Name: 229mThの研究のための同位位板純粋な229Thイオンビームの準備 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-03T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 42 s
Description: 学ぶ、ウラン-233から同位体純粋なトリウム-229イオンビームを生成する手法。低エネルギー核励起状態の研究と内部変換寿命測定に応用され、核時計開発に貢献する重要な技術です。

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

著者は何も開示していない。

ウラン中の反動α崩壊娘核の範囲は約16nmに過ぎない。所定のソース活性に対するα反動イオンのソースの高効率を達成するためには、ソース材料の厚さをこの範囲に制限することが必須である。α反動抽出効率は、緩衝ガスセルの清浄度の影響を強く受ける。停止ガスの汚染は、電荷交換または分子形成につながります。したがって、ガスセル自体は、特にセルの焼成を可能にし、内部の有機材料を回避するために、超高真空基準に従って構築する必要があります。停止ガスは、触媒精製によって支援される最高級のガス純度から始まり、極クリーンなガス供給ラインを介してガスセルに送達され、部分的に極低温トラップに囲まれて、技術の最先端に従って精製する必要があります。不純物を凍結する。一般に、ガスセル抽出ノズルの位置に完全なセットアップの中心軸の慎重な位置合わせは、高い輸送および検出効率29を達成するために不可欠である。
ステップ 1.4.5 は、プロトコルの中で最も重要です。効率的なイオン抽出のためには、高いRF振幅を漏斗リング電極に適用する必要があります。ただし、振幅が高すぎると、ガスセルに火花が発生します。最大達成可能なRF電圧振幅は、バッファガスの純度に大きく依存します。電圧の正常な適用は漏斗オフセット電圧の電流によって監視される。この電流は火花の場合に増加します。火花が発生した場合は、最高のイオン抽出効率を保証するためにベークアウト手順を繰り返す必要があります。
さらに重要な点は、高電圧をMCP検出器(ステップ1.6.2-1.6.4)に適用することです。フィールド放出はMCP上で起こり、電子の放出につながり、実際の信号につながる可能性があります。
検出部に向かって最適なイオン抽出と(冷却および質量精製)輸送は、中央光軸の慎重な位置合わせを必要とする。光学アライメントシステム(アライメントレーザーまたはテオドライト)の可用性は不可欠です。抽出RFQおよびQMSを介した効率的なイオン輸送は、ロッド29の各反対対に適用される2つの反対相に対して無線周波数振幅の連続的な安定化を必要とする。抽出または輸送の問題の同定は、例えば、試運転段階の間にイオン経路に沿って異なる位置に連続して配置されたマルチチャネルプレート検出器を介して実現されたイオン診断によって容易化することができる。セットアップ、または代わりに、例えば、高負表面電圧(1-2 kV)で抽出RFQの背後にある90o以下で、検出器に向かってすべての抽出されたイオンを引き付けます。
操作中は、通常、2 つの問題が発生する可能性があります。すべての電圧が正しく適用されているわけではありません。この場合、通常はイオンが抽出されず、正しく印加されていない電圧の場所を見つける必要があります。また、ヘリウム緩衝ガス中に不純物が存在する。この場合、三つ子に帯電したトリウムイオンの抽出効率が大幅に低下し、分子形成が起こります。最悪の場合、漏斗電圧が印加されると火花も現れます。ガス純度が不十分な理由は、典型的には、ガス供給ラインの漏れまたはバッファガス停止セルのフランジが適切に閉じていないためです。
エネルギー的に低い229mTh異性ソーマーを含むイオンのクリーンビームを生成する記載の方法は、目的のイオンをかなりの量で緩衝ガス雰囲気から抽出することができるすべての同等の場合に適用することができる。ガスセル及び緩衝ガスの清浄度は必須であり、従って残存ガス不純物の量は、方法の感度に制限される。採用されたマイクロチャネルプレート検出器(MCP)は電子の検出に基づいていますが、低エネルギー変換電子の登録のためにここで利用されているように、このケースはすでにMCP38の効率曲線の低エネルギー境界にあります。一方、より高いエネルギーのために方法は、検出効率を大幅に向上させるだろう。
これまでのところ、記載された方法は、トリウムの脱励の直接的かつ明確な同定を提供している。あるいは、真空紫外線(VUV)透明結晶(大きなバンドギャップを持つ、単体の想定励起エネルギーを超える)は、229Thでドープされる。目標は、229Thイオンを高(4+)電荷状態の結晶格子位置に置き、大きなバンドギャップによる脱励を抑制し、シンクロトロン光源からのX線を用いた異性光の励起を目指す。このアプローチのエレガントな概念にもかかわらず、これまでのところ、世界中のいくつかのグループによって報告された一連の実験でVUV蛍光は観察されなかった39、40、41、42、43.同じことは、いわゆる電子ブリッジ遷移を用いて、229Thの電子シェルを介して対外性の核励起を実現することを目指す実験のクラスのためにも保持されます。ここでは、電子シェル遷移と核同体性体との間の共振結合は、より効率的な対性体集団44,45を可能にする必要があります。双質特性の調査を目的とする他の実験は、微小カロリーメトリー46または原子シェル47における超微細シフトの観察に基づいている。ごく最近、レーザー誘導プラズマ中の対性体を励起する別の方法が48と報告され、コミュニティ内で科学的な議論の対象となっている。
トリウム発体11の内部変換減衰チャネルの発見と、対応する半減期の決定を229m Th(7(1)μs)12の決定により、将来的に初の全光学を実現できる。既存の技術に基づいて脈打ち、作り上がったVUVレーザーが付いている励起。したがって、これは励起エネルギーのはるかに良い知識を必要とし、対応するカスタマイズされたレーザー開発を回避することができるという現在のパラダイムを回避することができます。対照的に、内部変換電子放出の知識を利用して、レーザーパルスで変換電子の検出をゲーティングすると、高い信号対バックグラウンド比を提供し、3未満で1eVの励起エネルギーのスキャンを可能にします。日49.また、発賛体の励起エネルギーの判定は、現在進行中であり、IC減衰電子を遅滞のある磁気ボトル電子分光計に送ることによって229mThビームを生成する記載の方法に基づくことができます。フィールド電極グリッド50.同じ技術はまた、異なる化学環境(例えば、CaF 2または凍結アルゴンのような大きなバンドギャップ材料上)または229Th+および自由で中性原子の異性化寿命を決定することを可能にします。
3+電荷状態の等位性純粋なトリウムイオンビームを生成する記載された方法は、将来のレーザー分光実験実験のためにトリウムイオンを提供するツールとして使用することができる。この場合、イオンビームを使用して、ポールトラップを安定した効率的な方法でロードできます。これまでのところ、唯一の代替方法は、固体ターゲットからのレーザーアブレーションによって229Th3+を生成することです。しかし、これは高価な放射性物質であり、使用済みの真空成分の汚染につながる高いレーザー強度と229 Thの大量を必要とします。このため、記載された方法は、核レーザー分光実験に関しては大きな利点とすることができる。このタイプの最初のアプリケーションは既に51が公開されています。

