הכנת קרן Isotopically טהורה ²²⁹Th יון ללימודים של ^229mth

המדינה הנרגשת הראשונה ביותר בגרעין thorium-229, מסומן ^229mTh, מציג מיקום מיוחד בנוף הגרעיני, כפי שהוא בעל אנרגיה עירור הגרעינית הנמוכה ביותר של כל הידוע כיום ca. 176,000 מדינות גרעיניות נרגש. בעוד מגוון רחב של אנרגיות גרעיניות מקוו עד לאזור MeV, ^229mיש אנרגיה של מתחת 10 eV מעל מצב הקרקע גרעינית^1,2,3. ערך האנרגיה המקובל ביותר עבור מצב זה הוא 7.8 (5) eV^4,5. ערך אנרגיה נמוך זה עורר עניין מקהילות פיזיות שונות והוביל להצעת מספר יישומים מעניינים. ביניהם הם לייזר גרעינית⁶, קיוביט יציבה מאוד עבור מיחשוב קוונטי⁷ ושעון גרעיני^8,9.

הסיבה ^229mTh צפוי להציע מגוון רחב של יישומים מבוסס על העובדה, בשל האנרגיה הנמוכה יוצא דופן שלה, היא המדינה הגרעינית היחידה שיכולה לאפשר עירור לייזר גרעיני ישיר באמצעות לייזר זמין כעת טכנולוגיה. עד כה, עם זאת, עירור ישיר לייזר גרעיני של ^229mTh היה מונע על ידי ידע מספיק של הפרמטרים של המדינה המטאורווה כמו האנרגיה המדויקת שלה חיים. למרות שקיומה של מצב של אנרגיה גרעינית ב229 Th כבר הושג בשנת 1976¹⁰, כל הידע על מדינה זו יכול להיות רק משתמעת ממדידות עקיפות, לא לאפשר קביעה מדויקת של הריקבון שלה פרמטרים. מצב זה השתנה מאז 2016, כאשר הזיהוי הישיר הראשון של הריקבון ^229mפתחה את הדלת עבור המון מדידות במטרה להצמיד את הפרמטרים של המדינה נרגש^11,12. כאן, פרוטוקול מפורט מסופק, אשר מתאר את הצעדים הבודדים הנדרשים לאיתור ישיר של ^229mTh כפי שהושג בניסוי של 2016. גילוי ישיר זה מספק את הבסיס לקביעה מדויקת של האנרגיה והחיים ^ה229mולכן לפיתוח שעון גרעיני. בעקבות המושג של שעון גרעיני כיישום החשוב ביותר עבור ^229mיהיה דן.

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

עדות לקיומו של 229-תוריום איזומר עד לאחרונה ניתן להסיק רק ממדידות עקיפות, מציע אנרגיה עירור של 7.8 (5) eV (שווה ערך לאורך הגל בטווח ספקטרלי ואקום אולטרה סגול של 160 (11) nm)^{4 , 5}. הגישה הניסיונית שלנו, המכוונות לזיהוי ישיר של הקרקע הקרקעית של איזואריק ^ב229m' איזורר ', מתבססת על הפרדה מרחבית של אוכלוסיית איזורר בתאי מאגר לעצירת גז, ולאחריה מיצוי, והובלה בכמויות המונים ליחידת זיהוי מתאימה כדי לרשום את המוצרים הדעירור^28,29. לפיכך ניתן לשלול את האוכלוסייה והעירור של איזורר, וכתוצאה מכך סביבת מדידה נקיה, שאינה מושפעת מתרומות רקע מבקשות. אוכלוסיית איזוer מושגת באמצעות הריקבון α ממקור ²³³U רדיואקטיבי, שם 2% הענף ריקבון ההכנסות לא ישירות למצב הקרקע של ²²⁹Th, אבל מאכלס את המדינה הראשונה הנרגשת איזואריק במקום. α-גרעיני הפליטה מרתיעה הם באווירת הליום אולטרה טהורה של תא מאגר לעצור גז, לפני שהוא מונחה על ידי גלי רדיו חשמלי (RF) ו ישיר הנוכחי (DC) שדות לעבר זרבובית החילוץ, שבו המטוס המתעוררים גז קוליים גורר אותם לתוך תא ואקום סמוך, דיור (מקוטע) מבנה גלי-פי-פי (rfq) במבנה משחק כמו מדריך יון, מצנן-מרחב שלב ופוטנציאל גם ליניארי פול מלכודת עבור אגידה היונים המחולצים. לתיאור מפורט של תא מאגר-גז עצירת החילוץ ו-RFQ ראה Refs. בן ^{30 ,} מיכל בן ^{31 , 32}. מאז עד אותו רגע קרן יון שחולצו מכיל בנוסף ^{229 (m)}Th גם שרשרת של α מוצרים בת ביתי, הפרדה המונית מבוצעת באמצעות מפריד המוני פי ארבעה (qms) בחדר ואקום הבאים לבסוף צור isotopically טהור ^{229 (m)}הקרן במדינות חיוב לבחירה (q = 1-3). תיאור מפורט של QMS ניתן למצוא Refs. ^{33 , 34}. איתור הריקבון איזואריק הושג על ידי מיצוי היונים התאנון ישירות על פני השטח של גלאי מיקרוערוץ-לוחית (MCP), שבו אלקטרונים משתחררים, מואץ לכיוון מסך פוספור ומוצג על ידי מכשיר מצמידים (CCD) מצלמה. מבט כולל על הכיוונון הנסיוני מוצג באיור 1. תיאור מפורט ניתן ב-Ref.³⁵.

