioaktiven 233U-Quelle erzeugt. Die Ionen werden in einer Puffergas-Stoppzelle thermischisiert, extrahiert und anschließend ein Ionenstrahl gebildet. Dieser Ionenstrahl wird durch einen Quadrupol-Massenabscheider massengereinigt, um einen reinen Ionenstrahl zu erzeugen. Um den isomerischen Zerfall zu erkennen, werden die Ionen auf der Oberfläche eines Mikrokanalplattendetektors gesammelt, wo Elektronen, wie sie im inneren Umwandlungszerfall des isomerischen Zustands emittiert werden.

Das zuvor beschriebene Verfahren ermöglichte die Extraktion von Zerfallsprodukten aus einer 233-U-Quelle, die in einer Puffergas-Stoppzelle platziert wurde und bei ca. 30 mbar ultrareinem Heliumgas bei Raumtemperatur betrieben wird. Erstmals konnten aus einem solchen Gerät mit hoher Effizienz29bis zu dreifach geladene Ionen extrahiert werden. Abbildung 3a zeigt das Massenspektrum der aus der Puffergaszelle extrahierten Ionen, die drei Gruppen von 233U-Zerfallsprodukten (plus begleitende Schadstoffadukte) in sionförmigen, doppelt und dreifach aufgeladenen Ionischen Zuständen zeigen. Bemerkenswert ist die Dominanz der 229Th3+ Extraktion im Vergleich zu 233U3+, während beide Arten mit etwa gleicher Intensität extrahiert werden, wenn sie doppelt aufgeladen werden. Diese Tatsache wurde für Vergleichsmessungen mit 233U-Ionen verwendet, die den Ausschluss von ionenischen Stößen als Signalursprung ermöglichten.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig3.jpg"> Abbildung 3 : Identifizierung des direkten Zerfalls des 229-Thorium-Isomers. a) Vollständiger Massenscan mit der 233U Quelle 129durchgeführt. Einheiten werden als Atommasse (u) über elektrische Ladung (e) angegeben. b) Vergleich der MCP-Signale, die bei der Ansammlung von Thorium und Uran in den Ladezuständen 2+ und 3+ erzielt wurden (wie durch die Pfeile angegeben, die mit dem Massenscan verbunden sind). 233 Sie und 234U-Quellen verwendet wurden (die Quellnummer wird auf der rechten Seite jeder Zeile angegeben). Jedes Bild entspricht einer individuellen Messung von 2.000 s Integrationszeit (20 mm Durchmesser Blende, die durch den gestrichelten Kreis angezeigt wird). Es wurden Messungen mit -25 V MCP-Oberflächenspannung durchgeführt, um eine sanfte Landung der Ionen zu gewährleisten. c) Signal des 229Th isomerischen Zerfalls, der während der 229Th3+ Extraktion mit Quelle 1 gewonnen wurde. Es wird ein Signalflächendurchmesser von ca. 2 mm (FWHM) erreicht. Die erhaltene maximale Signalintensität beträgt 0,08 Zähler/(s mm2) bei einer Hintergrundrate von etwa 0,01 Zählungen /(s mm2). Mit freundlicher Genehmigung von Springer Research 11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Nach Transport, Kühlung und Massentrennung impingt der Ionenstrahl auf die Oberfläche eines Mikrokanalplattendetektors, wo ein geringes attraktives Oberflächenpotential die Unterdrückung von Ionenschlagsignalen gewährleistet und nur Elektronen aus dem Internen Umwandlung (IC) Zerfallskanal des 229mTh Isomers, der im starken elektrischen Feld der Detektorplattenkanäle multipliziert werden soll. Die resultierenden MCP-Signale, die für drei verschiedene Uranquellen erhalten wurden, sind in Abbildung 3bdargestellt. Die Ionenart der doppelt oder dreifach geladenen Ionen, die mit Hilfe des Quadrupol-Massenabscheiders in jeder einzelnen Messung ausgewählt wurde, wird durch die Pfeile aus der oberen Platte angezeigt. Gezeigt werden Bilder, die mit der CCD-Kamera hinter dem Phosphorschirm aufgenommen wurden und auf die die Elektronen aus dem MCP beschleunigt wurden. Das Sichtfeld der CCD-Kamera wird durch die gestrichelten Kreise für triply (erste zwei Spalten) und doppelt geladen (letzte zwei Spalten) 229Th bzw. 233U-Ionen angezeigt. Die obere Reihe stellt das Ergebnis für eine kleine 233U-Quelle (ca. 1000 extrahiert e29Th3+ Ionen pro Sekunde, Quelle 1), während die untere Reihe das gleiche für eine stärkere Quelle mit ca. 10.000 extrahierten 229Th 3+ zeigt. Ionen pro Sekunde (Quelle 3). Es ist offensichtlich, dass in beiden Fällen ein klares Signal für 229Th erhalten wird, während für 233U 11 keine Anzeige auf ein Elektronensignal beobachtet wird. Um zu beweisen, dass dieses Signal tatsächlich aus einer nuklearen Erregung und nicht aus einem atomaren Schalenprozess stammt, zeigt die mittlere Reihe das resultierende Kamerabild bei Verwendung einer 234U-Quelle, bei der der Zerfall das benachbarte Isotop 230 bevölkert. Th, mit einer vergleichbaren elektronischen, aber unterschiedlichen kerntechnischen Struktur. Wie für 230Th erwartet, wird in keinem der untersuchten Fälle ein Hinweis auf ein Umwandlungselektronensignal gefunden. Das starke Signal, das in Abbildung 3c mit einem hervorragenden Signal-Hintergrund-Verhältnis dargestellt wird, ist also eindeutig mit dem Zerfall von 229mTh korreliert.
Zusätzliche Verifizierungsmessungen zur Unterstützung dieser Interpretation sind in Abbildung 4dargestellt. Sie zeigen zwei Messungen, um weitere Hinweise darauf zu liefern, dass die registrierten Elektronensignale tatsächlich aus dem Zerfall des Kernisomers stammen: In Abbildung 4a wird gezeigt, dass das attraktive Oberflächenpotenzial des MCP-Detektors von -100 V ( bevorzusetzen das Auftreten von Elektronen aus ionischem Aufprall) bis 0 V, vergleicht die mit dem MCP registrierten Zählraten für extrahierte 229Th2+ (rot) und 233U2+ Ionen (blau). Offensichtlich sinkt die Zählrate bei einer "weichen Landung" der eingehenden Ionen mit einer Oberflächenspannung unter ca. -40 V auf Null für 233U2+, während eine beträchtliche Zählrate für 229Th2+ bis zur Schwelle von 0 V verbleibt. In Abbildung 4bzeigt die blaue Kurve die Elektronenzählrate, die für extrahierte Ionen nach starker Beschleunigung in Richtung der MCP-Detektoroberfläche mit -2000 V registriert wurde. Ioneneinschlag von 233U2+ und 229Th2+ Ionen wird mit etwa gleicher Intensität beobachtet, wie bereits bei doppelt geladenen Ionen im extrahierten Massenspektrum von Abbildung 3agezeigt. Die rote Kurve zeigt das gleiche Szenario, aber jetzt für eine "weiche Landung" von eingehenden Ionen mit -25 V MCP-Oberflächenpotenzial. Kein Hinweis auf das ionische Aufprallsignal von 233U2+ ist nicht mehr sichtbar, während für 229Th2+ ein Signal verbleibt, das aus dem isomerischen internen Umwandlungszerfall11stammt.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig4.jpg"> Abbildung 4 : Isomer Zerfallsverifizierungsmessungen. a) 229Th2+ Signal (rot) im Vergleich zu 233U2+ (blau) in Abhängigkeit von der MCP-Oberflächenspannung. Fehler werden durch schattierte Bänder angezeigt. b) Signal extrahierter Ionen in Abhängigkeit vom Massen-Ladeverhältnis hinter dem QMS für MCP-Oberflächenspannungen von -25 V (Isomerzerfall, rot) und -2.000 V (Ionenschlag, blau). Beachten Sie die verschiedenen Integrationszeiten und Achsenskalen. Neben dem Signal bei 114,5 u/e (entsprechend 229Th2+) tritt ein weiteres Signal bei 117,5 u/e auf, das aus dem isomerischen Zerfall von 235U stammt. Mit freundlicher Genehmigung von Springer Research11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Somit kann eindeutig nachgewiesen werden (zusammen mit zusätzlichen Argumenten in Ref. 11), dass das in Abbildung 4 beobachtete Signal aus dem isomerischen Zerfall von 229mTh stammt und die erste direkte Identifizierung der Erregung dieses schwer fassbaren Isomers.