229mThと表されるトリウム-229核の最初の励起形状態は、現在知られているすべての核励起エネルギーの中で最も低い核励起エネルギーを有する176,000の核興奮状態を有するとして、核の風景の中で特別な位置を示す。一般的な原子力エネルギーはkeVからMeV地域まで及ぶが、229m Thは原子力地上1、2、3の上の10eV以下のエネルギーを有する。 この状態で現在最も受け入れられているエネルギー値は 7.8(5) eV4,5です。この低エネルギー値は、異なる物理的なコミュニティからの関心を引き起こし、いくつかの興味深いアプリケーションの提案につながりました。その中には、核レーザー6、量子コンピューティング7のための非常に安定した量子ビットと核時計8、9があります。
229mThが幅広い用途を提供することが期待される理由は、その異常な低エネルギーのために、現在利用可能なレーザーを使用して直接核レーザー励起を可能にする唯一の核状態であるという事実に基づいています。技術。しかし、これまでのところ、229mThの直接核レーザー励起は、その正確なエネルギーと寿命のような転移状態のパラメータの不十分な知識によって防がれた。229Thの低エネルギーの核励起状態の存在は1976年10年に既に推測されたが、この状態に関するすべての知識は間接的な測定からしか推測できず、その崩壊の正確な決定を可能にしなかった。パラメーター。この状況は2016年以来変わりました, 229mThの崩壊の最初の直接検出は、励起状態のパラメータ11,12を固定することを目指して測定の多数のためのドアを開いたときに.ここでは、2016年の実験で達成された229mThの直接検出に必要な個々のステップを説明する詳細なプロトコルが提供される。この直接検出は229mのエネルギーおよび寿命の精密な決定のための基礎を提供し、従って核時計の開発のための。以下では、229mThの最も重要なアプリケーションとしての核時計の概念について議論する。
ΔE/E~10-20の相対線幅を有するトリウム変質の地上遷移は、核周波数標準(「核時計」)8、9の対象となる可能性がある。原子核は原子シェルに比べて約5桁小さいため、核モーメント(磁気ダイポールと電気四重極)は原子の原子に比べて小さく、核時計は外部に対して大部分が免疫を持つ。(現在の最先端の原子時計と比較して)摂動。従って、核周波数標準は非常に安定した、正確な時計操作を約束する。現在の原子時計の精度は約2.1x10-1813に達しますが、宇宙の時代よりもかなり長い期間で1秒の偏差に対応し、核時計はさらなる可能性を秘めています。アプリケーションの広大な分野に不可欠になる可能性のある改善。全地球測位システム(GPS)、グローバルナビゲーション衛星システム(GLONASS)、ガリレオなどの衛星ベースのナビゲーションシステムは、現在数メートルの測位精度で動作します。これがセンチメートルまたはミリメートルのスケールに改善することができれば、自動運転から貨物やコンポーネントの追跡にまで、多くのアプリケーションが想定される可能性があります。非常に正確なクロックに加えて、このようなシステムは、長い再同期間隔を確保する長期的なドリフト安定性を備えた、信頼性の高い中断のない動作を必要とします。核時計の使用は、この実用的な観点から有益であることが判明する可能性があります。核時計の(同期ネットワーク)のさらなる実用的なアプリケーションは、クロックが3D重力センサとして機能する相対論的測地14の分野にあり、局所的な重力電位差ΔUを測定(相対)に関連する可能性があります。クロック周波数差 Δf/f の関係を介して Δf/f (光の速度を示す c)最高の現在の時計は約±2 cmの高さの差から重力シフトを感知することができる。したがって、核時計ネットワークを用いての超精密測定は、火山マグマ室またはテクトニックプレートの動き15のダイナミクスを監視するために使用することができる。また、このようなクロックネットワークの利用は、理論的に記述されたトポロジ的暗黒物質16のクラスを探索するツールとして提案された。微細構造定数の潜在的な時間変動の検出を求める229mThベースの核時計の応用に関する文献で広範な議論が見出され、微細構造定数または強い相互作用パラメータ(mq/ΔQCD、クォーク質量を表すmqと強い相互作用のスケールパラメータを表すΜdを伴う)は、いくつかの理論で他の相互作用と重力を統一する17。229mThの地上状態遷移エネルギーの時間変動の検出は、微細構造定数または強い相互作用パラメータの時間的変動に対して約2〜5桁の感度を高めることができる18,19,20,21,22,23,24,25,26.このような変動の現在の実験限界は(dα/dt)/α=-0.7(2.1)10-17/yr27に相当する。以下では、229mの地上状態崩壊の直接検出に対する実験的アプローチについて説明する。
