Summary
우리는 233U 소스로부터 동위원소로 정제된 저에너지 229Th이온 빔의 생성을 위한 프로토콜을 제시한다. 이 이온 빔은 내부 변환 붕괴 채널을 통해 229mTh 접지 상태 붕괴를 직접 감지하는 데 사용됩니다. 또한 내부 변환 수명도 229mTh로 측정합니다.
Abstract
방법론은 2+ 및 3+ 전하 상태에서 동위원소 순 229Th이온 빔을 생성하는 방법에 대해 설명합니다. 이 이온 빔은 약 7.8(5) eV의 여기 에너지와 최대 10 4초의 방사 수명에서 229Th의 저지대 이온성 첫 번째 흥분 상태를 조사할 수 있게 한다. 제시 된 방법은 토륨 이성질체의 붕괴의 첫 번째 직접 식별을 허용, 이 핵 전이의 광학 제어를위한 전제 조건으로 부패 특성을 연구하는 기초를 마련. 고에너지 229Th이온은 방사성 233U 공급원의 α 부패에서 생성된다. 이온은 완충가스 정지 셀에서 열화되고 추출된 후 이온 빔이 형성됩니다. 이 이온 빔은 순수한 이온 빔을 생성하기 위해 사중극자 질량 분리기에 의해 질량 정제된다. 이소미료 붕괴를 검출하기 위해, 이온은 마이크로 채널 플레이트 검출기의 표면에 수집되며, 여기서 전자는 이소메릭 상태의 내부 변환 붕괴에서 방출되는 것으로 관찰된다.
Introduction
229mTh로 표시된 토륨-229 핵의 첫 번째 흥분 메타안정 상태는 현재 알려진 176,000개의 핵 흥분 상태 중 가장 낮은 핵 여기 에너지를 보유하고 있기 때문에 핵 지형에서 특별한 위치를 나타낸다. 일반적인 핵 에너지는 keV에서 MeV 지역까지 다양하지만, 229mTh는 핵지주 1,2,3보다10 eV 이하의 에너지를 가지고 있다. 이 상태에서 현재 가장 많이 받아들여지는 에너지 값은7.8(5) eV 4,5입니다. 이 낮은 에너지 가치는 다른 물리적 지역 사회에서 관심을 촉발하고 몇 가지 흥미로운 응용 프로그램의 제안을 주도했다. 그 중 핵 레이저6,양자 컴퓨팅 7 및 핵 시계8,9에대한 매우 안정적인 큐비트입니다.
229mTh가 광범위한 응용 프로그램을 제공 할 것으로 예상되는 이유는 특별한 낮은 에너지로 인해 현재 사용 가능한 레이저를 사용하여 직접 핵 레이저 흥분을 허용 할 수있는 유일한 핵 상태라는 사실에 근거합니다. 기술. 그러나 지금까지 229mTh의직접 핵 레이저 흥분은 정확한 에너지와 수명과 같은 메타 안정 상태의 매개 변수에 대한 지식이 부족하여 방지되었습니다. 229Th에서저에너지의 핵 흥분 상태의 존재는 이미 197610년에 추측되었지만,이 상태에 대한 모든 지식은 간접 측정에서 유추 될 수 있으며 부패의 정확한 결정을 허용하지 않습니다. 매개 변수. 이러한 상황은 229mTh 붕괴의 첫 번째 직접 감지가 흥분 상태의 매개 변수를 고정하는 것을 목표로 측정의 무리를위한 문을 열었을 때 2016 년 이후 변경되었습니다11,12. 여기서, 상세한 프로토콜이 제공되며, 이는 2016년 의 실험에서 달성된 바와 같이 229mTh의직접 검출에 필요한 개별 단계를 기술한다. 이 직접 감지는 229mTh에너지와 수명을 정밀하게 측정하여 핵 시계 의 개발을 위한 기초를 제공합니다. 229mTh의 가장 중요한 응용 프로그램으로 핵 시계의 개념은 다음과 같이 논의 될 것이다.
ΔE/E~10-10-20의 상대적인 라인폭을 사용하면 토륨 이소머의 접지 상태 전이가 잠재적으로 핵 주파수 표준('핵 시계')으로 자격이 될수있음 8,9. 원자 핵에 비해 약 5 배 크기 작은 크기의 원자력 핵으로 인해 핵 모멘트 (자기 극극자 및 전기 사중대대)는 원자의 핵 시계보다 작기 때문에 핵 시계가 외부에 대해 크게 면역이됩니다. (현재의 최첨단 원자 시계에 비해) 따라서 핵 주파수 표준은 매우 안정적이고 정확한 클럭 작동을 약속합니다. 최고의 현재 원자 시계에서 달성 된 정확도는 약 2.1x10-1813에도달하지만, 우주의 시대보다 상당히 긴 시간 기간에 1 초의 편차에 해당, 핵 시계는 더의 잠재력을 보유 광범위한 응용 분야에 필수적인 개선이 될 수 있습니다. 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS), 글로벌 네비게이션 위성 시스템(GLONASS) 또는 갈릴레오와 같은 위성 기반 항법 시스템은 현재 몇 미터의 위치 정밀도로 작동합니다. 이것이 센티미터 또는 밀리미터 규모로 개선될 수 있다면 자율 주행에서 화물 또는 부품 추적에 이르는 다양한 응용 프로그램을 상상할 수 있습니다. 매우 정확한 클럭 외에도 이러한 시스템은 장기간의 재동기화 간격을 확보하는 장기적인 드리프트 안정성과 함께 안정적인 중단 없는 작동이 필요합니다. 핵 시계의 사용은 이 실용적인 관점에서 유익할 수 있습니다. (동기화 된 네트워크) 핵 시계의 추가 실용적인 응용 프로그램은 상대론 측지(14)의분야에 거짓말을 할 수, 여기서 시계는 3D 중력 센서역할을, 측정에 국소 중력 전위 차이 ΔU 관련 (상대) 클럭 주파수 차이 Δf/f=-ΔU/c2(빛의 속도를 나타내는 c)를 통한 Δf/f. 현재 가장 좋은 시계는 약 ±2 cm의 높이 차이에서 중력 의 변화를 감지 할 수 있습니다. 따라서, 핵 시계 네트워크를 이용한 초정밀 측정은 화산 마그마 챔버 또는 지각판 의움직임(15)의 역학을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 더욱이, 이러한 시계 네트워크의 사용은 이론적으로 기재된 위상암흑물질의 상류를검색하는 도구로서 제안되었다(16). 미세 구조 상수 α 또는 강한 상호 작용과 같은 기본 상수의 잠재적 인 시간적 변화의 검출을 위한 탐구에서 229mTh 기반 핵 시계의 적용에 대한 문헌에서 광범위한 논의를 찾을 수 있습니다. 파라미터(mq/ΔQCD,쿼크 질량및 ΔQCD를 나타내는 mq와 함께 강한 상호작용의 스케일 파라미터), 다른 상호작용과 중력을 통일하는 일부 이론에서 제안됨17. 229mTh의 지상 상태 전이 에너지에서 시간적 변동의 검출은 미세 구조 상수 또는 강한 상호작용 파라미터의 시간적 변화에 대해 약 2-5배의 진도에 의해 향상된 감도를 제공할 수 있다. 18,19,20,21,22,23,24,25,26. 이러한 α 의 변화에 대한 현재의 실험 한계는 (dα/dt)/α=-0.7(2.1)10-17/yr27이다. 이하에서 229mTh지상 상태의 붕괴를 직접 검출하기 위한 실험접근법을 기재할 것이다.
