Przygotowanie izotopowo czystej wiązki jonów 229Th do badań 229 mth

Metoda ta opisuje wytwarzanie izotopowo czystej wiązki jonów toru-229 po rozpadzie alfa uranu-233. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala nam badać jony toru-229 w niskoenergetycznym stanie wzbudzonym jądrowo, który jest istotny dla rozwoju klubu jądrowego. Procedurę zademonstruje Ines Amersdorffer, studentka z naszego laboratorium.

W tym zestawie zamontowane jest źródło uranu-233 w celu wytworzenia izotopowo czystej wiązki jonów toru-229. Komory próżniowe zostały opróżnione i wypieczone, aby przygotować się do eksperymentu. Konfiguracja znajduje się za elektroniką używaną do monitorowania i sterowania systemem.

Naukowcy wchodzą w interakcję z elektroniką przede wszystkim za pośrednictwem komputerów, które również gromadzą i wyświetlają dane. Ten schemat przekrojowy przedstawia elementy aparatury. Rozważ kroki od generowania izomerów toru-229 i komórki zatrzymującej bufor gazu do ich wykrycia za pomocą kamery CCD.

Liczące 290 kilogramów bekerela, wielkopowierzchniowe źródło uranu-233 wytwarza jądra toru-229 w rozpadzie alfa, zawierające 2% izomerów stanu wzbudzonego. Jądra toru prędkich uciekają ze źródła i są poddawane termizacji w ultraczystej helowej atmosferze buforowanej gazem. Następnie napotykają elektryczny system lejków.

Jego częstotliwość radiowa i pole elektryczne prądu stałego kierują je w kierunku dyszy ekstrakcyjnej. Naddźwiękowy strumień gazu z dyszy przenosi jądra do komory próżniowej o strukturze kwadrupolowej o częstotliwości radiowej. Konstrukcja działa jako przewodnik jonowy, chłodnica przestrzeni czołowej i potencjalnie pułapka na bieguny.

Następna komora próżniowa wyposażona jest w kwadrupolowy separator masy do izolowania izotopowo czystego toru-229 w wybieralnych stanach naładowania. Układ triodowo-elektrodowy z elektrodami trójpierścieniowymi skupia jony na detektorze. Interakcja z detektorem płytkowym z mikrokanałami powoduje rozpad metastabilnych jonów i uwalnianie elektronów, które są zwielokrotniane i wykrywane na ekranie luminoforowym za pomocą kamery CCD.

Jest to przekrój poprzeczny komory próżniowej i związanych z nią urządzeń. Rozpocznij eksperyment od uruchomienia katalitycznego oczyszczacza gazu i odczekania 20 minut, aż osiągnie temperaturę roboczą. Następnie upewnij się, że zawór obejściowy jest zamknięty przed otwarciem butli z helem.

Otwórz zawór reduktora ciśnienia, aż zostanie zmierzone ciśnienie około 0,5 bara. Następnie otwórz zawór od reduktora ciśnienia do przewodu gazowego. Otwórz regulator przepływu gazu, ustawiając ciśnienie w komórce na 32 milibary.

Przepłukiwać rurkę gazową przez około 10 minut. Następnie zamknij zawór łączący reduktor ciśnienia z rurką gazową i odczekaj kilka minut, aż hel zostanie usunięty. Aby uzyskać gaz buforowy o wyższej czystości, napełnij kriopułapkę ciekłym azotem.

Ustaw zasuwę między ogniwem gazu buforowego a jego turbopompą molekularną na tryb zdalnego sterowania, a następnie zdalnie zamknij zasuwę. Otwórz zawór łączący reduktor ciśnienia z przewodem gazowym. W tym momencie komora buforowa jest wypełniona około 30 milibarami helu gazowego.

Ciśnienie w komorze kwadrupolowej o częstotliwości radiowej wynosi około 10 do minus czterech milibarów. Ciśnienie w komorze kwadrupolowego separatora masy wynosi około 10 do minus pięć milibarów. Dostosuj prędkość obrotową pompy turbomolekularnej podłączonej do komory próżniowej RFQ, aby ustawić ciśnienie otoczenia na poziomie 10 do minus dwóch milibarów.

Ten zaktualizowany schemat zawiera reprezentacje sprzętu wymaganego do zastosowania prowadzących pól elektrycznych. Użyj zasilania napięciem stałym, aby przyłożyć potencjał prądu stałego do źródła uranu. Następnie przygotuj segmentowy system elektrod lejkowych.

Przy zasilaniu prądem stałym i 24-kanałowym zasilaczu offsetowym prądu stałego należy zastosować gradient potencjału prądu stałego wynoszący cztery wolty na centymetr i przesunięcie trzech woltów. Przyłóż potencjał prądu stałego o napięciu około dwóch woltów do dyszy ekstrakcyjnej. Następnie należy przyłożyć potencjały prądu stałego do segmentowego kwadrupola o częstotliwości radiowej 12 V.

Utwórz gradient za pomocą 24-kanałowego zasilacza offsetowego DC. Napięcia dla każdego z 12 segmentów kwadrupola mogą być stosowane indywidualnie. Zastosuj 1.8 V do segmentu znajdującego się najbliżej dyszy ekstrakcyjnej.

Krok po kroku zmniejszaj napięcia w kolejnych segmentach o 0,2 wolta, aby uzyskać gradient prądu stałego o 0,1 wolta na centymetr. Teraz zastosuj generator funkcyjny i liniowy wzmacniacz RF, aby przyłożyć częstotliwość około 850 kiloherców, 220 woltów amplitudy międzyszczytowej do systemu elektrod pierścieniowych lejka. Za pomocą innego generatora częstotliwości i dwóch wzmacniaczy RF zastosuj amplitudę międzyszczytową o częstotliwości od 880 kiloherców od 120 do 250 woltów do kwadrupola ekstrakcyjnego o częstotliwości radiowej i pojedynczej elektrody wiązkowej.