Anschließend wurde die segmentierte Extraktions-RFQ als lineare Paul-Falle betrieben, um einen gebündelten Ionenstrahl zu erzeugen, wodurch Lebensdauermessungen des Thorium-Isomers möglich wurden. Da unser Raumtemperatur-Hochvakuum keine ausreichend langen Lagerzeiten zulässt, um die erwartete Strahlungslebensdauer von bis zu 104 Sekunden zu untersuchen, konnte für geladene 229mTh nur eine untere Grenze von t1/2 &gt; 1 Minute abgeleitet werden. Ionen, begrenzt durch die maximal erreichbare Ionenspeicherzeit in der linearen Paul-Falle11. Jedoch, mit der gleichen Detektionsstrategie wie zuvor für die Identifizierung des Isomerzerfalls nach Neutralisierung der Thoriumionen auf der Oberfläche eines MCP-Detektors, die erwartete viel kürzere Lebensdauer für neutrale 229mTh-Atome, die interner Konvertierungszerfall bietet Zugriff auf Lebenslange Informationen12. Abbildung 5a zeigt die erwartete Form des Zerfallszeitspektrums, wie sie für einen Ionenhaufen mit einer Pulsbreite von 10 s simuliert wird. Während die rote Kurve das ionenische Aufprallsignal anzeigt und das Signal eines exponentiellen Zerfalls mit 7 s Halbwertszeit durch die graue Kurve mit einem langen Zerfallsschwanz dargestellt wird, wird das erwartete Signal aus dem Zerfall des Thorium-Isomers, das sowohl aus dem ionischen Aufprall als auch aus dem e eponentialer isomerischer Zerfall wird durch die blaue Kurve veranschaulicht. Abbildung 5b zeigt das Ergebnis der entsprechenden Messung für 233U3+ (rot) bzw. 229Th3+ (blau). Während Uranionen nur ihr ionisches Aufprallsignal aufweisen, kann für 229-Thorium eindeutig der erwartete Zerfallsschwanz des Isomerzerfalls beobachtet werden12.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig5.jpg"> Abbildung 5 : Simulierte und gemessene zeitliche Ioneneinschlags- und Zerfallseigenschaften. a) Simulation der Isomerzerfallszeiteigenschaften von 229Th Bündeln. Die Simulation basiert auf einer gemessenen Bündelform und der Annahme, dass sich 2 % der 229Th-Ionen nach der Neutralisation im isomerischen Zustand mit einer Halbwertszeit von 7 s befinden. Es wird angenommen, dass die Elektronendetektionseffizienz 25-mal größer ist als die Ionendetektionseffizienz. b) Messung des isomerischen Zerfalls mit einem gebündelten 229(m)Th3+ Ionenstrahl (blau). Eine Vergleichsmessung mit 233U3+ ist rot dargestellt. Mit freundlicher Genehmigung der American Physical Society12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Die Anpassung des Zerfallsschwanzes mit einem Exponential (entsprechend einer linearen Anpassung an die logarithmische Darstellung in Abbildung 6) führt schließlich zu einer Halbwertszeit des neutralen 229mTh Isomers von 7(1) s12. Dieser Wert stimmt gut mit der theoretisch erwarteten Lebensdauerreduktion um neun Größenordnungen von ca. 104 Sekunden im Falle des geladenen Isomers aufgrund des großen Umrechnungskoeffizienten von 109 37überein.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig6.jpg"> Abbildung 6 : Passform auf 229m Die Zerfallskurve. Logarithmische Darstellung der zeitlichen Zerfallseigenschaften für 229(m)Th2+ Ionen (a) und 229(m)Th3+ Ionen (b) zusammen mit einer Anpassungskurve, die angewendet wird, um die isomere Halbwertszeit von 229mTh nach Ladungsrekombination auf die MCP-Detektoroberfläche. Mit freundlicher Genehmigung der American Physical Society12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

Wir präsentieren ein Protokoll zur Erzeugung eines isotopisch gereinigten Niedrigenergie-229-Ionen-Strahls aus einer 233U-Quelle. Dieser Ionenstrahl dient zur direkten Detektion des 229mTh Bodenzustandszerfalls über den internen Umwandlungszerfallskanal. Wir messen auch die interne Umwandlungslebensdauer von 229mTh.