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

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

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

הערה: מספרים הניתנים בפרוטוקול יהתייחסות ל איור 2.

1. זיהוי ישיר של Th-229 איזואריק הריקבון

1. הרכבה של מקור 233-אורניום
   1. הר the 233-אורניום מקור α (1) באמצעות גישה מקורבות לפתח בתא הגז תא ואקום לקצה המעלה של מערכת האלקטרודות של טבעת המשפך (2) בתוך תא הגז (3).
      הערה: 290 kBq, 90 מ"מ בקוטר ²³³U מקור הופק באמצעות ציפוי מולקולרי על בולקיקטיטניום ו36 ופל. על מנת להשיג האופטימלי α-יעילות של המקור, העובי שלה לא יעלה על 16 ננומטר, להיות טווח העצירה של 84 קוו ²²⁹ב אורניום.
   2. חבר את הכבל להר המקור כדי לאפשר היסט DC של המקור. סגור ואטום את מקורבות הגישה וחבר את החיווט החיצוני למקור ²³³U.
2. פינוי תא הוואקום והאפייה
   1. התחל פינוי של מערכת ואקום מלאה על ידי הפעלת משאבת ואקום אלימה (4) אם כיבוי (נשלט באמצעות ממשק משתמש מבוסס מחשב (5)) ולפתוח את שלושת (יד מופעל) שסתומים (6) כי לחבר את החלקים הבודדים של שאיבה הדיפרנציאלי . שלבים למשאבה האלימה
      הערה: התחל לפתוח את השסתומים מתאי המטה של תא הגז עם שסתום שער פתוח (7) לכיוון משאבת טורבו מולקולרית של תא הגז כדי ליצור מעבר לחץ המונע מזהום פוטנציאלי מתאי הזרם להישאב לתוך ה תא גז במקום בו הניקיון הגבוה ביותר הוא דרש.
   2. לאחר הלחצים הגיעו לרמה בטווח sub-mbar (לקרוא באמצעות ממשק המשתמש (5)) להתחיל את משאבות טורבו של תא הגז (8), החילוץ בתדר הרדיו-4 (RFQ) (9) ואת המפריד המוני של מוט 4 (QMS) (10).
   3. אופציונלי פתח את השסתום העוקף (11) כדי גם לאפשר פינוי יעיל של צינורות אספקת הגז.
   4. המשך שאיבה עבור כמה (4-5) שעות עד להגיע ללחץ הרוויה, בדרך כלל בטווח של נמוך 10^-7 mbar.
   5. הפעל את מערכת האפייה (12) באמצעות ממשק המשתמש (5) עם מיזוג (בדרך כלל 20 ° צ'-40 מעלות צלזיוס לשעה) החימום למקסימום של 130 ° c.
   6. להמשיך לאפות את מערכת ואקום ב 130 ° c עבור 1-2 ימים עד שקריאות הלחץ מתחילות לרדת.
   7. הפעל את רצף הקירור של מערכת האפייה באמצעות ממשק המשתמש (5) עם רצף הפחתת השיא, בדרך כלל 20 ° צ'-40 ° צ' לשעה.
      הערה: הרגעות של המערכת בדרך כלל דורש 8 שעות מבוצעת לילה. הכנה מוצלחת של מערכת ואקום מושגת כאשר הלחץ התא הסופי לאחר קריר טווחים מתחת 5x10^-10 mbar. הלחצים ב-RFQ ו QMS הקאמרית יהיה ב 10^-9 mbar ו 10^-8 mbar טווח, בהתאמה.
   8. חבר את החיווט החיצוני לחדר הריק של ה-RFQ.
3. הכנת מערכת הגז ואספקת האולטרה-טהורה הוא
   1. הפעל את MonoTorr גז מטהר (13) ולחכות 20 דקות עד שהוא הגיע לטמפרטורת ההפעלה שלה.
   2. סגור את השסתום העוקף (11) אם פתוח.
   3. פתח את הצילינדר הוא גז (14) (הוא של 99.9999% טוהר משמש לפעולה).
   4. פתח את שסתום כמפחית הלחץ (15) עד לחץ של כ 0.5 בר מוצג.
   5. פתח את השסתום המחבר את כמפחית הלחץ על צינורות הגז (16).
   6. פתח את בקרת זרימת הגז (17) עד זרימת הגז של כ 1.1 (המקבילה כ 5 mbar l/s) מוצג.
   7. לשטוף את צינורות הגז במשך כ 10 דקות כדי להסיר גזים שיורית מן האבובים.
   8. סגור את השסתום המחבר את כמפחית הלחץ לצינורות הגז (16).
   9. המתן מספר דקות עד שהוא יוסר מצינורות הגז.
   10. אופציונלי לטוהר הגבוה ביותר של גז החיץ, למלא את מלכודת ההקפאה (18) עם חנקן נוזלי.