最近まで229-トリウム異性体の存在を示唆する証拠は、間接測定からのみ推測することができ、7.8(5)eVの励起エネルギー(160(11)nmの真空超紫光スペクトル範囲の波長に相当)を示唆した4,5.我々の実験的アプローチは、229m Thの対性体外来の対方分解の直接的な同定を目指し、バッファーガス停止セルにおける性同一母集団の空間的分離に基づいて構築され、その後抽出が続く。および脱興奮産物28、29を登録する適切な検出ユニットに向かって大量分離された輸送。したがって、分母性体の集団および脱興奮は、迅速な背景寄与の影響を受けずに、クリーンな測定環境をもたらす可能性がある。異母体の集団は、放射性233U源からのα減衰を介して達成され、2%の崩壊枝は229Thの地盤状態に直接進むのではなく、代わりに異体最初の励起状態に入る。α-減衰反動核は、緩衝ガス停止セルの超純粋なヘリウム雰囲気で熱化され、その前に、新たな超音速ガスジェットが引きずり込まれる抽出ノズルに向かって電気無線周波(RF)および直流(DC)フィールドによって導かれる。隣接する真空チャンバにそれらを、イオンガイド、位相空間クーラーとして機能する(セグメント化された)無線周波数四重極(RFQ)構造を収容し、抽出されたイオンを束ねるための線形ポールトラップとしても可能性がある。バッファーガス停止セルおよび抽出 RFQ の詳細については、Refs を参照してください。30歳,31歳,32.抽出されたイオンビームが229(m)Thに加えて含まれている瞬間まで、α崩壊娘製品のチェーンも含まれているので、その後の真空チャンバ内の四重質量分離器(QMS)を用いて質量分離が行われる。選択可能な電荷状態(q=1-3)で同位位板純粋な229(m)Thビームを生成します。QMS の詳細については、Refs を参考にしてください。33歳,34.電子が解放され、蛍光体スクリーンに向かって加速され、電荷結合デバイス(CCD)によって見られるマイクロチャネルプレート検出器(MCP)の表面に直接Thイオンを衝突させ、微方性崩壊の検出を達成した。カメラ。実験セットアップの概要を図 1に示します。詳細な説明については、Ref.35を参考にしてください。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig1.jpg"> 図 1: 実験セットアップの概要。トリウム-229の一体型は、ウラン-233のα崩壊部の2%減衰分岐を介して移入される。229メートルThイオンは、その運動反動エネルギーに起因して233U源を残し、30mbarヘリウムガスで満たされた緩衝ガス停止セルで熱化される。イオンはRFおよびDC分野の助けを借りて停止容積から抽出され、低エネルギーイオンビームは無線周波数四重極(RFQ)の助けを借りて形成される。イオンビームは四重極質量セパレータ(QMS)の助けを借りて質量精製され、イオンはマイクロチャネルプレート(MCP)検出器の表面に柔らかく埋め込まれ、蛍光体スクリーンと組み合わせることで、空間的に解決された検出が可能になります。発生する信号。スプリンガー・リサーチの親切な許可を受けて、この数字は11から変更されました。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig1large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
以下のプロトコルは、トリウムの地盤状態崩壊の最初の直接検出を可能にした229(m)Thイオンビームを生成するための基礎となる手順を説明し、したがって、その崩壊特性を研究するための基礎を築くこのエキゾチックな核状態の全光学制御を、超精密核周波数規格としての応用に向けて最終的に想定した前提条件。より良い向きのために、異性体崩壊11の直接検出に使用されるセットアップの概略図の概要が図2に提供され、以下のプロトコルで対処される成分の数値標識を含む。また、寿命判定12に用いられる成分は、インセットとして含まれる。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig2.jpg"> 図2:異性体崩壊検出に用いられる実験設定の概略図。寿命測定に使用される成分は、インセットとして表示されます。プロトコルセクションで参照される個々のコンポーネントには、数値的にラベル付けされています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig2large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

