Preparando um feixe de íon ²²⁹th isotopicamente puro para estudos de ^229mth

Este método descreve a produção de um feixe de ion tório isototicamente puro-229 após a decomposição alfa do Urânio-233. A principal vantagem desta técnica é que ela nos permite estudar íons de tório-229 em um estado de baixa energia nuclear animado que é relevante para o desenvolvimento de clubes nucleares. Demonstrando o procedimento estará Ines Amersdorffer, uma aluna do nosso laboratório.

Uma fonte de urânio-233 é montada nesta configuração para criar um feixe de íons tório isototicamente puro-229. A câmara de vácuo foi evacuada e assada para se preparar para o experimento. A configuração está atrás dos eletrônicos usados para monitorar e controlar o sistema.

Os pesquisadores interagem com a eletrônica principalmente através de computadores que também coletam e exibem os dados. Este esquema de corte retrata elementos do aparelho. Considere os passos desde a geração dos isômeros tório-229 e da célula de parada de gás tampão até detectá-los com uma câmera CCD.

Um Becquerel de 290 quilos, grande área de urânio-233, produz os núcleos de decaimento alfa tório-229, incluindo 2% dos isômeros do estado de primeira. Núcleos de tórios rápidos escapam da fonte e são termelécidos em uma célula de parada de gás tampão de hélio ultra-pura. Em seguida, eles encontram um sistema de funil elétrico.

Sua frequência de rádio e campos elétricos de corrente direta os guiam em direção a um bocal de extração. O jato de gás supersônico do bocal leva os núcleos para uma câmara de vácuo com uma estrutura de quadrupole de radiofrequência. A estrutura funciona como um guia de íons, face space cooler e potencialmente uma armadilha de polo.

A próxima câmara de vácuo tem um separador de massa quadrupole para isolar isototicamente puro tório-229 em estados de carga selecionáveis. Um sistema de eletrodos triódicos com eletrodos de três anéis concentra os íons no detector. A interação com um detector de placas de micro canais, faz com que íons meta estáveis decadamem e liberem elétrons que são multiplicados e detectados em uma tela de fósforo com a câmera CCD.

Este é um esquema transversal da câmara de vácuo e equipamento associado. Comece o experimento iniciando o purificador de gás catalítico e esperando 20 minutos para que ele atinja sua temperatura de operação. Em seguida, certifique-se de que a válvula de desvio está fechada antes de abrir o cilindro de gás hélio.

Abra a válvula redutora de pressão até medir uma pressão de cerca de 0,5 bar. Em seguida, abra a válvula do redutor de pressão para a tubulação de gás. Abra o controle de fluxo de gás estabelecendo uma pressão celular de 32 milibar.

Lave a tubulação de gás por cerca de 10 minutos. Em seguida, feche a válvula que conecta o redutor de pressão à tubulação de gás e espere alguns minutos à medida que o hélio é removido. Para maior pureza-tampão de gás encher o criotrap com nitrogênio líquido.

Coloque a válvula do portão entre a célula de gás tampão e sua bomba molecular turbo para operação remota e feche a válvula do portão remotamente. Abra a válvula que conecta o redutor de pressão ao tubo de gás. Neste ponto, a célula de parada de gás tampão está cheia com cerca de 30 milibais de gás hélio.

A pressão da câmara quadrupole de radiofrequência é de aproximadamente 10 a menos quatro milibar. A pressão da câmara de separação de massa quadrupole é de cerca de 10 a menos cinco milibares. Ajuste a velocidade rotativa da bomba molecular turbo presa à câmara de vácuo RFQ para definir uma pressão ambiente de 10 a menos dois milibarbares.

Este esquema atualizado inclui representações dos equipamentos necessários para a aplicação dos campos elétricos orientadores. Use um suprimento de tensão DC para aplicar um potencial DC à fonte de urânio. Em seguida, prepare o sistema de eletrodos de funil segmentado.

Com a fonte de alimentação DC e uma fonte de deslocamento DC de 24 canais, aplique um gradiente potencial DC de quatro volts por centímetro e um deslocamento de três volts. Aplique um potencial DC de cerca de dois volts no bocal de extração. Siga isso aplicando os potenciais DC ao quadrupole de radiofrequência de extração segmentada de 12 volts.

Crie o gradiente com a fonte de deslocamento DC de 24 canais. As tensões para cada um dos 12 segmentos do quadrupole podem ser aplicadas individualmente. Aplique 1,8 volts ao segmento mais próximo do bocal de extração.