   11. הגדר את שסתום השער (7) בין תא הגז של המאגר ומשאבה מולקולרית טורבו שלו לפעולה אוטומטית ולסגור את השסתום דרך ממשק המשתמש (5).
   12. פתח את השסתום המחבר את כמפחית הלחץ על צינורות הגז (16).
       הערה: תא מאגר הפסקת הגז מתמלא כעת ב-30 מטרים של גז. בדרך זו the RFQ ו-QMS לחצים מורמים 10^-4 mbar ו 10^-5 mbar, בהתאמה.
   13. כוונן את המהירות הרוטרי של המשאבה טורבו-מולקולרי של תא ואקום חילוץ-RFQ (9) כדי 50% על מנת לקבוע לחץ סביבתי של כ^-10-2 mbar.
4. החלת השדות המנחים החשמליים להפקת יונים רציפה
   1. החלת הפוטנציאל DC למקור 233-אורניום α (1) של 39 V במצב רציף באמצעות אספקת מתח DC מותאם אישית (19).
   2. החל מעבר הדרגתי פוטנציאלי DC של 4 V/ס מ (החל מ 35 V עד 3 V) באמצעות ספק כוח DC (20) והיסט מתח של 3 V באמצעות מספק היסט DC הערוץ 24 אינץ ' (21) למערכת האלקטרודה מקוטעת המחולקת של 50 הטבעת. כל המתח נשלט באמצעות ממשק המשתמש המבוסס על מחשב (5).
   3. להחיל את הפוטנציאל DC של בדרך כלל 2 V על האלקטרודה זרבובית החילוץ (22) בעזרתו של אותו ממשק משתמש מבוסס מחשב (5).
   4. החלת מעבר הדרגתי פוטנציאלי של DC על החילוץ המקופל של 12 הקיפולים (27).
      הערה: ניתן להחיל את המתח של כל פלח בנפרד בעזרת ממשק המשתמש המבוסס על המחשב (5) באמצעות אספקת הקיזוז של DC (21). מתח של 1.8 V מוחל על הפלח הקרוב ביותר לזרבובית החילוץ. המתח של הקטעים הבאים הם לאחר מכן הירידה הצעד ירד על ידי 0.2 V, וכתוצאה מכך מתח של 0 V להחיל את קטע ה-RFQ העשירי. זה מתאים הדרגתי של DC של 0.1 V/ס מ. במקרה של הובלה רציפה של היונים המחולצים מתח של 0 V מוחל על מגזרי ה-11 וה-12. לצורך זה, אספקת מתח DC של קטע ה -rfq 12 (23) נותרה ב-0 V ומודול הגורם המפעיל המותאם אישית (24) מוגדר למצב תפעולי רציף.
   5. החלת תדר RF ומשרעת למערכת האלקטרודה של טבעת המשפך באמצעות גנרטור פונקציה (25) ומגבר RF ליניארי (26).
      הערה: ערכים אופייניים לתדר ומשרעת הם 850 kHz ו 220 V_pp, בהתאמה. ניתן לשלוט במתח עם ממשק משתמש מבוסס מחשב (5). במהלך יישום המתח של משפך-RF, יש לנטר את הזרם של ספק ההיסט DC המשפך (21). במקרה של ניצוצות, אשר יכול להתרחש אם טוהר גז החיץ אינו מספיק, זרם זה יתחיל להגדיל.
   6. החלת תדר RF (בדרך כלל 880 kHz) ומשרעת (בדרך כלל 120-250 V_pp) כדי החילוץ הריתוך פי ארבעה (27) (חילוץ-rfq) באמצעות גנרטור תדר (28) ושני מגברים RF (29, 30), אחד עבור ה-rfq ואחד עבור הפרט באמצעות אלקטרודה. ניתן לשלוט במתח עם ממשק המשתמש המבוסס על מחשב (5).
   7. החלת הפוטנציאל של DC-1 V לאלקטרודה היציאה (31) של החילוץ-RFQ באמצעות אספקת מתח DC Mesytec MHV-4 (32).
   8. החלת מתח היסט DC למפריד המוני של המוט הארבעה (33) (QMS). מתח אופסט של QMS (מרכז אלקטרודה ועדשות Brubaker) נבחר להיות-2 V באמצעות מודולים היסט DC מותאם אישית (34, 35).
   9. הפעל את מפריד המוני הקוטב פי ארבעה (33) QMS על-ידי מיתוג במחולל הפונקציה QMS (36), מגבר RF (37) והפעלת ממשק משתמש QMS (38). בממשק המשתמש QMS היחס מסה על התשלום של מינים יון שנבחרו מוכנס (בדרך כלל 76 u/e או 114.5 u/e, עבור החילוץ של Th^{3 +} או Th^{2 +}, בהתאמה). גם את קבלה QMS (בדרך כלל 1 עד 2 u/e) ואת תדר RF (בדרך כלל 825 kHz) מוכנס.