<table><tbody><tr><td>ウラン233出典</td>研究所<td>f&uuml;r 放射線化学大学&auml;マインツ</td>は<td>、直径90mmのRFファンネルに堆積した290kBqのU-233</td><td>をカスタマイズし</td></tr>ました <tr><td></td><td>Secamus Laserschneidtechnik GmbH</td>は<td>、50リング電極をカスタマイズし、レーザーカットされ、電解研磨されました</td><td></td></tr><tr><td>緩衝ガス停止セル</td><td>LMUミュンヘンのワークショップ</td> 緩<td>衝ガス停止セル用にカスタマイズされた真空チャンバーDN200 CF</td><td></td></tr><tr><td>荒削りポンプ</td><td>ライボルト</td><td>スクリューラインSP 250</td>全体の<td>荒削りポンプシステム</td></tr><tr><td>荒削りポンプ制御</td><td>シーメン</td>ス <td>マイクロマスター 420</td><td>スクリューライン用制御ユニット SP 250</td></tr><tr><td>真空計 予圧</td><td>ファイファー</td><td>TPR 265</td><td>粗引きポンプ用圧力制御</td></tr><tr><td>真空計セル 1</td><td>ファイファー</td><td>CMR 261</td><td>セルの圧力制御 (高圧範囲)</td></tr><tr><td>真空計セル 2</td><td>ファイファー</td><td>PBR 260</td><td>セルの圧力制御 (低圧範囲)</td></tr><tr><td>真空計 RFQ</td><td>ファイファー</td><td>PKR 261</td><td>RFQ圧力読み出し用圧力制御</td></tr><tr><td>圧力計 QMS</td><td>ファイ</td><td>ファーPKR 261</td><td>QMS圧力読み出し用圧力</td></tr><tr><td>制御 圧力制御ユニット</td><td>ファイ</td><td>ファーTPG 256 A</td><td>全圧力計用制御ユニット</td></tr><tr><td>制御用PC 1</td><td>富士通</td><td>不明</td><td>バッファガス用制御コンピュータ</td></tr><tr><td>CPU搭載セル停止用</td><td>シーメン</td><td>ス S7-300</td><td>自動化・制御用シーマチック</td></tr><tr><td>CPUなしのシーマチック</td><td>シーメン</td><td>スET 200M</td><td>自動化・制御用シーマチック</td></tr><tr><td>真空バルブ</td><td>SMC</td><td>XLH-40</td><td>排気制御用真空バルブ</td></tr><tr><td>UHVゲートバルブ</td><td>VAT</td><td>48240-CE74</td><td>運転</td></tr><tr><td>中のセル閉鎖用ゲートバルブターボ分子ポンプ 1</td><td>ファイファー</td><td>TMU 400M</td><td>セル用ターボポンプ</td></tr><tr><td>TMP用コントロールユニット 1</td><td>ファイ</td><td>ファーTCM 1601</td><td>TMP用コントロールユニット TMU 400M</td></tr><tr><td>ターボ分子ポンプ 2</td><td>ファイファー</td><td>HiMag 2400</td><td>RFQ用トゥルーボポンプ</td></tr><tr><td>ターボ分子ポンプ 3</td><td>エドワーズ</td><td>STP 603</td><td>QMS用トルボポンプ</td></tr><tr><td>TMP用コントロールユニット 3</td><td>エドワーズ</td><td>SCU-800</td><td>TMP用コントロールユニット Edwards STP 603</td></tr><tr><td>ガスチューブのバイパスバルブ</td><td>Swagelok</td><td>SS-6BG-MM</td><td>マスフローコントローラーをバイパスするバルブ</td></tr><tr><td>ヒーティングスリーブ</td><td>Isopad</td><td>カスタマイズ</td><td>セルおよびRFQからのベークアウト用ヒーティングスリーブ</td></tr><tr><td>温度センサー</td><td>Isopad</td><td>TAI/NM NiCrNi</td><td>ベークアウトシステム用温度センサ</td></tr><tr><td>ヒーティングコントロールユニット</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td><td></td><td>カスタマイズされたIsopad加熱スリーブ用コントロールユニット</td></tr><tr><td>触媒ガス清浄機</td><td>SAES MonoTorr</td><td>PS4-MT3-R-2</td><td>超高純度ヘリウム供給用ガス清浄器</td></tr><tr><td>Heガスボンベ</td><td>エアリキード</td><td>He 6.0、50リットル</td><td>純度99.9999%のヘリウム</td></tr><tr><td>減圧器</td><td>Druva</td><td>FMD 502-16</td><td>Heガスボンベ用減圧器</td></tr><tr><td>ガス供給用バルブ</td><td>スウェージロック</td><td>SS-6BG-MM</td><td>ガス供給を開閉するバルブ</td></tr><tr><td>マスフロー制御</td><td>AERA</td><td>FC-780CHT</td><td>マスフロー制御バルブ He 供給</td></tr>用<tr><td>マスフロー制御ユニット</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td><td>カスタマイズ</td><td>AERAマスフローコントロール用制御ユニット</td></tr><tr><td>ガスチューブ</td><td>ドックワイラー</td><td>ウルトロン</td><td>電解研磨ガスチューブ He 供給</td></tr><tr><td>用 極低温トラップ</td><td>He浄化のための等温未知の</td><td></td><td>極低温トラップ(オプション)</td></tr><tr><td>ソース用DC電圧供給</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td><td></td><td>U-233ソース用のカスタマイズされたDCオフセット電圧供給</td></tr><tr><td>ファンネル用DC電圧供給</td><td>ハインツィン</td><td>ガーLNG 350-6</td><td>ファンネルのDC勾配用電源</td></tr><tr><td>RFQ用DC電圧供給</td> ファンネルオフセット、ノズル用のイ<td>セグ</td><td>未知の</td><td>DC電圧供給およびRFQ</td></tr><tr><td>ラバルノズル</td><td>Friatec AG</td><td>は</td><td>、彼とイオン抽出のためのラヴァルノズル</td></tr>をカスタマイズし、<tr>バンチャーハ<td>インツィン</td><td>ガーLNG 350-6</td>用<td>DC電圧供給</td>、<td>バンチング電極用</td></tr><tr><td>DC電源、トリガーモジュール</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td>、<td>バン</td><td>チ操作用カスタマイズ</td></tr>、<tr><td>ファンネル用RFジェネレーター</td><td>、スタンフォードリサーチシステム</td><td>SRS DS 345</td><td>漏斗用RF発電機</td></tr><tr><td>漏斗用RFアンプ</td><td>電子ナビゲーション産業</td><td>ENI 