최근까지 229-thorium 이성모의 존재에 대한 증거는 간접 측정에서만 유추 될 수 있으며, 7.8 (5) eV의 흥분 에너지 (진공 울트라 바이올렛 스펙트럼 범위의 파장에 해당 160 (11) nm)4 , 5. 우리의 실험 적 접근 방식은 229mTh 이소머의 이소메릭 지반 상태 퇴출을 직접 식별하는 것을 목표로 완충가스 정지 셀에서 이소머 집단의 공간 적 분리를 기반으로 추출한 다음, 및 적합한 검출유닛을 향한 질량분리된 수송물은 탈취제(28,29)를등록한다. 따라서 이성운의 인구와 퇴출은 혼란스러울 수 있으며, 이로 인해 신속한 배경 기여의 영향을 받지 않는 깨끗한 측정 환경이 생생할 수 있습니다. 이소메의 인구는 방사성 233U 소스로부터α 붕괴를 통해 달성되며, 여기서 2% 붕괴 분기는 229Th의지반 상태로 직접 진행되지 않고, 대신 에이서릭 제1 흥분 상태를 채웁니다. α-붕괴 반동 핵은 버퍼 가스 정지 셀의 초순수 헬륨 분위기에서 열화되어 전기 무선 주파수(RF) 및 직류(DC) 필드가 추출 노즐을 향해 유도되기 전에 새로운 초음속 가스 제트가 드래그합니다. 인접 한 진공 챔버로, 하우징 (분할) 무선 주파수 사중대대 (RFQ) 구조 이온 가이드, 위상 공간 쿨러 및 잠재적으로 또한 추출 된 이온을 묶기위한 선형 폴 트랩으로. 버퍼-가스 정지 셀 및 추출 RFQ에 대한 자세한 설명은 Refs를 참조하십시오. 30개 , 31세 , 32.그 순간까지 추출된 이온 빔이 229(m)Th 또한 α 붕괴 딸 제품의 사슬을 포함하고 있기 때문에, 질량 분리는 후속 진공 챔버에서 사중극자 질량 분리기(QMS)를 사용하여 마지막으로 수행된다. 선택 가능한 전하 상태(q=1-3)에서 동위원소 순229(m)Th 빔을 생성합니다. QMS에 대한 자세한 설명은 참조에서 찾을 수 있습니다. 33세 , 34. 전자가 해방되고 인광체 스크린을 향해 가속화되고 전하 결합 장치 (CCD)에 의해 볼 마이크로 채널 플레이트 검출기 (MCP)의 표면에 직접 Th 이온을 충돌시킴으로써 이소성 붕괴의 검출이 달성되었다 카메라. 실험 설정에 대한 개요는 그림1에 나와 있습니다. 자세한 설명은 참조35에서제공됩니다.
그림 1: 실험 설정 개요. 토륨-229 이소머는 우라늄-233의 α 붕괴에서 2% 부패 가지를 통해 채워집니다. 229m 운동 반동 에너지로 인해 233U 소스를 떠나는 Th 이온은 30 mbar 헬륨 가스로 채워진 완충 가스 정지 셀에서 열화됩니다. 이온은 RF 및 DC 필드에 대한 도움으로 정지 부피에서 추출되고 저에너지 이온 빔은 무선 주파수 사중극자 (RFQ)의 도움으로 형성됩니다. 이온 빔은 사중극자 질량 분리기(QMS)의 도움으로 질량 정제되고 이온은 인광체 스크린과 결합된 마이크로 채널 플레이트(MCP) 검출기의 표면에 부드럽게 이식되어 모든 것을 공간적으로 분해하여 모든 검출을 가능하게 합니다. 신호가 발생합니다. 스프링어 연구의 종류 허가와 함께,이 그림은11에서수정되었습니다 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
다음 프로토콜은 토륨 이성질체의 지상 상태 붕괴를 최초로 감지할 수 있게 한 229(m)Th 이온 빔을 생성하는 기본 절차를 설명하여, 따라서 부패 특성을 연구하기 위한 토대를 마련합니다. 궁극적으로 초정밀 핵 주파수 표준으로 응용을 향해이 이국적인 핵 상태의 모든 광학 제어를 상상의 전제 조건. 더 나은 방향을 위해 이소메릭붕괴(11)의 직접 검출에 사용되는 설정의 개략적 개요는 도 2에제공되며, 다음 프로토콜에서 다루어진 구성요소의 수치 라벨링을 포함한다. 또한 수명결정(12)에 사용되는 구성요소는 인세트로 포함된다.
그림 2: 이소아니아 감쇄 감지에 사용되는 실험 설정의 개략적 스케치. 수명 측정에 사용되는 구성 요소는 인세트로 표시됩니다. 프로토콜 섹션에서 참조할 개별 구성 요소에는 숫자로 레이블이 지정됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Protocol
참고: 의정서에 제공된 숫자는 그림 2.
1. Th-229 이소메릭 붕괴의 직접 검출
- 233 우라늄 소스 장착
- 233-우라늄 α 소스(1)를 가스 전지 진공 챔버 내의 접근 플랜지 개구부를 통해 퍼널 링 전극 시스템(2)의 상류 말단까지 가스 셀(3) 내부에 장착한다.
참고: 290 kBq, 90 mm 직경 233U 소스는 티타늄 스퍼터드 시 웨이퍼(36)에 분자 도금을 통해 제조되었다. 소스의 최적의 α 반동 효율을 달성하기 위해, 그 두께는 우라늄84 keV 229Th의 정지 범위인 16 nm를 초과해서는 안됩니다. - 소스의 DC 오프셋을 허용하기 위해 케이블을 소스 마운트에 연결합니다. 액세스 플랜지를 닫고 밀봉하고 외부 배선을 233U 소스에 연결합니다.
- 233-우라늄 α 소스(1)를 가스 전지 진공 챔버 내의 접근 플랜지 개구부를 통해 퍼널 링 전극 시스템(2)의 상류 말단까지 가스 셀(3) 내부에 장착한다.
- 진공 챔버의 대피 및 구우기
- 황삭 진공 펌프(4)를 종료하는 경우(컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)를 통해 제어)를 시작하고 차동 펌핑의 개별 부분을 연결하는 3개의(수동) 밸브(6)를 열어 완전한 진공 시스템의 배출을 개시하여 배출을 개시합니다. 황삭 펌프에 단계.
참고: 가스 셀의 터프 게이트 밸브(7)를 사용하여 가스 셀의 하류 챔버에서 밸브를 열어 가스 셀의 터보 분자 펌프쪽으로 열어 하류 챔버의 잠재적인 오염을 방지하는 압력 그라데이션을 생성하여 가장 높은 청결이 요구되는 가스 셀 챔버. - 압력이 서브 mbar 범위에서 레벨에 도달하면 (사용자 인터페이스 (5)를 통해 판독) 가스 전지 (8),추출 무선 주파수 사중극자 (RFQ) 및 사중극대 질량 분리기 (QMS)(10)의 터보 펌프를 시작합니다.
- (선택 사항) 바이패스 밸브(11)를 열어 가스 공급 튜브의 효율적인 배출을 허용한다.
- 포화 압력에 도달 할 때까지 몇 시간 동안 펌핑을 계속, 일반적으로 낮은 10-7 mbar의 범위에서.
- 최대 130°C까지 의 가열 곡선(통상적으로 20°C- 시간당 40°C)을 업램핑하여 사용자 인터페이스(5)를 통해 베이킹 시스템(12)을 시작한다.