      הערה: התוכנית Labview באופן אוטומטי להחיל ולשלוט משרעת RF ואת הפוטנציאלים DC הדרושים עבור בחירת יונים. ה-RF הנדרש מגביר את טווח מ 600 כדי 1500 V_pp ו-DC טווח הפוטנציאל מ 50 v כדי 120 v. הפוטנציאלים של DC להפרדה המונית נוצרים על-ידי מודול DC מותאם אישית (39). לולאת משוב מיושמת עבור ייצוב מתח של RF ו-DC.
   10. החלת הפוטנציאל DC מבנה triodic אלקטרודה התמקדות (40) מאחורי QMS (2 V/-62 V/-22 V) דרך הערוץ Mesytec 4 (MHV-4) מודול אספקת מתח (32).
5. לבדוק את הפקת היונים ולכוונן את QMS
   1. החל את הפוטנציאל של משטח אטרקטיבי של-1000 V לצלחת הקדמית של הלוחית הכפולה (שברון הגיאומטריה) microchannel-גלאי צלחת (41) (MCP) באמצעות מתח גבוה (HV)-מודול (42).
   2. להחיל פוטנציאל של + 900 V בצד האחורי של צלחת ה-MCP השנייה באמצעות HV-מודול (43).
   3. להחיל פוטנציאל של + 5,000 V למסך פוספור (44) ממוקם מאחורי גלאי ה-MCP באמצעות HV-module (45).
   4. הפעל את מצלמת CCD (46) מאחורי המסך פוספור ולהגדיר את הפרמטרים החשיפה של המצלמה CCD בממשק המשתמש הגרפי המתאים על מחשב רכישת נתונים (47).
      הערה: מצלמת CCD ממוקם בדיור הדוק באור (48) כדי לכסות את הזיהוי מאור הסביבה. במקרה כי החילוץ פועל כראוי יונים עוברים דרך QMS אות חזקה צריך להיות גלוי על המסך פוספור הנגרמת על ידי ההשפעה היונית של היונים המחולצים. האות הזה מפוקח כעת על ידי מצלמת CCD.
   5. בצע סריקה המונית כדי לחקור את צורת האות ובהתאם לכוונן את QMS כדי לחלץ את מינים יון הרצוי.
      הערה: זהו הליך איטראטיבי שבוצע בעזרת ממשק המשתמש של QMS (38). בחר יחס המסה הרצוי מעל גובה (בדרך כלל 114.5 u/e עבור ²²⁹Th^{2 +}) ו qms לפתור את הכוח (בדרך כלל 1 u/e), ולאחר מכן לחקור את אות ההשפעה יונית באמצעות מצלמת CCD. הזזת המסה שנבחרה בשלבי 0.5 u/e עד שנצפתה אות. ברגע האות הוא נצפתה, בדיקה אם גם ²³³U^{2 +} האות הוא נצפה על ידי העברת המסה-over-התשלום-יחס 2 u/e להמונים גבוה יותר. אם גם האות נצפה, בדיקה אם ניתן להפריד את האותות. אם זה לא המקרה, להתאים את QMS לפתרון החשמל עד ²²⁹Th^{2 +} ו ²³³U^{2 +} אותות יכול בבירור להיות מכובד. לאחר מכן להגדיר את QMS כדי לחלץ רק את ²²⁹Th^{2 +} יון מינים.
6. איתור הריקבון איזואריק
   1. לכבות את חיישן הלחץ qms (49) באמצעות חיישן הלחץ יחידת בקרת (50) על מנת להפחית את הרקע של הליום יונן אור המיוצר על ידי חיישן.
   2. כוונן את הפרמטרים של QMS כדי לחלץ את ה-Th^{2 +} או Th^{3 +} יון מינים עבור זיהוי ריקבון איזואריק.
   3. להפחית את הפוטנציאל של פני השטח של הצלחת הקדמית של גלאי ה-MCP (41) ל-25 V באמצעות (42) כדי למנוע זיהוי האות מאלקטרונים שמקורם ישירות ההשפעה היונית של יוני האיפינג. בדרך זו מושגת "נחיתה רכה" של היונים של ^{229 (ז)}על משטח ה-MCP לפני הריקבון של איזואריק.
   4. החלת הפוטנציאל ההאצת של בדרך כלל + 1,900 V לצלחת ה-MCP השנייה עבור הגברה אלקטרונית אופטימלית דרך (43).
   5. החל הפוטנציאל האצת של בדרך כלל + 6,000 V למסך פוספור ממוקם מאחורי גלאי ה-MCP באמצעות (45).
      הערה: המתח המוחל בפועל יהיה תלוי בביצועי ה-MCP.
   6. הפעל את רצף הרכישה של תמונות CCD ולאחסן את הנתונים בדיסק באמצעות ממשק המשתמש במצלמה (47).
   7. השתמש בתוכניות Matlab להערכת תמונה ולעיבוד שלאחר.
      הערה: תיאור התוכניות ואופן השימוש בהם ניתן למצוא ב-Ref.³⁵ נספח ב .3. נתונים גולמיים של מסגרות תמונה, כמו גם התוכניות המשמשות להערכה הפכו לזמינים באינטרנט בדוי 10.5281/zenodo. 1037981.