Vorbereitung eines isotopisch reinen 229Th Ion Beam für Studien von 229mTh

A methodology is described to generate an isotopically pure 229Th ion beam in the 2+ and 3+ charge states. This ion beam enables one to investigate the ...

Diese Methode beschreibt die Produktion eines isotopisch reinen Thorium-229-Ionenstrahls nach dem Alphazerfall von Uran-233. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie es uns ermöglicht, Thorium-229-Ionen in einem energiearmen, energiefördernden Zustand zu untersuchen, der für die Entwicklung eines nuklearen Clubs relevant ist. Demonstriert wird das Prozedere von Ines Amersdorffer, einer Studentin aus unserem Labor.In diesem Set ist eine Uran-233-Quelle für die Erstellung eines isotopisch reinen Thorium-229-Ionenstrahls montiert. Die Vakuumkammern wurden evakuiert und ausgebacken, um sich auf das Experiment vorzubereiten. Die Einrichtung befindet sich hinter der Elektronik, die zur Überwachung und Steuerung des Systems verwendet wird.Die Forscher interagieren mit der Elektronik vor allem über Computer, die auch die Daten sammeln und anzeigen. Dieser Cutaway-Schema stellt Elemente des Apparates dar. Betrachten Sie die Schritte von der Generierung der Thorium-229-Isomere und der Puffergas-Stoppzelle bis zur Erkennung mit einer CCD-Kamera.Eine 290 Kilo schwere Becquerel, großflächige Uran-233-Quelle, produziert den Alphazerfall Thorium-229-Kerne, einschließlich 2% der ersterregten Zustands-Isomere. Schnelle Thoriumkerne entweichen der Quelle und werden in einer ultrareinen Heliumatmosphäre gepufferte Gas-Stoppzelle thermischisiert. Als nächstes treffen sie auf ein elektrisches Trichtersystem.Seine Hochfrequenz- und Gleichstrom-Elektrofelder führen sie zu einer Extraktionsdüse. Der Überschall-Gasstrahl aus der Düse nimmt die Kerne in eine Vakuumkammer mit einer hochfrequenten Quadrupolstruktur. Die Struktur fungiert als Ionenführung, Gesichtskühler und potenziell als Polfalle.Die nächste Vakuumkammer verfügt über einen Quadrupol-Massenabscheider, um isotopisch reines Thorium-229 in wählbaren Ladungszuständen zu isolieren. Ein Triodelektrodensystem mit Dreiringelektroden fokussiert die Ionen auf den Detektor. Interaktion mit einem Mikrokanalplattendetektor bewirkt, dass metastabile Ionen zerfallen und Elektronen freisetzen, die mit der CCD-Kamera auf einem Phosphorbildschirm multipliziert und detektiert werden.Dies ist ein Querschnittsschema der Vakuumkammer und der zugehörigen Ausrüstung. Beginnen Sie das Experiment, indem Sie den katalytischen Gasreiniger starten und 20 Minuten warten, bis er seine Betriebstemperatur erreicht. Stellen Sie als Nächstes sicher, dass das Bypassventil geschlossen ist, bevor Sie die Heliumgasflasche öffnen.Öffnen Sie das Druckminderventil, bis ein Druck von etwa 0,5 bar gemessen wird. Öffnen Sie dann das Ventil vom Druckminderer bis zum Gasschlauch. Öffnen Sie die Gasstromregelung, indem Sie einen Zelldruck von 32 Millibar einstellen.Spülen Sie die Gasschläuche für ca. 10 Minuten. Schließen Sie dann das Ventil, das den Druckminderer mit dem Gasschlauch verbindet, und warten Sie einige Minuten, bis das Helium entfernt wird. Für höhere Reinheit-Puffer-Gas füllen Sie die Kryotrap mit flüssigem Stickstoff.Stellen Sie das Torventil zwischen der Puffergaszelle und ihrer Turbomolekularpumpe auf Den Remote-Betrieb ein, und schließen Sie dann das Gate-Ventil aus der Ferne. Öffnen Sie das Ventil, das den Druckminderer mit dem Gasschlauch