- 압력 판독값이 감소하기 시작할 때까지 1-2 일 동안 130 °C에서 진공 시스템을 굽습니다.
- 사용자 인터페이스(5)를 통해 베이킹 시스템의 냉각 서열을 다운램핑 시퀀스로 시작하며, 전형적으로 20°C- 시간당 40°C.
참고: 시스템의 대기시간은 일반적으로 8시간이 필요하며 하룻밤 사이에 수행됩니다. 진공 시스템의 성공적인 준비는 냉각 후 최종 전지 압력이 5x10-10 mbar 이하일 때 달성됩니다. RFQ 및 QMS 챔버의 압력은 각각10-9 mbar 및 10-8 mbar 범위에 있을 것입니다. - 외부 배선을 RFQ 진공 챔버에 연결합니다.
- 황삭 진공 펌프(4)를 종료하는 경우(컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)를 통해 제어)를 시작하고 차동 펌핑의 개별 부분을 연결하는 3개의(수동) 밸브(6)를 열어 완전한 진공 시스템의 배출을 개시하여 배출을 개시합니다. 황삭 펌프에 단계.
- 가스 시스템의 준비 및 초순수 하의 공급
- MonoTorr 가스 정수기(13)를 시작하고 작동 온도에 도달할 때까지 20분 간 기다립니다.
- 바이패스 밸브(11)가 열리면 닫습니다.
- He-gas 실린더(14)를 엽니다(99.9999% 순도의 He는 작동에 사용됩니다).
- 약 0.5 bar의 압력이 표시될 때까지 압력 감속기 밸브(15)를 엽니다.
- 압력 감속기를 가스 튜브(16)에 연결하는 밸브를 엽니다.
- 약 1.1의 기체 흐름이 도시될 때까지 가스 흐름 제어(17)를 엽니다(약 5 mbar l/s에 해당).
- 가스 튜브를 약 10분 동안 세척하여 튜브에서 잔류 가스를 제거합니다.
- 압력 감속기를 가스 튜브(16)에 연결하는 밸브를 닫습니다.
- 그분이 가스 튜브에서 제거 될 때까지 몇 분 기다립니다.
- (선택 사항) 완충가스의 가장 높은 순도를 위해, 액체 질소로 저온 트랩(18)을 채웁니다.
- 버퍼 가스 셀과 터보 분자 펌프 사이에 게이트 밸브(7)를 자동 작동하도록 설정하고 사용자 인터페이스(5)를 통해 밸브를 닫습니다.
- 압력 감속기를 가스 튜브(16)에 연결하는 밸브를 엽니다.
참고 : 완충가스 정지 셀은 이제 He 가스의 ca. 30 mbar로 채워졌습니다. 이러한 방식으로 RFQ 및 QMS 압력은 각각 10-4 mbar 및 10-5 mbar로 상승합니다. - 추출-RFQ 진공 챔버(9)의 터보 분자 펌프의 회전 속도를 약 10-2 mbar의 주변 압력을 설정하기 위해 50%로 조정합니다.
- 연속 이온 추출을 위해 전기 가이딩 필드를 적용합니다.
- 맞춤형 DC 전압 공급 장치(19)를 통해 연속 모드에서 39V의 233우라늄 α 소스(1)에 DC 전위를 적용합니다.
- DC 전원 공급 장치(20)를 통해 4V/cm(35V에서 3V까지)의 DC 전위 그라데이션을 적용하고 24채널 DC 오프셋 공급 장치(21)를 통해 3V의 전압 오프셋을 50배 분할 된 깔때기 링 전극 시스템에 적용합니다. 모든 전압은 컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)로 제어됩니다.
- 동일한 컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)의 도움으로 추출 노즐 전극(22)에 전형적으로 2V의 DC 전위를 적용한다.
- 12배 분할 된 추출 RFQ (27)에 DC 전위 그라데이션을 적용합니다.
참고: 각 세그먼트의 전압은 24채널 DC 오프셋 공급장치(21)를 통해 컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)의 도움으로 개별적으로 적용될 수 있습니다. 추출 노즐에 가장 가까운 세그먼트에 1.8V의 전압이 적용됩니다. 후속 세그먼트의 전압은 단계적으로 0.2V 감소하여 10번째 RFQ 세그먼트에 0V의 전압이 적용됩니다. 이는 0.1V/cm의 DC 그라데이션에 해당합니다. 추출된 이온의 의도된 연속 수송의 경우 0V의 전압이 11및 12RFQ 세그먼트에 인가된다. 이를 위해 12번째 RFQ 세그먼트(23)의 DC 전압 공급은 0V에 남아 있고 맞춤형 트리거 모듈(24)은 연속 작동 모드로 설정됩니다. - 함수 발생기(25) 및 선형 RF 증폭기(26)를 통해 깔때기 링 전극 시스템에 RF 주파수 및 진폭을 적용합니다.
참고: 주파수 및 진폭의 일반적인 값은 각각 850kHz 및 220V pp입니다. 전압은 컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)로 제어할 수 있습니다. 깔때기-RF 전압 애플리케이션 동안, 깔때기 DC 오프셋 공급장치(21)의 전류를 모니터링한다. 버퍼 가스 순도가 충분하지 않은 경우 발생할 수 있는 스파크의 경우 이 전류가 증가하기 시작합니다. - RF 주파수(일반적으로 880kHz) 및 진폭(일반적으로 120-250V pp)을 주파수 발생기(28)와 2개의 RF 증폭기(29, 30)를 통해 추출 무선 주파수 사중극자(27)(추출-RFQ)에 적용하고, 하나는 RFQ용이고 1개는 개인용 전극 뭉치. 전압은 컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)로 제어할 수 있습니다.
- Mesytec MHV-4 DC 전압 공급 장치(32)를 통해 추출-RFQ의 출구 전극(31)에 -1 V의 DC 전위를 적용합니다.
- DC 오프셋 전압을 사중극자 질량 분리기(33)(QMS)에 적용합니다. QMS(중앙 전극 및 브루베이커 렌즈)의 오프셋 전압은 맞춤형 DC 오프셋 모듈(34,35)을 통해 -2V로 선택됩니다.
- QMS 함수 생성기(36)를 켜고 RF 증폭기(37)를 켜고 QMS 사용자 인터페이스(38)를 개시하여 사중극대 질량 분리기(33)를 시작합니다. QMS 사용자 인터페이스에서 선택한 이온 종의 질량 과충전 비가 삽입됩니다(일반적으로 76 u/e 또는 114.5 u/e, Th3+ 또는 Th2+추출용). 또한 QMS 수용(일반적으로 1~2u/e)과 RF 주파수(일반적으로 825kHz)가 삽입됩니다.
참고: Labview 프로그램은 RF 진폭과 이온 선택에 필요한 DC 전위를 자동으로 적용하고 제어합니다. 필요한 RF 진폭은 600V ~ 1500Vpp이며 DC 전위는 50V ~ 120V범위입니다. 질량 분리를 위한 DC 전위는 사용자 지정된 DC 모듈(39)에 의해 생성됩니다. RF 및 DC 전압 안정화를 위해 피드백 루프가 구현됩니다. - Mesytec 4 채널(MHV-4) 전압 공급 모듈(32)을 통해 QMS(-2 V/- 62V/-22V) 뒤의 초점 삼각 전극 구조(40)에 DC 전위를 적용합니다.
- 이온 추출을 프로브하고 QMS를 조정합니다.
- 고전압(HV)-모듈(42)을 통해 이중 플레이트(chevron geometry) 마이크로채널 플레이트 검출기(41)(MCP)의 전면 플레이트에 -1000 V의 매력적인 표면 전위를 적용한다.