240L-1301</td><td>漏斗用RF増幅器</td></tr><tr><td>漏斗用RF位相分周器</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td><td>ファンネル用RF位相分周器</td>を<td>カスタマイズ</td></tr><tr><td>RF + DC&nbsp;漏斗用ミキサー</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td> 漏<td>斗電圧</td><td></td></tr><tr><td>用の電圧分圧器とRF + DCミキサーをカスタマイズLMUミュンヘンの抽出RFQ</td><td>ワークショップ</td><td></td>カスタマイズ <td>イオンビーム形成または貯蔵のための抽出RFQ</td></tr><tr><td>RFQ</td>スタン<td>フォード研究システム</td><td>SRS DS 345</td><td>RFQのためのRF発電機</td></tr><tr><td>RFQのためのRFアンプ</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td><td></td><td>RFQ</td></tr>のためのRFアンプ <tr><td>バンチ電極のためのRFアンプ</td>をカスタマイズした <td>LMUミュンヘン</td><td></td><td>の電子ワークショップバンチ電極用RF</td></tr><tr><td>アンプ RFQ用RF + DCミキサー</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td><td>カスタマイズ</td><td>RFQ電圧のRF電位とDC電位を混合します RFQ出口</td></tr><tr><td>電極</td><td>LMUミュンヘンのワークショップ</td><td>差動ポンピング用の直径2mmの出口開口部</td><td>をカスタマイズし</td></tr>ます <tr><td>4チャンネルDC電源</td><td>Mesytec</td><td>MHV 4</td><td>DCオフセット 絞りと三極管用4 DCオフセット</td></tr><tr>LMUの<td>QMS</td><td>ワークショップミュンヘン</td>は<td></td><td>、m / q選択用の四重極質量分離器</td></tr>をカスタマイズしました <tr><td>ブルベイカーDCオフセットモジュール</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td> QMS QMS DCオフセットモジュールの<td>ブルベイカーレンズ用にカスタマイズされたDCオフセット供給</td><td></td></tr><tr><td></td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td> QMS <td></td> USB-アナログコンバーターEA Elektro-Automatik UTA12用にカスタマイズされた<td>DCオフセット供給</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>QMS HVの信号を生成するシフター</td></tr><tr><td>QMS HVシフター</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td>は、<td>QMS DCモジュールの電圧をシフトするために</td><td>カスタマイズ</td></tr><tr><td>LMU</td><td>ミュンヘンの電子ワークショップ</td><td></td> カスタマイズされた<td>モジュールは、</td></tr><tr><td>QMS RF発電機のQMS RF発電機</td><td>Tektronix</td><td>AFG 3022B</td><td>RF発電機 QMS</td></tr>の<tr><td>RFアンプ</td><td>LMUミュンヘンの電子ワークショップ</td><td></td><td>QMS用RFアンプ</td></tr><tr><td>Picoスコープ</td><td>ピコテクノロジー</td><td>Picoscope 4227</td><td>QMS用オシロスコープ RF制御</td></tr><tr><td>制御PC 2</td><td>富士通</td><td>エスプリモP900</td><td>QMS</td></tr><tr><td>三極管抽出システム</td>用制御コンピュータ <td>LMUミュンヘンのワークショップ</td><td></td>カスタマイズ <td>イオンを導くための3つのリング電極のセット</td></tr><tr><td>MCP検出器</td><td>ビームイメージングソリューション</td><td>BOS-75-FO</td><td>MCP用蛍光体スリーン付きMCP検出器</td></tr><tr><td>MCP用DC電圧供給</td><td>ケースレー・インスツルメンツ</td><td>HV電源 246</td><td>MCP前面用電圧供給 MCP</td></tr><tr><td>CMTE(NIMモジュール)</td><td>用DC電圧供給</td> <td>HV 3160</td><td>MCP裏面</td></tr><tr><td>用電圧供給 MCP</td><td>用DC電圧供給 フルーク</td><td>HV電源 410B</td> 蛍光体再生CCDカメラ<td>用電圧供給</td></tr><tr><td></td><td>PointGrey</td><td>FL2-14S3M-C</td><td>画像記録用CCDカメラ</td></tr><tr><td>制御PC 3</td><td>富士通</td><td>エスプリモP910</td><td>CCDカメラ用制御コンピュータ</td></tr><tr><td>LMUミュンヘンの軽量ハウジング LMUミュンヘンのワークショップ</td><td>カスタマイズ</td><td>CCDカメラ用の軽量木箱</td><td></td></tr><tr><td>LN2供給用デュワー</td><td>アイソサーム</td><td>不明</td> ベン<td>ト用の乾燥窒素を供給するデュワー</td></tr><tr><td>LN2用蒸発器</td><td>LMUミュンヘンのワークショップ</td><td>カスタマイズ</td><td>乾燥窒素を供給する蒸発器</td></tr><tr><td>単一陽極MCP検出器</td><td>浜松</td><td>F2223</td><td>lilfetime測定用シングル陽極MCP</td></tr><tr><td>MCP用DC電圧供給</td><td>フルーク</td><td>HV電源 410B</td><td>MCP陽極用電圧供給</td></tr><tr><td>プリアンプ用電源</td><td>Delta Elektronika</td><td>E 030-1</td><td>プリアンプ用電源</td></tr><tr><td>MCP信号用プリアンプ</td><td>Ortec&nbsp;</td><td>VT120A</td><td>MCP信号用プリアンプ</td></tr><tr><td>MCP信号用アンプ</td><td>Ortec(NIMモジュール)</td><td>Ortec 571</td><td>MCP信号用アンプ</td></tr><tr><td>CFD</td><td>キャンベラ</td><td>1428A</td><td>MCP信号用定分数弁別器</td></tr><tr><td>マルチチャンネルスケーラー</td><td>スタンフォードリサーチ</td><td>SR430</td><td>信号読み出し用マルチチャンネルスケーラー</td></tr><tr><td>制御PC 4</td><td>富士通</td><td>エスプリモ P920</td><td>スケーラー読み出し用制御コンピュータ</td></tr><tr><td>Labview</td><td>ナショナルインスツルメンツ</td><td>各種バージョン</td><td>測定制御に用いるプログラム</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks Inc.</td><td>バージョン 7.0</td><td>データ分析に使用するプログラム</td></tr></tbody></table>