Passo a passo, diminua as tensões nos segmentos subsequentes em 0,2 volts para alcançar um gradiente DC de 0,1 volts por centímetro. Agora, empregue um gerador de função e um amplificador rf linear para aplicar uma frequência de cerca de 850 quilohertz, 220 volts de amplitude de pico a pico para o sistema de eletrodos do anel de funil. Com outro gerador de frequência e dois amplificadores rf, aplique um 880 kilohertz, 120 a 250 volts de amplitude de pico a pico para o quadrupole de radiofrequência de extração e o eletrodo de agrupamento individual.

Ao aplicar a tensão rf nos eletrodos do anel do funil, se o gás tampão de hélio não for suficientemente puro, as faíscas ocorrerão na célula de parada de gás tampão. Neste caso, interrompe o procedimento e realiza o bake-out por um dia para obter a eficiência total da extração. Use um suprimento de tensão DC para aplicar um potencial de menos um volt ao eletrodo de extração do quadrupole de radiofrequência de extração.

Defina a tensão de deslocamento do separador de massa quadrupole para menos dois volts com módulos de deslocamento DC. Vire para o gerador de função e amplificador RF associado ao separador de massa quadrupole para iniciá-lo. Depois de selecionar a relação massa para carga e a aceitação do separador de massa quadrupole use uma fonte de alimentação de quatro canais para aplicar potenciais à estrutura de eletrodos triodódicos focalizado.

Após a configuração dos campos de orientação, trabalhe com o equipamento necessário para ajustar o separador de massa quadrupole. Comece aplicando tensões no detector de placa micro de placa dupla, que tem uma placa frontal, uma placa traseira e uma tela de fósforo. Use um módulo de alta tensão para aplicar um potencial atraente de 1.000 volts negativos à placa frontal do detector de placa micro-canal de placa dupla.

Com um segundo módulo de alta tensão, aplique 900 volts positivos na parte traseira da segunda placa do detector. Use um terceiro módulo de alta tensão para aplicar 3.000 volts positivos na tela de fósforo atrás do detector de placas de micro canais. Ligue a câmera CCD e a caixa leve atrás da tela de fósforo e configure seus parâmetros de exposição.

Observe a saída da câmera e a pele da relação de sobrecarga de massa do separador de massa quadrupole abaixo do valor esperado para tório-229 dois mais até que haja um sinal. Cerca de 10.000 íons tórios são extraídos por segundo, correspondendo a cerca de 3,5% de eficiência total. Depois de encontrar a varredura de sinal de Tório para o tubo de urânio-233 mais sinal, aumentando novamente a massa sobre a taxa de carga.

Uma vez que o sinal de Tório desaparece, o sinal de urânio deve se tornar evidente. Defina o separador de massa quadrupole para extrair apenas as duas espécies de íons de tório-tório. Com o separador de massa sintonizado, continue detectando a decadência isomeric.

Desligue o sensor de pressão do separador de massa quadrupole para reduzir o fundo do hélio ionizado e da luz. Ajuste os parâmetros do separador para extrair o íon tório escolhido. Em seguida, reduza o potencial superficial da placa frontal do detector de placas de micro canal para menos 30 volts.

Aplique um potencial acelerado na segunda placa do detector de placas de micro canais, tipicamente de 1.900 volts. Aplique um potencial acelerado na tela de fósforo atrás do detector, tipicamente 4.000 volts. Inicie a sequência de aquisição de imagens CCD.

A taxa de contagem equivale a cerca de três contagens por segundo. Armazene os dados para avaliação de imagens e pós-processamento. Esta varredura em massa está em unidades de massa atômica sobre carga elétrica e representa contagens medidas ao longo de cinco segundos.

Existem três grupos de espécies de íons extraídos em estados carregados de forma singida, dupla e triply. Observe o número relativo de tório ionizado triply comparado ao urânio ionizado triply. Estes sinais de detector de placas de micro canais para estados triply carregados de Tório e Urânio refletem experimentos com três fontes separadas de urânio.

Duas fontes de urânio-233 de diferentes forças produziram sinais claros para tório e não para urânio. Testes usando uma fonte de Urânio-234 não produziram sinais que fornecem evidências de que os sinais gerados com a fonte urânio-233 são de des excitação nuclear e não de processos de conchas atômicas. As imagens do detector de placas de micro canais para tório e urânio duplamente carregados são consistentes com essa interpretação.

Para esses dados, a placa atraente do detector de micro canais varia de elétrons favoráveis à tensão a partir do impacto iônico, até zero volts. Há uma taxa considerável de contagem para tório duplamente carregado até o limiar de zero volts, ao contrário da taxa de contagem de urânio duplamente carregado. Isso fornece mais evidências de que o sinal é de decadência do isômero nuclear.

Esta técnica abriu caminho para a medição da energia vitalícia e excitação do thory-myz-imer, bem como para uma medição de sua estrutura hiperfina. Em última análise, pode levar ao desenvolvimento de um relógio nuclear óptico ultra-preciso.