- HV 모듈(43)을 통해 두 번째 MCP 플레이트의 뒷면에 +900 V의 전위를 적용합니다.
- HV 모듈(45)을 통해 MCP 검출기 뒤에 배치된 형광체 스크린(44)에 +5,000 V의 전위를 적용합니다.
- 형광체 스크린 뒤에 CCD 카메라(46)를 켜고 데이터 수집 PC(47)에 대응하는 그래픽 사용자 인터페이스에서 CCD 카메라의 노출 파라미터를 구성한다.
참고: CCD 카메라는 주변 광으로부터 의 검출을 커버하기 위해 조밀하우징(48)에 배치됩니다. 추출이 제대로 실행되고 이온이 QMS를 통과하는 경우 추출된 이온의 이온 영향에 의해 발생하는 인광체 화면에 강한 신호가 표시되어야 합니다. 이제 이 신호는 CCD 카메라에 의해 모니터링됩니다. - 대량 스캔을 수행하여 신호 모양을 프로브하고 이에 따라 QMS를 조정하여 원하는 이온 종을 추출합니다.
참고: 이 절차는 QMS 사용자 인터페이스(38)의 도움으로 수행되는 반복 절차입니다. 원하는 질량 과충전 비율(일반적으로 229Th2+의경우 114.5u/e)과 QMS 해결 전력(일반적으로 1u/e)을 선택한 다음 CCD 카메라를 통해 이온 충격 신호를 프로브합니다. 신호가 관찰될 때까지 선택한 질량을 0.5 u/e 단계로 이동합니다. 신호가 관찰되자마자 233U2+ 신호가 질량 과충전 비를 2 u/e에서 더 높은 질량으로 이동하여 관찰할 수 있는 경우 프로브를 조사합니다. 또한 이 신호가 관찰되면, 신호를 분리할 수 있는지 조사한다. 그렇지 않은 경우 229Th2+ 및 233U2+ 신호가 명확하게 구별될 수 있을 때까지 QMS 해결 전력을 조정합니다. 이어서 QMS를 설정하여 229Th2+ 이온 종만 추출한다.
- 이소만 감쇠의 검출
- 압력 센서 제어 부(50)를 통해 QMS 압력 센서(49)를 끄고 센서에 의해 생성된 이온화된 헬륨 및 빛으로부터 배경을 감소시다.
- QMS 매개변수를 조정하여 이소성 부패 검출을 위해 Th2+ 또는 Th3+ 이온 종을 추출합니다.
- MCP 검출기(41)의 전면 플레이트의 표면 전위를 -25V 를 통해 (42)로 감소시켜 이온을 충돌시키는 이온의 이온 충격으로부터 직접 발생하는 전자로부터의 신호를 검출하지 않도록 한다. 이러한 방식으로 MCP 표면상에 229(m)Th 이온의 '연착륙'이 이소메릭 붕괴 이전에 달성된다.
- (43)을 통해 최적의 전자 증폭을 위해 제 2 MCP 플레이트에 전형적으로 +1,900 V의 가속 전위를 적용합니다.
- (45)를 통해 MCP 검출기 뒤에 배치된 형광체 스크린에 전형적으로 +6,000 V의 가속 전위를 적용한다.
참고: 실제로 적용되는 전압은 MCP 성능에 따라 달라집니다. - CCD 이미지의 수집 시퀀스를 시작하고 카메라 사용자 인터페이스(47)를 통해 데이터를 디스크에 저장한다.
- 이미지 평가 및 후처리를 위해 Matlab 프로그램을 사용합니다.
참고: 프로그램에 대한 설명과 사용 방법에 대한 설명은 참조35 부록 B.3에서 찾을 수 있습니다. 이미지 프레임의 원시 데이터와 평가에 사용되는 프로그램은 DOI 10.5281/zenodo.1037981에서 온라인으로 사용할 수 있습니다.
2. 229m Th 하프 라이프의 측정 (설정의 재 배열)
- 시스템의 종료 및 환기.
- MCP 감지 시스템(42,43,45), QMS(37,38), 깔때기 시스템(25,26) 및 추출 RFQ(28,29,30)의 고전압전원을 차단합니다.
- (선택 사항) 남은 모든 DC 전압의 전원을 끄십시오.
- He 공급 시스템(밸브 14 및 16)을 수동으로 닫고 완충가스 정지 셀의 압력이 2mbar 이하로 감소될 때까지 기다립니다.
- 사용자 인터페이스(5)를 통해 터보 펌프를 버퍼 가스 정지 셀(7)에 연결하는 게이트 밸브를 열고 시스템에서 He가 완전히 제거될 때까지 기다립니다.
- 가스 공급 라인의 클로즈 밸브(17)를 가스 정수기(13)를 꺼.
- 시스템이 건조한 질소로 배출될 때 게이트 밸브(7)를 수동 작동으로 설정하여 닫히지 않도록 합니다.
- 터보 펌프와 러프 펌프(6)를 연결하는 3개의 밸브를 닫고 3개의 터보 펌프(8,9,10)를 전원을 공급합니다.
- QMS 압력 센서(49)를 켭니다.
- 터보 펌프의 회전 속도가 사용자 인터페이스(5)에서 모니터링되는 대로 100Hz 미만으로 감소될 때까지 기다립니다.
- 탈와르(51)를 액체 질소로 채우고 환기 밸브(52)를 천천히 엽니다. 시스템이 마른 질소로 완전히 배출될 때까지 몇 분 간 기다립니다.
참고: 가스 실린더의 건조 질소를 사용할 수도 있습니다. 그러나 이 경우 과압 밸브 또는 파열 디스크를 삽입하여 과압이 발생하지 않도록 주의해야 합니다. 공기의 사용은 또한 대안이지만 습도로 인해 약간 더 긴 대피 시간으로 이어질 것입니다. - 환기 밸브 (52)를 닫습니다.
- MCP를 소형 단일 양극 MCP 검출기(53)로 인광체 스크린(41,44)으로 교체
- CCD 카메라(46)를 조명밀착형 하우징(48)과 함께 분리하고 분리한다.
- 형광체 스크린으로 MCP 검출기를 분리합니다(41,44).
- MCP 및 인광체 스크린을 진공 챔버와 연결하는 진공 플랜지를 엽니다.
- 단일 양극 MCP(53)를 삼중추출시스템(40)의 출구 뒤에 몇 mm 거리로 배치하고, 전방플레이트(42), 백플레이트(43) 및 MCP(54)의 양극을 전기 피드스루와 연결하는 3개의 와이어를 연결한다.
- 진공 챔버를 닫면 시스템이 이제 대피 할 준비가되어 있습니다.
- 단일 양극 MCP의 외부 배선을 HV 모듈 및 판독 시스템에 제공합니다.
- 시스템의 대피와 구우기
- 1.2.1단계에서 1.2.3단계까지 진공 시스템을 대피시다.
- 1.2.4단계에서 1.2.8단계의 베이크아웃 절차를 따르십시오.
- 가스 튜브의 준비 및 초순수 He의 공급
- 1.3.1에서 1.3.12 단계따르십시오.
참고: 다발모드 작동을 위해 RFQ 터보 펌프는 일반적으로 100% 회전 속도로 작동하여 10-4mbar 범위의 압력을 발생시킵니다.
- 1.3.1에서 1.3.12 단계따르십시오.
- 이온 번칭에 전기 안내장 적용
- 맞춤형 DC 전압 공급 장치(19)를 통해 233 우라늄 α 소스(1)에 69V의 DC 전위를 적용합니다.