229mthの研究のための同位位板純粋な229thイオンビームの準備

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

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

前述の方法は、緩衝ガス停止セル内に置かれた233U源からのα減衰産物の抽出を可能にし、室温でca.30mbar超純粋ヘリウムガスで作動させた。三重に充電されたイオンまで初めて、高効率29のこのような装置から抽出することができた。図3aは、緩衝ガスセルから抽出されたイオンの質量スペクトルを示し、233U α-減衰産物(プラス付随する汚染物質付)の3つの群を、二重に、三重に帯電したイオン状態で示す。注目すべきは、233 U3+と比較して229Th3+抽出の優位性であり、両方の種は二重に充電されたときに約等しい強度で抽出されます。 この事実は233Uイオンとの比較測定に用いられ、信号起源としてのイオン衝撃の排除を可能にした。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig3.jpg"> 図 3:229-トリウム同体の直接崩壊の同定。a) 233U ソース 129で実行される完全な質量スキャン。単位は、電荷(e)上の原子質量(u)として与えられる。b) 2+および3+チャージ状態におけるトリウムとウランの蓄積中に得られたMCP信号の比較(質量スキャンにリンクする矢印によって示される)。233のU と234U ソースが使用されました (ソース番号は各行の右側に表示されます)。各画像は、2,000sの積分時間(破線円で示される直径20mmの開口部)の個々の測定に対応しています。イオンの柔らかい着陸を保証するために-25V MCP表面電圧で測定を行いました。c)ソース1との229Th3+抽出中に得られた229Thの対方体崩壊のシグナル。約2mm(FWHM)の信号領域径を実現。得られた最大信号強度は0.08カウント/(smm2)で、バックグラウンドレートは約0.01カウント/(s mm2)です。スプリンガーリサーチ11の親切な許可を持つ.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig3large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
輸送、冷却、質量分離の後、イオンビームはマイクロチャネルプレート検出器の表面に衝突し、低い魅力的な表面電位はイオン衝撃信号の抑制を保証し、内部から生じる電子だけを残します。検出器プレートチャネルの強い電界に乗算される229mTh発体の変換(IC)減衰チャネル。3つの異なるウラン源に対して得られた結果のMCP信号が図3bに表示される。各個々の測定における四重極質量分離器の助けを借りて選択された二重または三重荷電イオンのイオン種は、上部パネルからの矢印によって示される。MCPからの電子が加速された蛍光体スクリーンの後ろにCCDカメラで取得した写真を示しています。CCDカメラの視野は、三重(最初の2列)と二重に帯電した(最後の2列)229Thおよび233Uイオンの破線円によって示される。上の行は、小面積233Uソース(1000×229Th3+イオン/秒、ソース1)で得られた結果を表し、一番下の行はca.10,000抽出された229Th 33+ でより強いソースに対して同じものを示します。イオン/秒(ソース3)。いずれの場合も229Thに対して明確な信号が得られるのは明らかであるが、233 U 11では電子信号の表示は観察されない。この信号が原子シェルプロセスからではなく、核爆発に起因することを証明するために、中央の行は、αの崩壊が隣接する同位体230を取り込む234Uソースを使用する場合に得られたカメラ画像を示しています。 Thは、同等の電子的で、まだ異なる核構造を持つ。230Thに対する期待通り、調べたいずれの症例においても変換電子信号の兆候は見つからない。したがって、図3cに示される強い信号は、優れた信号対バックグラウンド比で、明らかに229mThの減衰と相関している。
この解釈をサポートする追加の検証測定値を図 4に示します。彼らは、登録された電子信号が実際に核異性体の崩壊に起因するというさらなる証拠を与えるために2つの測定値を示す:図4aでは、MCP検出器の魅力的な表面電位が-100V((イオン衝撃からの電子の発生を0Vに下方修正し、抽出された229Th 2+(赤)および233U2+イオン(青)のMCPに登録されたカウントレートを比較した。明らかに、面電圧が-40V以下のイオンの「ソフトランディング」を実現すると、233U2+のカウントレートは0Vのしきい値まで229Th2+に対してゼロに下がります。図4bでは、青色曲線は、233 U2+および229 Th2+イオンの-2000 V.イオン衝撃を持つMCP検出器表面に向かって強い加速後に抽出されたイオンに登録された電子カウント率を示しています。図3aの抽出された質量スペクトル中の二重荷電イオンについて既に示されているように、約等の強度で観察される。赤い曲線は同じシナリオを示していますが、現在は-25 V MCP 表面電位を持つ入ってくるイオンの「ソフトランディング」です。233U2+のイオン衝撃信号の表示はもはや見えませんが、229Th 2+の場合はシグナルが残存し、異性体内部変換減衰11から発生します。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig4.jpg"> 図 4:アイソーマー減衰検証測定。a) MCP表面電圧の関数として233U 2+(青)と比較して229Th 2+信号(赤)。エラーは、シェード バンドで示されます。b) 抽出されたイオンの信号は、-25V(偏性減衰、赤色)および-2,000V(イオン衝撃、青)のMCP表面電圧に対するQMSの背後にある質量対電荷比の関数としての信号である。異なる積分時間と軸スケールに注意してください。114.5 u/e(229 Th2+に相当)の信号に加えて、117.5 u/e でさらにシグナルが発生し、これは235Uの異体崩壊に起因する。 スプリンガーリサーチ11の親切な許可を持つ.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig4large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
したがって、図4で観察された信号が229mThの異性体崩壊に起因し、最初の直接的な同定を表していることを明らかに証明することができます(Ref. 11に与えられた追加の引数と共に)この難解な一元性を脱出する。
その後、セグメント化された抽出RFQは、束されたイオンビームを作成するために線形ポールトラップとして動作し、したがって、トリウム異性体の寿命測定を可能にしました。私たちの室温の高真空は、最大104秒の予想放射寿命を調査するのに十分な長い貯蔵時間を可能にしないため、t1/2 &gt; 1分の下限は229mThの下限しか導き出せないイオンは、リニアポールトラップ11における最大達成可能なイオン貯蔵時間によって制限される。しかしながら、MCP検出器の表面にトリウムイオンを中和した後の性同一性崩壊の同定のために以前に適用されたのと同じ検出戦略を用いて、中性229mTh原子の寿命がはるかに短くなる見込み内部変換の減衰は、生涯情報へのアクセスを提供します 12.図5aは、パルス幅が10μsのイオン束に対してシミュレートされた減衰時間スペクトルの予想形状を示す。赤い曲線はイオン衝撃信号を示し、7 μsの半減期を持つ指数関数的減衰からの信号は、長い減衰尾を持つ灰色の曲線によって表されますが、イオン衝撃とeの両方で構成されるトリウム異性体の崩壊からの期待信号xponentialの対方体崩壊は、青い曲線によって示される。図 5bは、それぞれ233U3+ (赤) および229Th3+ (青) に対する対応する測定値の結果を表示します。ウランイオンはイオン衝撃信号のみを発揮する一方で、229-トリウムについては、明らかに性同一性崩壊の予想崩壊尾が12を観察することができる。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig5.jpg"> 図 5: 時間イオン衝撃と減衰特性をシミュレートおよび測定します。a) 229Th束の対位崩壊時間特性のシミュレーション。シミュレーションは、測定された束の形状と、229Thイオンの2%が中和後7μsの半減期を有する同体状態にあると仮定したものです。電子検出効率は、イオン検出効率の25倍と仮定される。b) 束に束された229(m)Th3+イオンビーム(青)による対方体崩壊の測定。233U3+との比較測定値を赤で示します。アメリカ物理学会12の親切な許可を受けて.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig5large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
減衰尾を指数(図6の対数表現に線形フィットに相当)に合わせ、最終的に7(1)μs12の中性229mTh対体の半減期をもたらす。 この値は、α IC~10937の大きな変換係数による帯電した異性ソーマーの場合、ca.104秒から理論的に予想される寿命の短縮にうまく一致する。 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig6.jpg"> 図 6: 229mにフィット腐衰曲線。229(m)Th2+イオン(a)および229(m)Th3+イオン(b)の時間的減衰特性の対数プロットと、電荷再組み換え後の229m Thの異性体半減期を抽出するために適用される適合曲線と共にMCP 検出器の表面。アメリカ物理学会12の親切な許可を受けて.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig6large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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