verbindet. An dieser Stelle wird die Puffergas-Stoppzelle mit etwa 30 Millibar Heliumgas gefüllt.Der Hochfrequenz-Quadrupol-Kammerdruck beträgt etwa 10 bis minus vier Millibar. Der Quadrupol-Massenabscheider-Kammerdruck beträgt etwa 10 bis minus fünf Millibar. Stellen Sie die Drehgeschwindigkeit der an der HFQ-Vakuumkammer angeschlossenen Turbomolekularpumpe ein, um einen Umgebungsdruck von 10 auf minus zwei Millibar einzustellen.Dieser aktualisierte Schaltplan enthält Darstellungen der Ausrüstung, die für die Anwendung der elektrischen Führungsfelder erforderlich ist. Verwenden Sie eine Gleichspannungsversorgung, um ein Gleichstrompotential auf die Uranquelle anzuwenden. Als Nächstes bereiten Sie das segmentierte Trichterelektrodensystem vor.Mit der DC-Stromversorgung und einer 24-Kanal-DC-Offset-Versorgung, wenden Sie eine DC-Potenzialgradient von vier Volt pro Zentimeter und einen Drei-Volt-Offset. Tragen Sie ein DC-Potenzial von etwa zwei Volt auf die Extraktionsdüse auf. Folgen Sie diesem, indem Sie die DC-Potenziale auf die 12 Volt segmentierte Extraktion Hochfrequenz-Quadrupole anwenden.Erstellen Sie den Farbverlauf mit der 24-Kanal-DC-Offset-Versorgung. Die Spannungen für jedes der 12 Segmente des Quadrupols können einzeln angelegt werden. Tragen Sie 1,8 Volt auf das Segment auf, das der Extraktionsdüse am nächsten ist.Schrittweise sollten Sie die Spannungen in nachfolgenden Segmenten um 0,2 Volt verringern, um einen Dcgradienten von 0,1 Volt pro Zentimeter zu erreichen. Verwenden Sie nun einen Funktionsgenerator und einen linearen HF-Verstärker, um eine Frequenz von etwa 850 Kilohertz, 220 Volt Peak-to-Peak-Amplitude auf das Trichterringelektrodensystem anzuwenden. Mit einem weiteren Frequenzgenerator und zwei HF-Verstärkern wenden Sie eine 880-Kilohertz-, 120 bis 250-Volt-Spitzenamplitude auf die Extraktions-Radiofrequenz-Quadrupole und die einzelne Bündelelektrode an.Wenn das Heliumpuffergas nicht ausreichend rein ist, entstehen Funken in der Puffergas-Stoppzelle, wenn die HF-Spannung auf die Trichterringelektroden angewendet wird. In diesem Fall unterbricht das Verfahren und führt Das Backen für einen Tag durch, um die volle Extraktionseffizienz wiederzuerlangen. Verwenden Sie eine Gleichspannungsversorgung, um ein Potential von minus einem Volt auf die Extraktionselektrode des Extraktions-Hochfrequenzquadrupols anzuwenden.Stellen Sie die Offsetspannung des Quadrupol-Massenabscheiders mit DC-Offsetmodulen auf minus zwei Volt ein. Wenden Sie sich an den Funktionsgenerator und RF-Verstärker, der mit dem Quadrupol-Massenabscheider verbunden ist, um ihn zu starten. Nach der Auswahl des Massen-Lade-Verhältnisses und der Quadrupol-Massenabscheiderakzeptanz wird ein Vierkanal-Netzteil verwendet, um Potenziale auf die fokussierende triodische Elektrodenstruktur anzuwenden.Nach dem Einrichten der Führungsfelder arbeiten sie mit der Ausrüstung, die für die Abstimmung des Quadrupol-Massenabscheiders erforderlich ist. Beginnen Sie mit der Anlegung von Spannungen auf den Doppelplatten-Mikrokanalplattendetektor, der über eine Frontplatte, eine Rückplatte und einen Phosphorsieb verfügt. Verwenden Sie ein Hochspannungsmodul, um ein attraktives Potential von negativen 1.000 Volt auf die Frontplatte des Doppelplatten-Mikrokanalplattendetektors aufzutragen.Mit einem zweiten Hochspannungsmodul positive 900 Volt auf die Rückseite der zweiten Platte des Detektors auftragen. Verwenden Sie ein drittes