- DC 전원 공급 장치(20)를 통해 4V/cm(65V에서 33V까지)의 DC 전위 그라데이션을 적용하고 24채널 DC 오프셋 공급장치(21)를 통해 33V의 전압 오프셋을 50배 분할 된 깔때기 링 전극 시스템에 적용합니다. 모든 전압은 컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)로 제어됩니다.
- 동일한 컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)의 도움으로 추출 노즐 전극(22)에 32V의 DC 전위를 적용한다.
- 12배 분할 추출 RFQ에 DC 전위 그라데이션을 적용합니다.
참고: 각 세그먼트의 전압은 24채널 DC 오프셋 공급장치(21)를 통해 컴퓨터 기반 사용자 인터페이스(5)의 도움으로 개별적으로 적용될 수 있습니다. 추출 노즐에 가장 가까운 세그먼트에 31.8V의 전압이 적용됩니다. 후속 세그먼트의 전압은 단계적으로 0.2V 감소하여 10번째 RFQ 세그먼트에 30V의 전압이 적용됩니다. 이는 0.1V/cm의 DC 그라데이션에 해당합니다. 뭉치 빔의 생성의 경우 이온은 저장하고 11 전극에 냉각된다. 따라서 11번째 전극은 25V로 설정되고 마지막 RFQ 세그먼트는 DC 전압 공급 장치(23)를 통해 44V로 상승하여 로컬 전위 버킷에 이온을 축적한 후 마지막 전극 세그먼트를 마이크로초 내에 0V로 낮추어 이온 다발을 방출합니다. , 사용자 지정된 트리거 모듈(24)에 의해 트리거됩니다. - 트리거 모듈(24)을 다발 모드로 설정합니다. 트리거 모듈을 사용하면 트리거 속도와 타이밍을 조정할 수 있습니다. 일반적으로 10Hz가 트리거 속도로 선택됩니다.
- 1.4.5 ~ 1.4.10 단계 다음, 시스템에 나머지 전압을 적용합니다.
- 이온 추출을 프로브하고 QMS를 조정합니다.
- 압력 센서 제어 부(50)를 통해 QMS 압력 센서(49)를 끄고 센서에 의해 생성된 이온화된 헬륨 및 빛으로부터 배경을 감소시다.
- HV 모듈(42)을 통해 단일 양극 MCP(52)의 전면 플레이트에 -2,000 V의 매력적인 표면 전위를 적용한다.
- MCP의 뒷면에 -100 V의 전위를 적용합니다. MCP 양극이 접지하도록 설정됩니다.
- MCP 프리앰프(56)의 경우 12V 전원 공급 장치 모듈(55)을 켭니다.
참고: MCP 검출기에 충돌하는 단일 이온은 이제 프리앰프(56), 증폭기(57) 및 상수 분획 판별기(CFD)(58)의 조합으로 계산됩니다. CFD 신호는 QMS 제어에 사용되는 PC의 데이터 수집(DAQ) 카드로 전송되고 QMS 사용자 인터페이스(38)를 통해 모니터링될 수 있다. - 대량 스캔을 수행하여 신호 모양을 프로브하고 이에 따라 QMS를 조정하여 원하는 이온 종을 추출합니다.
참고: 이 작업은 QMS 사용자 인터페이스(38)의 도움으로 수행됩니다. 이를 위해, 초기 및 최종 질량 과충전비(예: 229Th2+ 질량 범위에 대해 110 u/e에서 120 u/e)를 설정하고, 해결 전력(예: 1u/e) 및 스캔 단계당 통합 시간(5s)과 질량을 설정합니다. 스캔 은 스캔 버튼을 눌러 시작됩니다. 추출이 제대로 실행되고 이온이 QMS를 통과하는 경우, 추출된 이온의 이온 영향에 의해 토륨과 우라늄의 강한 신호가 표시됩니다.
- 수명 측정
- QMS 매개변수를 조정하여 이소성 부패 검출을 위해 Th2+ 또는 Th3+ 이온 종을 추출합니다.
- 이온 충격 신호를 감소시키기 위해 MCP 검출기(52)의 전면 플레이트의 표면 전위를 -25V 비아(42)로 감소시킵니다.
- (43)을 통해 최적의 전자 증폭을 위해 제 2 MCP 플레이트에 전형적으로 +1,900 V의 가속 전위를 적용합니다.
- 일반적으로 +2,100 V의 가속 전위를 MCP 양극(53)을 통해 적용합니다.
- 마이크로채널 스케일러(59)를 통해 데이터 수집을 시작한다.
참고: 프리앰프(56)와 마이크로채널 스케일러(59)는 MCP 검출기의 판독 시간을 허용합니다. 이온 다발과 마이크로채널 스케일러는 모두 트리거 모듈(24)에 의해 트리거된다. 스케일러 신호는 Labview 사용자 인터페이스(60)를 통해 얻어진다. 약 10 마이크로초의 기하급수적 붕괴 꼬리는 토륨 이소아니아 붕괴에 해당하는 이온 다발 후 볼 수 있게 됩니다.
Representative Results
앞서 설명한 방법은 완충가스 정지 셀 내부에 배치된 233U 소스로부터 α 붕괴 산물을 추출할 수 있도록 허용하고, 실온에서 30 mbar 초순수 헬륨 가스로 작동하였다. 처음으로 삼중 충전 이온은 고효율29와같은 장치에서 추출 될 수있다. 그림 3a는 완충가스 전지에서 추출된 이온의 질량 스펙트럼을 표시하여, 233Uα-붕괴 제품(이하 이물질 adducts)의 세 군을 단호하고 이중으로, 그리고 삼중 충전된 이온 상태로 나타낸다. 주목할만한 233U 3 +에 비해 229Th3+ 추출의 지배력이며, 두 종은 이중으로 충전 될 때 약 동일한 강도로 추출됩니다. 이 사실은 233U 이온의 비교 측정에 사용되었으며, 이는 신호 기원으로 모든 이온 충격을 배제할 수 있게 했습니다.