229mThの研究のための同位位板純粋な229Thイオンビームの準備

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 ...

この方法は、ウラン-233のアルファ崩壊に続く同位体的に純粋なトリウム229イオンビームの生成を記述する。この技術の主な利点は、原子力クラブの開発に関連する低エネルギー核励起状態でThorium-229イオンを研究できることです。手順を実証するイネス・アマースドーファー、私たちの研究室の学生になります。同位体的に純粋なトリウム229イオンビームを作成するために、このセットにウラン-233源が取り付けられています。真空チャンバーは、実験の準備のために避難し、焼き尽くされています。セットアップは、システムの監視と制御に使用される電子機器の背後にあります。研究者は、主にデータを収集し、表示するコンピュータを介してエレクトロニクスと対話します。この切片回路図は、装置の要素を示す。Thorium-229異性体とバッファガス停止セルの生成から、CCDカメラで検出する手順を考えてみましょう。290キロベクレル、広い領域ウラン-233源は、最初の励起状態異性体の2%を含むアルファ崩壊トリウム229核を生成する。高速トリウム核は、ソースを脱出し、超純粋なヘリウム雰囲気緩衝ガス停止細胞で熱化されます。次に、彼らは電気漏斗システムに遭遇します。その無線周波数および直流電界は抽出ノズルに向かってそれらを導く。ノズルからの超音速ガスジェットは、無線周波数四重極構造を有する真空チャンバーに核を取り込む。構造はイオンガイド、表面スペースクーラーおよび潜在的に極トラップとして機能する。次の真空チャンバは、選択可能な電荷状態で同位体的に純粋なトリウム-229を分離する四重極質量分離器を有する。3リング電極を備えた三極電極システムは、検出器にイオンを焦点を当てています。マイクロチャネルプレート検出器との相互作用により、メタ安定イオンが減衰し、CCDカメラで蛍光体スクリーン上で乗算および検出された電子を放出します。真空チャンバと関連機器の断面図です。触媒ガス浄化装置を開始し、その動作温度に達するまで20分待つことから実験を開始します。次に、バイパスバルブがヘリウムガスボンベを開く前に閉じられていることを確認します。約0.5バールの圧力が測定されるまで、圧力低減弁を開きます。次いで、バルブを圧力減圧器からガスチューブに開く。32ミリバールのセル圧力を設定して、ガスの流量制御を開きます。ガスチューブを約10分間洗い流します。次に、圧力減圧器をガスチューブに接続するバルブを閉じ、ヘリウムが取り除かれると数分待ちます。より高い純度バッファーガスのために、液体窒素でクライオトラップを充填します。バッファーガスセルとターボ分子ポンプの間のゲートバルブを遠隔操作に設定し、ゲートバルブを遠隔操作で閉じます。圧力減圧器をガスチューブに接続するバルブを開きます。この時点で、緩衝ガス停止セルは、ヘリウムガスの約30ミリバールで満たされる。無線周波数の四重極室圧力は、マイナス4ミリバールに約10である。四重極質量分離器のチャンバー圧力は、マイナス5ミリバールに約10である。RFQ真空チャンバに取り付けられたターボ分子ポンプの回転速度を調整し、周囲圧力をマイナス2ミリバールに10に設定します。この更新された回路図には、導電界を適用するために必要な機器の表現が含まれています。DC電圧供給を使用して、ウラン源にDC電位を適用します。次に、セグメント化された漏斗電極システムを準備する。DC 電源と 24 チャネル DC オフセット電源を使用して、DC ポテンシャル勾配を 4 センチメートル当たりにし、3 ボルト オフセットを適用します。約2ボルトのDC電位を抽出ノズルに適用します。この後、DC電位を12ボルトの分割された抽出無線周波数四重極に適用します。24 チャンネル DC オフセット供給で勾配を作成します。四重極の12セグメントの電圧は個別に適用できます。抽出ノズルに最も近いセグメントに 1.8 ボルトを適用します。ステップワイズは、0.1ボルト/センチメートルのDC勾配を達成するために、0.2ボルトの後続のセグメントの電圧を減少させます。現在は、関数発生器とリニアRFアンプを採用し、約850キロヘルツ、220ボルトのピークからピークまでの振幅を漏斗リング電極システムに適用します。別の周波数発生器と2つのRFアンプを使用して、抽出無線周波数四重極と個々の束化電極に880キロヘルツ、120〜250ボルトのピークからピーク振幅を適用します。