Hochspannungsmodul, um positive 3.000 Volt auf den Phosphorbildschirm hinter dem Mikrokanalplattendetektor aufzutragen. Schalten Sie die CCD-Kamera und das lichtdichte Gehäuse hinter dem Phosphorbildschirm ein und konfigurieren Sie deren Belichtungsparameter.Beobachten Sie den Kameraausgang und häuten Sie das Quadrupol-Massenabscheider-Massenüberladungsverhältnis von unterhalb des erwarteten Wertes für Thorium-229 zwei plus, bis ein Signal vorhanden ist. Etwa 10.000 Thorium werden pro Sekunde extrahiert, was einer Gesamteffizienz von etwa 3,5% entspricht. Nach dem Fund des Thorium-Signalscans für die Uran-233-Röhre plus Signal, indem das Massenüberladungsverhältnis erneut erhöht wird.Sobald das Thoriumsignal verschwindet, sollte das Uransignal sichtbar werden. Stellen Sie den Quadrupol-Massenabscheider ein, um nur die Thorium-229-Zwei-Plus-Ionen-Arten zu extrahieren. Wenn der Massenabscheider gestimmt ist, können Sie den isomerischen Zerfall weiter erkennen.Schalten Sie den Quadrupol-Massenabscheiderdrucksensor aus, um den Hintergrund von ionisiertem Helium und Licht zu reduzieren. Passen Sie die Separatorparameter an, um das gewählte Thorium-Ionen zu extrahieren. Reduzieren Sie dann das Oberflächenpotenzial der Frontplatte des Mikrokanalplattendetektors auf minus 30 Volt.Wenden Sie ein Beschleunigungspotenzial auf die zweite Platte des Mikrokanalplattendetektors an, typischerweise 1, 900 Volt. Wenden Sie ein Beschleunigungspotenzial auf den Phosphorbildschirm hinter dem Detektor an, typischerweise 4.000 Volt. Starten Sie die Erfassungssequenz von CCD-Bildern.Die Zählrate beträgt etwa drei Zählungen pro Sekunde. Speichern Sie die Daten für die Bildauswertung und Nachbearbeitung. Dieser Massenscan befindet sich in Einheiten der atomaren Masse über elektrische Ladung und stellt Zahlen dar, die über fünf Sekunden gemessen werden.Es gibt drei Gruppen von extrahierten Ionenarten in singly, doppelt und triply geladenen Staaten. Beachten Sie die relative Anzahl des triply ionisierten Thoriums im Vergleich zu triply ionisiertem Uran. Diese Mikrokanalplattendetektorsignale für triply geladene Zustände von Thorium und Uran reflektieren Experimente mit drei separaten Uranquellen.Zwei Uran-233-Quellen unterschiedlicher Stärken erzeugten klare Signale für Thorium und nicht für Uran. Tests mit einer Uran-234-Quelle ergaben keine Signale, die Beweise dafür lieferten, dass die mit der Uran-233-Quelle erzeugten Signale von nuklearen Deergungs- und nicht atomaren Shell-Prozessen stammen. Die Mikrokanalplattendetektorbilder für doppelt geladenes Thorium und Uran stimmen mit dieser Interpretation überein.Für diese Daten variiert die attraktive Platte des Mikrokanaldetektors von spannungsgünstigen Elektronen von ionischem Aufprall bis zu null Volt. Es gibt eine beträchtliche Zählrate für doppelt geladenes Thorium bis zur Schwelle von Null Volt, im Gegensatz zur Zählrate für doppelt geladenes Uran. Dies liefert einen weiteren Beweis dafür, dass das Signal vom Zerfall des nuklearen Isomers ausgeht.Diese Technik ebnete den Weg für die Messung der Lebensdauer und Erregungsenergie des Thory-Myz-Imers sowie für die Messung seiner hyperfinen Struktur. Letztlich kann es zur Entwicklung einer ultrapräzisen optischen Atomuhr führen.

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Forschung

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Engineering

Ingenieurwesen

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