Po przyłożeniu napięcia RF do elektrod pierścienia lejka, jeśli gaz buforowy helu nie jest wystarczająco czysty, w ogniwie zatrzymującym bufor gazu pojawią się iskry. W takim przypadku należy przerwać procedurę i przeprowadzić wypalanie na jeden dzień, aby ponownie uzyskać pełną wydajność ekstrakcji. Użyj napięcia DCTAG, aby przyłożyć potencjał minus jeden wolt do elektrody ekstrakcyjnej kwadrupola o częstotliwości radiowej ekstrakcji.

Ustaw napięcie niezrównoważenia kwadrupolowego separatora masy na minus dwa wolty w przypadku modułów offsetowych DC. Włącz generator funkcyjny i wzmacniacz RF powiązany z kwadrupolowym separatorem masy, aby go uruchomić. Po wybraniu stosunku masy do ładunku i akceptacji kwadrupolowego separatora masy, należy użyć czterokanałowego zasilacza, aby przyłożyć potencjały do struktury skupiającej elektrody triodowej.

Po ustawieniu pól prowadzących należy pracować ze sprzętem niezbędnym do dostrojenia kwadrupolowego separatora masy. Zacznij od przyłożenia napięcia do dwupłytkowego detektora płytek mikrokanałowych, który ma płytkę przednią, płytkę tylną i ekran luminoforowy. Użyj modułu wysokonapięciowego, aby przyłożyć atrakcyjny potencjał ujemny 1 000 woltów do przedniej płyty dwupłytkowego detektora płytek mikrokanałowych.

W przypadku drugiego modułu wysokonapięciowego przyłóż dodatnie napięcie 900 woltów do tylnej części drugiej płytki detektora. Użyj trzeciego modułu wysokonapięciowego, aby przyłożyć dodatnie 3,000 woltów do ekranu luminoforowego za detektorem płytkowym z mikrokanałami. Włącz kamerę CCD i światłoszczelną obudowę za ekranem luminoforowym i skonfiguruj jej parametry ekspozycji.

Obserwuj wyjście kamery i odrywaj współczynnik przeładowania separatora masy kwadrupolowego od poniżej oczekiwanej wartości dla toru-229 dwa plus, aż pojawi się sygnał. Około 10 000 jonów toru dwa plus są ekstrahowane na sekundę, co odpowiada około 3,5% całkowitej wydajności. Po znalezieniu sygnału torowego przeskanuj lampę uranową-233 plus sygnał, ponownie zwiększając stosunek masy do ładunku.

Gdy sygnał toru zniknie, sygnał uranu powinien stać się widoczny. Ustawić kwadrupolowy separator masy tak, aby ekstrahował tylko tor-229 dwa plus jony. Po dostrojeniu separatora masy kontynuuj wykrywanie rozpadu izomerycznego.

Wyłączyć czujnik ciśnienia kwadrupolowego separatora masy, aby zredukować tło z jonizowanego helu i światła. Dostosuj parametry separatora, aby wyekstrahować wybrany jon toru. Następnie zmniejsz potencjał powierzchniowy przedniej płyty detektora płytowego mikrokanałowego do minus 30 woltów.

Zastosuj potencjał przyspieszający do drugiej płytki detektora płytkowego z mikrokanałami, zwykle 1,900 woltów. Zastosuj potencjał przyspieszający do ekranu luminoforowego za detektorem, zwykle 4 000 woltów. Rozpocznij sekwencję akwizycji obrazów CCD.

Szybkość zliczania wynosi około trzech zliczeń na sekundę. Przechowuj dane do oceny obrazu i przetwarzania końcowego. Ten skan masy jest wyrażony w jednostkach masy atomowej nad ładunkiem elektrycznym i reprezentuje liczby zmierzone w ciągu pięciu sekund.

Istnieją trzy grupy wyekstrahowanych gatunków jonów w stanach naładowanych pojedynczo, podwójnie i potrójnie. Zwróć uwagę na względną liczbę potrójnie zjonizowanego toru w porównaniu z potrójnie zjonizowanym uranem. Te sygnały z mikrokanałowego detektora płytkowego dla potrójnie naładowanych stanów toru i uranu odzwierciedlają eksperymenty z trzema oddzielnymi źródłami uranu.

Dwa źródła uranu-233 o różnej mocy dawały wyraźne sygnały dla toru, a nie dla uranu. Testy z użyciem źródła uranu-234 nie dostarczyły żadnych sygnałów dostarczających dowodów na to, że sygnały generowane przez źródło uranu-233 pochodzą z procesów deekscytacji jądrowej, a nie procesów powłoki atomowej. Obrazy z mikrokanałowego detektora płytkowego dla podwójnie naładowanego toru i uranu są zgodne z tą interpretacją.

W przypadku tych danych atrakcyjna płytka detektora mikrokanałowego waha się od elektronów sprzyjających napięciu od uderzenia jonowego, aż do zera woltów. Istnieje znaczna szybkość zliczania dla podwójnie naładowanego toru aż do progu zera woltów, w przeciwieństwie do szybkości zliczania dla podwójnie naładowanego uranu. Dostarcza to dalszych dowodów na to, że sygnał pochodzi z rozpadu izomeru jądrowego.

Technika ta utorowała drogę do pomiaru czasu życia i energii wzbudzenia thory-myz-imer, a także do pomiaru jego nadsubtelnej struktury. Docelowo może to doprowadzić do opracowania ultraprecyzyjnego optycznego zegara jądrowego.