그림 3 : 229토륨 이소머의 직접 붕괴 식별. a) 233U 소스 129로수행 된 전체 질량 스캔 . 단위는 전하(e)를 통해 원자질량(u)으로 제공됩니다. b) 2+ 및 3+ 충전 상태에서 토륨과 우라늄이 축적되는 동안 얻은 MCP 신호의 비교 (질량 스캔에 연결되는 화살표로 표시). 233 당신과 234U 소스가 사용되었다 (소스 번호는 각 행의 오른쪽에 주어진다). 각 이미지는 2,000s의 통합 시간(파선 원으로 표시된 직경 20mm 조리개)의 개별 측정에 해당합니다. 이온의 부드러운 착륙을 보장하기 위해 -25 V MCP 표면 전압에서 측정을 수행했습니다. c) 소스 1을 가진 229Th3+ 추출 동안 얻은 229Th 이소아니아 붕괴의 신호. 약 2mm(FWHM)의 신호 영역 직경이 달성됩니다. 얻어진 최대 신호 강도는 약 0.01 카운트 /(s mm2)의 배경 속도에서0.08 카운트/(s mm2)이다. 스프링어 연구 11의종류 허가 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
수송, 냉각 및 질량 분리 후, 이온 빔은 마이크로 채널 플레이트 검출기의 표면에 충돌, 낮은 매력적인 표면 전위는 이온 충격 신호의 억제를 보장하고 내부에서 발생하는 전자만 잎 변환(IC) 229mTh 이섬머의 붕괴 채널은 검출기 플레이트 채널의 강한 전기장에서 곱할 수 있다. 3개의 상이한 우라늄 소스에 대해 얻어진 결과 MCP 신호는 도 3b에표시된다. 각 개별 측정에서 사중극자 질량 분리기의 도움으로 선택된 이중 또는 삼중 전하 이온의 이온 종은 상부 패널로부터의 화살표로 지시된다. 그림은 MCP에서 전자가 가속된 형광체 스크린 뒤에 CCD 카메라로 취득한 사진입니다. CCD 카메라의 시야는 각각 삼중(처음 두 개의 열) 및 이중 충전(마지막 두 개의 열) 229Th 및 233U 이온에 대한 파선 원으로 표시됩니다. 위쪽 행은 작은 영역 233U 소스(예: 1000 추출된 229Th3+ 이온 초당, 소스 1)에 대해 얻은 결과를 나타내며, 하단 행은 10,000추출된 229Th 3+와 함께 더 강한 소스에 대해 동일하게 표시됩니다. 이온을 초당(소스 3) 두 경우 모두 229Th에대해 명확한 신호가 얻어지며, 233U 11에 대한 전자 신호의 표시는 관찰되지 않는다는 것이 명백합니다. 이 신호가 실제로 원자력 포탄 프로세스가 아닌 핵 탈취에서 비롯되었다는 것을 증명하기 위해 중간 행은 α 붕괴가 인접한 동위원소 230을 채우는 234U 소스를 사용할 때 결과 카메라 이미지를 보여줍니다. Th, 비교 전자, 아직 다른 핵 구조. 230Th에대한 예상대로, 연구된 어떠한 경우에도 전환 전자 신호의 표시가 발견되지 않는다. 따라서 그림 3c에 우수한 신호 대 배경 비율로 표시된 강한 신호는 229mTh의 붕괴와 명확하게 상관 관계가 있습니다.
이러한 해석을 지원하기 위한 추가 확인 측정은 그림4에 나와 있습니다. 그들은 등록 된 전자 신호가 실제로 핵 이소메의 붕괴에서 유래한다는 추가 증거를 제공하기 위해 두 가지 측정을 보여줍니다 : 그림 4a에서 MCP 검출기의 매력적인 표면 전위가 -100 V에서 변화했다는 것을 보여줍니다. 이온 충격에서 전자의 발생을 선호) 아래로 0 V, 추출 에 대한 MCP에 등록 된 카운트 비율을 비교 229Th2+ (빨간색) 및 233U2 + 이온 (파란색). 표면 전압이 ca. -40 V 이하인 들어오는 이온의 '소프트 랜딩'을 실현할 때 카운트 속도는 233U2+에 대해 0으로 떨어지며, 상당한 카운트 속도는 0V의 임계값까지 229Th2+에 남아 있습니다. 그림 4b에서파란색 곡선은 MCP 검출기 표면을 향한 강한 가속도 후 추출된 이온에 등록된 전자 카운트 속도를 233 U2+ 및 229Th2+ 이온으로 -2000 V. Ionic 충격으로 보여줍니다. 도 3a의추출된 질량 스펙트럼에서 이중 하전 이온에 대해 이미 나타난 바와 같이 약 동등한 강도로 관찰된다. 빨간색 곡선은 동일한 시나리오를 보여 주지만 이제 -25V MCP 표면 전위를 가진 들어오는 이온의 '소프트 랜딩'에 대해. 233U2+의 이온 충격 신호의 표시는 더 이상 표시되지 않으며, 229Th2+ 신호는 이소메릭 내부 변환 붕괴(11)에서 유래합니다.
그림 4 : 이소머 부패 검증 측정. a) 229Th2+ 신호(빨간색)는 MCP 표면 전압의 함수로서 233U2+ (파란색)와 비교됩니다. 오류는 그늘진 밴드로 표시됩니다. b) 추출된 이온의 신호는 MCP 표면 전압 -25V(이솜 부패, 적색) 및 -2,000V(이온 충격, 청색)에 대한 QMS 뒤의 질량 대 전하 비율의 함수입니다. 서로 다른 통합 시간 및 축 축 축 축 축 축 을 기록합니다. 114.5 u/e(229 Th2+에해당)의 신호 외에도 117.5 u/e에서 추가 신호가 발생하며, 이는 235U의 이소메릭 붕괴에서 비롯됩니다. 스프링어 연구11의종류 허가 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
따라서, 도 4에서 관찰된 신호가 229mTh의 이소메릭 붕괴로부터 유래하고, 첫 번째 직접 식별을 나타낸다는 것을 명백하게 입증할 수 있다(Ref. 11에주어진 추가 인수와 함께). 이 애매한 이성애자의 속임수.
그 후 세그먼트 추출-RFQ는 선형 폴 트랩으로 작동하여 다발이 이온 빔을 생성하여 토륨 이온계의 수명 측정을 가능하게 합니다. 우리의 실온 고진공은 최대 104 초의 예상 복사 수명을 조사하기에 충분한 긴 저장 시간을 허용하지 않기 때문에, 충전 된 229mTh에 대해 t1/2 > 1 분의 하한만 도출 할 수 있습니다. 이온, 선형 폴 트랩(11)에서달성 가능한 최대 이온 저장 시간에 의해 제한. 그러나 MCP 검출기의 표면에 토륨 이온을 중화한 후 이소머 붕괴를 식별하기 위해 이전에 적용된 것과 동일한 검출 전략을 사용하여, 중성 229mTh 원자에 대한 수명이 훨씬 더 짧아질 것으로 예상됩니다. 내부 변환 붕괴는 수명 정보에 대한 액세스를 제공합니다12. 그림 5a는 펄스 폭이 10μs인 이온 다이온 다이프에 대해 시뮬레이션된 대로 감쇠 시간 스펙트럼의 예상 형상을 나타낸다. 빨간색 곡선은 이온 충격 신호를 나타내고 7 μs 반감기를 가진 지수 붕괴의 신호는 긴 부패 꼬리를 가진 회색 곡선으로 표현되지만, 토륨 이소메의 붕괴에서 예상되는 신호는 이온 충격과 e로 구성됩니다. xponential 이소아니아 붕괴, 파란색 곡선에 의해 설명된다. 도 5b는 각각 233U 3+(빨간색) 및 229Th3+(파란색)에 대한 해당 측정 결과를 표시합니다. 우라늄 이온은 이온성 충격 신호만을 나타내지만, 229-토륨의 경우 이소메기 붕괴의 예상 부패 꼬리가12를관찰할 수 있다.
그림 5 : 시간이온 충격 및 부패 특성을 시뮬레이션하고 측정합니다. a) 229Th무리의 이소머 붕괴 시간 특성의 시뮬레이션. 시뮬레이션은 측정된 무리 모양과 229Th이온중 2%가 중화 후 반감기 7 μs의 이소만 상태에 있다는 가정을 기반으로 합니다. 전자 검출 효율은 이온 검출 효율보다 25배 더 큰 것으로 가정됩니다. b) 229(m)Th3+ 이온 빔(파란색)으로 이소미감 붕괴의 측정. 233U3+를 가진 비교 측정은 빨간색으로 표시됩니다. 미국 물리 학회 의 종류 허가12. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
감쇠 꼬리를 지수(도 6의로그 표현에 대한 선형 맞춤에 해당)로 피팅하면 마침내 7(1) μs12의중립 229mTh 이소머의 반감기가 생성됩니다. 이 값은 α IC~109 37의큰 변환 계수로 인해 충전된 이소머의 경우 ca. 10 4초로부터 9배의 크기로 이론적으로 예상 수명 감소에 동의한다.