2. מדידת מחצית החיים ה229m סידור מחדש של הכיוונון)

1. כיבוי ואוורור של המערכת.
   1. חשמל את המתח הגבוה של מערכת האיתור של MCP (42, 43, 45), QMS (37, 38), מערכת המשפך (25, 26) ו-הוצאת הספק (28, 29, 30).
   2. אופציונלי מתח את כל מתח DC הנותרים.
   3. לסגור באופן ידני את מערכת האספקה (שסתומים 14 ו -16) ולחכות עד הלחץ של תא הגז מאגר לעצור מופחת למטה 2 mbar.
   4. פתח את שסתום השער המחבר את משאבת טורבו אל תא מאגר הפסקת הדלק (7) באמצעות ממשק המשתמש (5) ולחכות עד הוא הוסר לחלוטין מהמערכת.
   5. סגור שסתום (17) של קו אספקת הגז לכבות את מטהר הגז (13).
   6. הגדר את שסתום השער (7) לפעולה ידנית כדי לעכב אותו מסגירת כאשר המערכת היא פרקו עם חנקן יבש.
   7. סגור את שלושת השסתומים המחברים את משאבות טורבו עם משאבה אלימה (6) והכוח למטה את שלושת משאבות טורבו (8, 9, 10).
   8. הפעל את חיישן הלחץ של QMS (49).
   9. המתן עד מהירות הסיבוב של משאבות טורבו מופחת באופן משמעותי מתחת 100 Hz כמו פיקוח על ממשק המשתמש (5).
   10. ממלאים את הדיואר (51) עם חנקן נוזלי ולפתוח את שסתום אוורור (52) לאט. חכו מספר דקות עד שהמערכת פרקו לחלוטין עם חנקן יבש.
       הערה: לחילופין, חנקן יבש מצילינדר גז יכול לשמש. אך במקרה זה, יש לקחת בחשבון שאין לחץ מוגזם שיתרחש (למשל, על ידי החדרת שסתום לחץ-יתר או בדיסק קרע). השימוש באוויר הוא גם חלופה, אך יוביל לזמני פינוי קצת יותר בשל הלחות.
   11. סגרו את שסתום האוורור (52).
2. החלף את ה-MCP במסך פוספור (41, 44) על-ידי גלאי MCP (53) קטן בודד.
   1. נתק והסר את מצלמת CCD (46) יחד עם הדיור הדוק (48).
   2. נתק את גלאי ה-MCP עם מסך פוספור (41, 44).
   3. פתח את מקורבות ואקום המחבר את ה-MCP ו זרחן עם תא ואקום.
   4. מניחים את יחיד-אנודת MCP (53) עם מרחק כמה מ"מ מאחורי היציאה של מערכת החילוץ טריודה (40) ולחבר את שלושת החוטים המחברים את הצלחת הקדמית (42), לאחור צלחת (43) ואת אנודת של MCP (54) עם ההאכלה חשמלי.
   5. סגרו את תא הוואקום, המערכת כעת מוכנה לפינוי ואופים החוצה.
   6. לספק את החיווט החיצוני של אנודת יחיד MCP למודולים hv ומערכת הקריאה-out.
3. פינוי המערכת ואופים
   1. לפנות את מערכת ואקום על ידי ביצוע השלבים 1.2.1 כדי 1.2.3.
   2. בצע את הליך האפייה של השלבים ה1.2.4 ל1.2.8.
4. הכנת אבובים גז ואספקה של אולטרה טהור הוא
   1. בצע את השלבים ה1.3.1 כדי ל1.3.12.
      הערה: עבור פעולה במצב באצווה אנחנו בדרך כלל להפעיל את המשאבה RFQ-טורבו ב 100% מהירות סיבוב, וכתוצאה מכך לחץ בטווח 10^-4 mbar.
5. החל את שדות ההדרכה החשמלית עבור בונצ'ינג יונים
   1. החלת הפוטנציאל DC של 69 V למקור 233-אורניום (1) באמצעות אספקת מתח DC מותאם אישית (19).
   2. החל מעבר הדרגתי פוטנציאלי DC של 4 V/ס מ (החל 65 V עד 33 V) באמצעות ספק כוח DC (20) והיסט מתח של 33 V באמצעות אספקת הזרם DC 24 ערוצים (21) אל 50 מערכת מקוטעת הקיפול משקע מקוטע-משקע. כל המתח נשלט באמצעות ממשק המשתמש המבוסס על מחשב (5).
   3. החלת הפוטנציאל DC של 32 V לאלקטרודה זרבובית החילוץ (22) בעזרת ממשק משתמש מבוסס מחשב (5).
   4. החלת הדרגה הפוטנציאלית של DC על החילוץ המקוטע של 12 הקיפולים.