漏斗リング電極にRF電圧を印加する場合、ヘリウム緩衝ガスが十分に純粋でない場合、緩衝ガス停止セルに火花が生じてしまう。この場合、手順を中断し、完全な抽出効率を再取得するために1日のベークアウトを行う。DC電圧供給を用いて、抽出無線周波数四重極の抽出電極にマイナス1ボルトの電位を印加する。4重極マスセパレータのオフセット電圧を、DCオフセットモジュールでマイナス2ボルトに設定します。4重極質量分離器に関連付けられている関数発生器とRFアンプに旋回して起動します。質量電荷比および四重極質量分離器の受け入れを選択した後、4チャンネル電源を使用して、集電電位を集積する三極電極構造に適用する。ガイディングフィールドを設定した後、四重極質量分離器を調整するために必要な機器で動作します。フロントプレート、バックプレート、蛍光体スクリーンを備えたダブルプレートマイクロチャンネルプレート検出器に電圧を適用します。高電圧モジュールを使用して、ダブルプレートマイクロチャンネルプレート検出器のフロントプレートにマイナス1,000ボルトの魅力的な電位を適用します。第2の高圧モジュールでは、検出器の2番目のプレートの裏側に正の900ボルトを適用します。マイクロチャネルプレート検出器の背後にある蛍光体スクリーンに正の3,000ボルトを塗布するには、第3の高電圧モジュールを使用します。CCDカメラと蛍光体スクリーンの背後にあるライトタイトハウジングのスイッチを入れ、露出パラメータを設定します。カメラ出力を観察し、信号があるまで、Thorium-229 2プラスの期待値以下から四重極質量分離器質量過充電比をスキンします。約10,000トリウム2プラスイオンは、約3.5%の総効率に対応する毎秒抽出されます。ウラン-233チューブのトリウム信号スキャンを見つけた後、再び質量過充電比を増加させることによって信号を加えた。トリウム信号が消えると、ウラン信号が明らかになるはずです。4重極質量分離器をセットして、トリウム-2292種プラスイオンのみを抽出します。質量セパレータを調整して、異性崩壊の検出を続けます。四重極質量分離器圧力センサをオフにして、イオン化ヘリウムと光から背景を減らします。セパレータパラメータを調整して、選択したトリウムイオンを抽出します。次に、マイクロチャネルプレート検出器の前面プレートの表面電位をマイナス30ボルトに低減する。マイクロチャネルプレート検出器の第2プレートに加速電位を適用する(通常1,900ボルト)。検出器の背後にある蛍光体スクリーン(通常は4,000ボルト)に加速電位を適用する。CCD イメージの取得シーケンスを開始します。カウント率は、1 秒あたり約 3 カウントに相当します。画像評価と後処理のためのデータを保存します。この質量スキャンは、電荷に対する原子質量の単位で、5秒間にわたって測定されたカウントを表します。1つの状態、二重に、三重に帯電した状態で抽出されたイオン種の3つのグループがあります。三倍イオン化ウランと比較した三倍イオントリウムの相対的な数に注意してください。トリウムとウランの三次荷電状態のためのこれらのマイクロチャネルプレート検出器信号は、3つの別々のウラン源との実験を反映しています。異なる強さの2つのウラン-233源は、ウランではなくトリウムのための明確な信号を生成しました。ウラン-234源を用いた試験では、ウラン-233源で生成された信号が原子シェルプロセスではなく核脱励法からのシグナルを提供する信号は生成されなかった。二重に荷電したトリウムおよびウランのためのマイクロチャネル板検出器のイメージはこの解釈と一致している。このデータでは、マイクロチャネル検出器の魅力的なプレートは、イオン衝撃から電圧を好む電子からゼロボルトまでさまざまです。二重に荷電したウランのカウント率とは異なり、ゼロボルトの閾値まで二重に荷電トリウムのかなりのカウント率があります。これは、信号が核異性体の崩壊からのさらなる証拠を提供する。この技術は、超微細構造の測定だけでなく、thory-myz-imerの寿命と励起エネルギーの測定への道を開きました。最終的には、超精密な光学核時計の開発につながる可能性があります。

preparing-an-isotopically-pure-229th-ion-beam-for-studies-of-229mth

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^229mThの研究のための同位位板純粋^な229Thイオンビームの準備

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