그림 6 : 229m에 적합 Th 붕괴 곡선. 229(m)Th2+ 이온(a) 및 229(m)Th3+ 이온(b)에 대한 시간적 붕괴 특성의 로그플롯은 전하 재조합 후 229mTh의이소메릭 반감기를 추출하기 위해 적용된 맞춤 곡선과 함께 MCP 검출기 표면. 미국 물리 학회 의 종류 허가12. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
우라늄에서 반동 α 붕괴 딸 핵의 범위는 약 16 nm에 달한다. 주어진 소스 활성에 대한 α-반동 이온에 대한 소스의 높은 효율을 달성하기 위해서는 소스 재료 두께를 이 범위로 제한해야 합니다. α 반동 추출 효율은 완충가스 전지의 청결도에 의해 강하게 영향을 받습니다. 정지 가스의 오염은 전하 교환 또는 분자 형성으로 이어질 것입니다. 따라서, 가스 전지 자체는 초고진공 표준에 따라 구축되어야 하며, 특히 셀의 베이킹을 허용하고 내부의 유기 물질을 피해야 한다. 정지 가스는 극저온 트랩으로 부분적으로 둘러싸인 초청정 가스 공급 라인을 통해 촉매 정제 및 가스 전지로의 전달에 의해 지원되는 최고 수준의 가스 순도에서 시작하여 기술적인 최첨단에 따라 정제되어야 합니다. 불순물을 동결. 일반적으로, 가스 전지 추출 노즐의 위치에 대한 전체 설정의 중심 축의 신중한 정렬은 높은수송 및 검출 효율(29)을 달성하기 위해 필수적이다.
1.4.5 단계는 프로토콜에서 가장 중요합니다. 효율적인 이온 추출을 위해 높은 RF 진폭을 깔때기 링 전극에 적용해야 합니다. 그러나 진폭이 너무 높게 선택하면 가스 셀에 스파크가 발생합니다. 달성 가능한 최대 RF 전압 진폭은 버퍼 가스의 순도에 따라 크게 달라집니다. 전압의 성공적인 응용은 깔때기 오프셋 전압의 전류를 통해 모니터링됩니다. 이 전류는 스파크의 경우 증가합니다. 스파크가 발생하면 가장 높은 이온 추출 효율을 보장하기 위해 베이크 아웃 절차를 반복해야합니다.
또 다른 중요한 점은 MCP 검출기(단계 1.6.2-1.6.4)에 고전압을 적용한다는 것입니다. 현장 방출은 MCP에서 발생할 수 있으며, 이는 아티프리얼 신호로 이어질 수 있는 전자의 방출로 이어질 수 있습니다.
검출 유닛을 향한 최적의 이온 추출 및(냉각 및 질량 정제) 수송은 중앙 광학 축의 신중한 정렬이 필요합니다. 광학 정렬 시스템 (정렬 레이저 또는 테오돌라이트)의 가용성은 필수적이다. 추출 RFQ 및 QMS를 통한 효율적인 이온 수송은 각각의 반대 쪽 로드쌍(29)에적용되는 두 개의 반대 단계에 대해 무선 주파수 진폭의 지속적인 안정화를 필요로 한다. 추출 또는 수송 문제의 식별은 예를 들어, 다중 채널 플레이트 검출기를 통해 시운전 단계 동안 이온 경로를 따라 상이한 위치에 연속적으로 배치된 이온 진단에 의해 촉진될 수 있다. 설정, 또는 대안적으로, 예를 들어, 검출기를 향해 모든 추출 된 이온을 유치하기 위해 높은 음의 표면 전압 (1-2 kV)을 가진 추출 RFQ 뒤에 90o 미만.
작업 중에 일반적으로 두 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 모든 전압이 올바르게 적용되는 것은 아닙니다. 이 경우 일반적으로 이온이 추출되지 않으며 전압이 올바르게 적용되지 않는 위치를 찾아야합니다. 또한, 불순물은 헬륨 완충가스에 존재한다. 이 경우 삼중 전하 토륨 이온에 대한 추출 효율이 크게 감소하고 분자 형성이 발생합니다. 최악의 경우 깔때기 전압이 가해지면 스파크도 나타납니다. 가스 순도가 부족한 이유는 전형적으로 가스 공급 라인에서 의 누출 또는 완충가스 정지 셀의 적절히 폐쇄되지 않은 플랜지이다.
기재된 방법은 229m의능두를 함유하는 이온의 깨끗한 빔을 생성하는 것으로, 관심 있는 이온이 상당한 양의 완충가스 분위기로부터 추출될 수 있는 모든 비교 사례에 적용될 수 있다. 가스 전지 및 완충 가스의 청결은 필수적이므로 남은 가스 불순물의 양은 방법의 감도에 제한이 있습니다. 고용된 마이크로채널 플레이트 검출기(MCP)는 저에너지 변환 전자의 등록을 위해 여기에 악용되는 전자의 검출을 기반으로 하지만, 이 경우 이미 MCP38에대한 효율 곡선의 저에너지 경계에 놓여 있다. 높은 에너지의 경우 이 방법은 검출 효율을 크게 높일 수 있습니다.
지금까지, 기재된 방법은 토륨 이소머의 탈여기의 유일한 보고된 직접적이고 명백한 식별을 제공하였다. 또는, 진공 울트라 바이올렛 (VUV) 투명 결정 (큰 밴드 갭, 이소메의 가정 된 여기 에너지를 초과) 229Th로 도핑된다. 목표는 결정 격자 위치의 고 (4+) 전하 상태에 229Th 이온을 배치하고, 큰 밴드 갭에 의한 흥분을 억제하고 싱크로트론 광원으로부터 X-선을 사용하여 이소머의 여기를 목표로하는 것입니다. 이 접근법의 우아한 개념에도 불구하고, 지금까지 VUV 형광은 전 세계39,40,41,42,43 에 의해 보고된 일련의 실험에서 관찰될 수 없었다. . 소위 전자 교량 전이를 사용하여 229Th의 전자 껍질을 통해 이소머의 핵 여기를 실현하는 것을 목표로하는 실험 클래스도 마찬가지입니다. 여기서 전자 쉘 전이와 핵 이소머 사이의 공진 결합은 보다 효율적인 이소머집단(44,45)을허용해야 한다. 이성질체의 조사를 목표로 하는 다른 실험은 미세열량계(46) 또는 원자쉘(47)에서의 과미세이동의 관찰에 기초한다. 매우 최근에 레이저 유도 플라즈마에서 이소머를 자극하는 또 다른 방법은48로 보고되었으며 지역 사회 내에서 과학적 논의의 대상이 된다.
토륨 이소머(11)의 내부 변환 붕괴 채널의 발견및 중성 229mTh(7(1)μs)의 상응하는 반감기의 결정은 미래에 최초의 모든 광학을 실현하기 위해 이용될 수 있다. 기존 기술을 기반으로 펄스, 튜닝 가능한 VUV 레이저로 흥분할 수 있습니다. 따라서 이 흥분 에너지와 해당 사용자 정의 레이저 개발의 훨씬 더 나은 지식을 필요로 하는 현재 패러다임 은 우회 할 수 있습니다. 대조적으로, 내부 변환 전자 방출의 지식을 악용, 레이저 펄스와 변환 전자의 검출을 게이팅은 높은 신호 대 배경 비율을 제공 할 것이다, 미만에서 1 eV의 스캔을 허용하면서 3 일49. 더욱이, 이소메의 여기 에너지의 결정은, 아직도 진행 중이고, IC 감쇠 전자를 감속과 함께 자기 병 전자 분광기로 전송하여 229mTh 빔을 생성하는 설명된 방법에 기초할 수 있다. 필드 전극 그리드50. 동일한 기술은 또한 다른 화학 환경 (예를들어, CaF2 또는 냉동 아르곤과 같은 큰 밴드 갭 재료) 또는 229Th+뿐만 아니라 자유롭고 중립적 인 원자에 대한 이소닉 수명을 결정할 수 있습니다.