      הערה: ניתן להחיל את המתח של כל פלח בנפרד בעזרת ממשק המשתמש המבוסס על המחשב (5) באמצעות אספקת הקיזוז של DC (21). מתח של 31.8 V מוחל על הפלח הקרוב ביותר לזרבובית החילוץ. המתח של הקטעים הבאים הם לאחר מכן הירידה הצעד ירד על ידי 0.2 V, וכתוצאה מכך מתח של 30 V להחיל את קטע ה-RFQ העשירי. זה מתאים הדרגתי של DC של 0.1 V/ס מ. במקרה של יצירת קרן מחורץ היונים מאוחסנים ומקורר באלקטרודה ה -11. לכן, האלקטרודה ה -11 מוגדרת ל -25 V והקטע האחרון של ה-RFQ מועלה ל-44 V באמצעות ספק מתח DC (23) כדי לצבור יונים בדלי הפוטנציאלי המקומי לפני שחרורו של קבוצת יונים על-ידי הנמכת קטע האלקטרודה האחרון ל -0 וולט בתוך מיקרושניה , מופעל על ידי מודול ההדק מותאם אישית (24).
   5. הגדר את מודול ההדק (24) למצב קבוצה. מודול ההדק מאפשר התאמה של קצב ההדק והתזמון. בדרך כלל, 10 הרץ נבחר כקצב ההדק.
   6. החל את המתח הנותר למערכת, השלבים הבאים 1.4.5 כדי ל1.4.10.
6. לבדוק את הפקת היונים ולכוונן את QMS
   1. לכבות את חיישן הלחץ qms (49) באמצעות חיישן הלחץ יחידת בקרת (50) על מנת להפחית את הרקע של הליום יונן אור המיוצר על ידי חיישן.
   2. להחיל את הפוטנציאל משטח אטרקטיבי של-2,000 V לצלחת הקדמית של אנודת יחיד MCP (52) באמצעות hv-module (42).
   3. להחיל פוטנציאל של-100 V בצד האחורי של ה-MCP. המקום מוגדר כקרקע.
   4. הפעל את 12 מודול אספקת החשמל (55) עבור מגבר ה-MCP (56).
      הערה: יוני יחיד המפינג על גלאי ה-MCP נספרים כעת בעזרת השילוב של מגבר הקדם (56), מגבר (57) ומבדיל שברים קבוע (CFD) (58). האות CFD נשלח לכרטיס רכישת נתונים (DAQ) של המחשב המשמש לבקרת QMS והוא יכול להיות מנוטר באמצעות ממשק המשתמש של QMS (38).
   5. בצע סריקה המונית כדי לחקור את צורת האות ובהתאם לכוונן את QMS כדי לחלץ את מינים יון הרצוי.
      הערה: פעולה זו מתבצעת בעזרת ממשק המשתמש של QMS (38). למטרה זו, מוגדר הראשונית ויחס המסה הסופי מחייב (למשל, 110 u/e כדי 120 u/e עבור ²²⁹Th^{2 +} טווח המוני), כמו גם את הכוח הפתרון (למשל, 1 u/e) ואת זמן האינטגרציה (5 s) לשלב הסריקה ואת המסה סריקה מתחילה על-ידי לחיצה על לחצן הסריקה. במקרה שהחילוץ פועל כהלכה והיונים עוברים את ה-QMS, אותות חזקים של תוריום ואורניום יהיו גלויים כתוצאה מהשפעת היונית של היונים המחולצים.
7. מדידה לכל החיים
   1. כוונן את הפרמטרים של QMS כדי לחלץ את ה-Th^{2 +} או Th^{3 +} יון מינים עבור זיהוי ריקבון איזואריק.
   2. להפחית את הפוטנציאל של פני השטח של הצלחת הקדמית של גלאי MCP (52) ל-25 V באמצעות (42) על מנת להקטין את אות ההשפעה יונית.
   3. החלת הפוטנציאל ההאצת של בדרך כלל + 1,900 V לצלחת ה-MCP השנייה עבור הגברה אלקטרונית אופטימלית דרך (43).
   4. החל הפוטנציאל האצת של בדרך כלל + 2,100 V ל-MCP אנודת באמצעות (53).
   5. הפעל את רכישת הנתונים באמצעות scaler מיקרוchannel (59).
      הערה: מגבר הקדם (56) ומערבל המיקרו-ערוצים (59) מאפשרים המשך הקריאה של גלאי ה-MCP בזמן שנפתר. אשכולות היונים והscaler מופעלים על ידי מודול ההדק (24). האות scaler מושגת באמצעות ממשק משתמש Labview (60). זנב הריקבון האקספוננציאלי של כ 10 מיקרו שניות חיים הופך להיות גלוי לאחר אשכולות יון, המתאים הריקבון של תוריום איזואריק.

השיטה שתוארה לפני המותר עבור החילוץ של α מוצרים ריקבון ממקור 233U ממוקם בתוך תא מאגר לעצור גז, מופעל על ca. 30 באולטרה גז הליום טהור בטמפרטורת החדר. בפעם הראשונה עד יוני טעונה מטריקלי יכול להיות מופק ממכשיר כזה עם יעילות גבוהה29. איור 3a מציג את הספקטרום ההמוני של יונים שחולצו מתא הגז מאגר, מציג שלוש קבוצות של 233U α-מוצרים להירקב (בתוספת ליווי מזוהם) ב ביחידים, כפליים מחויב מדינות יוני. ראוי לציין הוא שליטה של 229Th3 + החילוץ בהשוואה 233U3 +, בעוד שני המינים מופקים עם בעוצמה שווה כאשר טעונה כפול. עובדה זו שימש למדידות השוואתית עם 233U יונים, אשר אפשרה הדרה של כל השפעה יונית כמקור אות.

איור 3 : זיהוי הדעיכה הישירה של ה229-תוריום איזומר. a) סריקת מסה להשלים שבוצעה עם 233U מקור 129. היחידות ניתנות כמסה אטומית (u) באמצעות מטען חשמלי (e). ב) השוואת אותות MCP שהתקבלו במהלך הצטברות של תוריום ואורניום ב -2 + ו 3 + מדינות התשלום (כפי שמצוין על-ידי החיצים המקשרים לסריקת ההמונים). 233 אתה ומקורות 234U שימשו (מספר המקור ניתן בצד הימני של כל שורה). כל תמונה מקבילה למדידה בודדת של 2,000 s זמן האינטגרציה (צמצם קוטר 20 מ"מ המצוין על-ידי העיגול המקווקו). מדידות בוצעו ב-25 וולט במתח משטח ה-MCP על מנת להבטיח נחיתה רכה על היונים. ג) האות של הריקבון ה229 של איאיזואריק שהושג במהלך 229Th3 + החילוץ עם מקור 1. מושגת קוטר של שטח האות של כ-2 מ"מ. עוצמת האות המתקבלת מקסימלית היא 0.08 ספירות/(s mm2) בקצב רקע של כ 0.01 ספירות/(s mm2). עם אישור מהסוג של. שפרינגר מחקר 11 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

לאחר הובלה, צינון והפרדה המונית, קרן היונים מצטמצמת אל פני השטח של גלאי מיקרוערוץ-צלחת, שבו פוטנציאל משטח מושך נמוך מבטיח את דיכוי אותות ההשפעה היונית ומשאיר רק אלקטרונים הנובעים מן הפנים המרה (IC) הערוץ הריקבון של 229mTh איזוer להיות מוכפל בשדה חשמלי חזק של ערוצי לוחית הגלאי. אותות ה-MCP המתקבלים כפי שהושגו עבור שלושה מקורות אורניום שונים מוצגים באיור 3b. מינים היונים של יונים מואשמים כפליים או מטריפי שנבחרו בעזרת מפריד המוני הקוטב השני בכל מדידה בודדת מצוין על ידי החיצים מהחלונית העליונה. מוצגים תמונות שנרכשו עם מצלמת CCD מאחורי המסך פוספור, שעליו האלקטרונים מ-MCP היו מואצת. שדה התצוגה של מצלמת CCD מצוין על ידי עיגולים מקווקו עבור שלישיה (שתי העמודות הראשונות) וטעונה כפליים (שתי העמודות האחרונות) 229Th ו 233U יונים, בהתאמה. השורה העליונה מייצגת את התוצאה המתקבלת עבור מקור אזור קטן 233U (ca. 1000 שחולצו 229Th3 + יונים לשנייה, מקור 1), בעוד השורה התחתונה מראה את אותו דבר עבור מקור חזק יותר עם ca. 10,000 שחולצו 229Th3 + יוני לשניה (מקור 3). ברור כי בשני המקרים אות ברור מתקבל עבור 229Th, בעוד שאין אינדיקציה לאות אלקטרון הוא נצפתה עבור 233U 11. על מנת להוכיח כי אות זה אכן מקורו של מקור גרעיני ולא מתהליך פגז אטומי, השורה האמצעית מראה את תמונת המצלמה שנוצר בעת שימוש במקור 234U, שבו ריקבון α מאכלס איזוטופ השכנה 230 Th, עם מבנה גרעיני מדומה, ועם זאת שונה. כצפוי עבור 230Th, אין אינדיקציה המרה אות אלקטרון נמצא באף אחד מהמקרים שנחקרו. אז את האות חזק, מוצג באיור 3 ג עם יחס אות אל רקע מעולה, הוא בבירור בקורלציה עם הדעיכה של 229mTh.

מדידות אימות נוספות התומכות בפרשנות זו מוצגות באיור 4. הם מראים שתי מדידות כדי לתת ראיות נוספות כי אותות אלקטרונים רשומים אכן מקורם הריקבון של איזוer גרעינית: באיור 4a זה מראה כי הפוטנציאל משטח אטרקטיבי של גלאי ה-MCP היה מגוון מ-100 V ( להעדיף את התרחשות של אלקטרונים מפני השפעה יונית) עד 0 V, השוואת שיעורי הרוזן הרשומים עם MCP עבור שחולצו 229Th2 + (אדום) ו 233U2 + יונים (כחול). ברור שיעור הספירה יורדת לאפס עבור 233U2 + כאשר מבינים "נחיתה רכה" של יונים נכנסות עם מתח פני השטח מתחת Ca.-40 V, בעוד שיעור מספר ניכר נשאר עבור 229Th2 + עד הסף של 0 V. באיור 4b, העקומה הכחולה מראה את שיעור ספירת האלקטרונים הרשומים ליונים שחולצו לאחר האצת חזקה לכיוון משטח הגלאי של MCP עם-2000 V. ההשפעה היונית של 233U2 + ו 229Th2 + יונים הוא נצפה בעוצמה שווה, כפי שכבר מוצג עבור יונים שחויבו כפליים בספקטרום ההמוני של איור 3a. העקומה האדומה מראה את אותו התרחיש, אך כעת עבור "נחיתה רכה" של יונים נכנסות עם משטח של 25 וולט ביכולת המשטח. אין אינדיקציה לאות ההשפעה יונית של 233U2 + הוא גלוי יותר, ואילו עבור 229Th2 + אות נשאר, שמקורם המרה איזואריק הפנימי ריקבון11.

איור 4 : מדידות אימות איזומר. a) 229Th2 + האות (אדום) לעומת 233U2 + (כחול) כפונקציה של מתח משטח MCP. שגיאות מסומנות ברצועות מוצללות. ב) אות של יונים שחולצו כפונקציה של יחס מסה לתשלום מאחורי QMS עבור מתח משטח MCP של-25 וולט (ריקבון איזוer, אדום) ו-2,000 V (השפעת יון, כחול). שים לב לזמני האינטגרציה ולסולמות הצירים השונים. בנוסף לאות ב 114.5 u/e (המתאים 229Th2 +), אות נוסף ב 117.5 u/e מתרחשת, אשר מקורו הריקבון איזואריק של 235u. עם אישור מהסוג של. שפרינגר מחקר11 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

כך, זה יכול להיות מוכח באופן משמעי (יחד עם ארגומנטים נוספים שניתנו Ref. 11) כי האות נצפתה באיור 4 מקורו הריקבון איזואריק של 229mTh ומייצג את הזיהוי הישיר הראשון של הריגוש של איזומר זה חמקמק.

לאחר מכן החילוץ מקוטע-השבב הופעל כמלכודת פול לינארית כדי ליצור קרן יון מחורץ, ובכך לאפשר מדידות לכל החיים של תוריום איזומר. מאז החדר שלנו טמפרטורה גבוהה ואקום אינו מאפשר פעמים אחסון ארוך מספיק כדי לחקור את תוחלת החיים צפוי הקרינה של עד 104 שניות, רק מגבלה נמוכה יותר של t1/2 > 1 דקה יכול להיות נגזר על טעונה 229mTh יונים, מוגבל על-ידי הזמן המקסימלי לאחסון השגה במלכודת הלינארית של פול11. עם זאת, באמצעות אסטרטגיית זיהוי זהה כפי שהוחל לפני הזיהוי של ריקבון איזוer לאחר ניטרול של יוני תוריום על פני השטח של גלאי MCP, החיים הצפויים הרבה יותר קצר עבור אטומי 229mנייטרלי שעברו ריקבון המרה פנימי מספק גישה מידע לכל החיים12. איור 5a מראה את הצורה הצפויה של ספקטרום הזמן דעיכה כמו מדומה לקבוצת יונים עם רוחב הדופק של 10 μs. בעוד עקומת אדום מציין את אות ההשפעה יונית ואת האות מתוך ריקבון מעריכי עם 7 μs מחצית החיים מיוצגת על ידי עקומת אפור עם זנב ריקבון ארוך, האות הצפוי מפני הריקבון של תוריום איזוer, מורכב הן ההשפעה יונית ואת e . מומחש בעיקול הכחול איור 5b מציג את תוצאת המדידה המתאימה עבור 233U3 + (אדום) ו 229Th3 + (כחול), בהתאמה. בעוד שיוני אורניום מציגים את אות ההשפעה היונית שלהם בלבד, עבור 229-תוריום באופן ברור הזנב הצפוי של ריקבון איזוer ניתן לצפות12.

איור 5 : השפעה מדומה ומוערכת של ההשפעה הטמפורלית ואת מאפייני ריקבון. a) הדמיית מאפייני זמן ריקבון איזוer של האשכולות 229Th. הסימולציה מבוססת על צורת חבורה נמדד ההנחה כי 2% יוני 229הם במדינה איזואריק עם מחצית חיים של 7 μs לאחר ניטרול. יעילות זיהוי האלקטרונים היא ההנחה הגדולה פי 25 מאשר יעילות זיהוי היונים. ב) מדידה של הריקבון איזואריק עם 229 מחורצים (m)Th3 + קרן יון (כחול). מדידה השוואתית עם 233U3 + מוצג באדום. עם אישור מהסוג של. החברה האמריקנית לפיסיקה12 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

מתאים את זנב הריקבון עם מעריכי (המתאים להתאמה ליניארית לייצוג לוגריתמי באיור 6) לבסוף התוצאות במחצית החיים של 229mהנייטרלי הרגיל של 7 (1) μs12. ערך זה יפה מסכים עם הפחתת הזמן התיאורטי צפוי החיים על ידי תשע הזמנות של סדר גודל מ-ca. 104 שניות במקרה של איזוer טעונה בשל מקדם המרה גדולה של αIC ~ 109 37.

איור 6 : להתאים 229m עקומת הדעיכה. העלילה לוגריתמית של מאפייני ריקבון הזמן עבור 229 (m)th2 + יונים (א) ו- 229(m) th3 + יונים (ב) יחד עם עקומת התאמה להחיל לחלץ את החיים מחצית איזואריק של 229mTh לאחר החיוב שילוב חוזר על משטח הגלאי של MCP. עם אישור מהסוג של. החברה האמריקנית לפיסיקה12 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

. למחברים אין מה לגלות