3+ 충전 상태의 동위원소 순수 토륨 이온 빔을 생성하는 설명된 방법은 향후 레이저 분광 실험을 위한 토륨 이온을 제공하는 도구로 사용될 수 있다. 이 경우 이온 빔을 사용하여 폴 트랩을 안정적이고 효율적인 방식으로 적재할 수 있습니다. 지금까지, 유일한 대안 방법은 고체 표적으로부터 레이저 절제에 의해 229Th3+를 생산하는 것이다. 그러나 이는 높은 레이저 강도와 229Th의다량이 필요하며, 이는 고가의 방사성 물질이며 사용된 진공 성분의 오염으로 이어집니다. 이러한 이유로, 기재된 방법은 핵 레이저 분광실험에 있어서 상당한 이점이 될 수 있다. 이 유형의 첫 번째 응용 프로그램은 이미51.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
이 작품은 보조금 협정 번호 664732 "nuClock"에 따라 유럽 연합 (EU)의 호라이즌 2020 연구 및 혁신 프로그램에 의해 지원되었다, DFG 교부금 Th956/3-1에 의해, 마이어 - 라이프 니츠 - 실험실을 통해 의료 물리학의 LMU 부서에 의해.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Uranium-233 Source | Institut für Radiochemie Universität Mainz | customized | 290 kBq U-233 deposited onto 90 mm diameter |
| RF funnel | Secamus Laserschneidtechnik GmbH | customized | 50 ring electrodes, laser cut and electropolished |
| Buffer-gas stopping cell | Workshop of LMU Munich | customized | Vacuuchamber DN200 CF for buffer-gas stopping cell |
| Roughing pump | Leybold | Screwline SP 250 | Roughing pump for entire system |
| Roughing pump control | Siemens | Micromaster 420 | Control unit for Screwline SP 250 |
| Vacuum gauge Prepressure | Pfeiffer | TPR 265 | Pressure control for roughing pump |
| Vacuum gauge cell 1 | Pfeiffer | CMR 261 | Pressure control for cell (high-pressure range) |
| Vacuum gauge cell 2 | Pfeiffer | PBR 260 | Pressure control for cell (low-pressure range) |
| Vacuum gauge RFQ | Pfeiffer | PKR 261 | Pressure control for RFQ pressure read-out |
| Pressure gauge QMS | Pfeiffer | PKR 261 | Pressure control for QMS pressure read-out |
| Pressure control unit | Pfeiffer | TPG 256 A | Control unit for all pressure gauges |
| Control PC 1 | Fujitsu | unknown | Control computer for buffer-gas stopping cell |
| Simatic with CPU | Siemens | S7-300 | Simatic for automation and control |
| Simatic without CPU | Siemens | ET 200M | Simatic for automation and control |
| Vacuum valves | SMC | XLH-40 | Vacuum valves for evacuation control |
| UHV gate valve | VAT | 48240-CE74 | Gate valve for cell closing during operation |
| Turbo-Molecular pump 1 | Pfeiffer | TMU 400M | Turbo pump for cell |
| Control unit for TMP 1 | Pfeiffer | TCM 1601 | Control unit for TMP TMU 400M |
| Turbo-Molecular pump 2 | Pfeiffer | HiMag 2400 | Trubo pump for RFQ |
| Turbo-Molecular pump 3 | Edwards | STP 603 | Trubo pump for QMS |
| Control unit for TMP 3 | Edwards | SCU-800 | Control unit for TMP Edwards STP 603 |
| Bypass valve of gas tubing | Swagelok | SS-6BG-MM | Valve to bypass the mass-flow controller |
| Heating sleeves | Isopad | customized | Heating sleeves for bake out of cell and RFQ |
| Temperature sensors | Isopad | TAI/NM NiCrNi | Temperature sensors for bake-out system |
| Heating control unit | Electronic workshop of LMU Munich | customized | Control unit for Isopad heating sleeves |
| Catalytic gas purifier | SAES MonoTorr | PS4-MT3-R-2 | Gas purifier for ultra-pure helium supply |
| He gas cylinder | Air Liquide | He 6.0, 50 liters | Helium of 99.9999 % purity |
| Pressure reducer | Druva | FMD 502-16 | Pressure reducer for He gas cylinder |
| Valve of gas supply | Swagelok | SS-6BG-MM | Valve to open or close the gas supply |
| Mass flow control | AERA | FC-780CHT | Mass flow control valve for He supply |
| control unit for mass flow valve | Electronic workshop of LMU Munich | customized | Control unit for AERA mass flow control |
| Gas tubing | Dockweiler | Ultron | electropolished gas tubing for He supply |
| Cryogenic trap | Isotherm | unknown | cryogenic trap for He purification (optional) |
| DC voltage supply for source | Electronic workshop of LMU Munich | customized | DC offset voltage supply for U-233 source |
| DC voltage supply for funnel | Heinzinger | LNG 350-6 | Power supply for DC gradient of funnel |
| DC voltage supply for RFQ | Iseg | unknown | DC voltage supply for funnel offset, nozzle and RFQ |
| Laval nozzle | Friatec AG | customized | Laval nozzle for He and ion extraction |
| DC voltage supply for buncher | Heinzinger | LNG 350-6 | DC supply for bunching electrode |
| Trigger module | Electronic workshop of LMU Munich | customized | Trigger module for bunched operation |
| RF generator for funnel | Stanford Research Systems | SRS DS 345 | RF generator for funnel |
| RF amplifier for funnel | Electronic Navigation Industries | ENI 240L-1301 | Rf amplifier for funnel |
| RF phase divider for funnel | Electronic workshop of LMU Munich | customized | RF phase divider for funnel |
| RF+DC mixer for funnel | Electronic workshop of LMU Munich | customized | Voltage divider and RF+DC mixer for funnel voltage |
| Extraction RFQ | Workshop of LMU Munich | customized | Extraction RFQ for ion-beam formation or storage |
| RF generator for RFQ | Stanford Research Systems | SRS DS 345 | RF generator for RFQ |
| RF amplifier for RFQ | Electronic workshop of LMU Munich | customized | RF amplifier for RFQ |
| RF amplifier for bunch electrode | Electronic workshop of LMU Munich | customized | RF amplifier for bunch electrode |
| RF+DC mixer for RFQ | Electronic workshop of LMU Munich | customized | Mixes the RF and DC potentials for RFQ voltage |
| RFQ exit electrode | Workshop of LMU Munich | customized | 2-mm diameter exit aperture for differential pumping |
| 4 Channel DC supply | Mesytec | MHV 4 | DC offset for aperture and triode |
| QMS | Workshop of LMU Munich | customized | Quadrupole mass separator for m/q selection |
| Brubaker DC offset module | Electronic workshop of LMU Munich | customized | DC offset supply for Brubaker lenses of QMS |
| QMS DC offset module | Electronic workshop of LMU Munich | customized | DC offset supply for QMS |
| USB-to-Analog converter | EA Elektro-Automatik | UTA12 | to generate signal for QMS HV shifter |
| QMS HV shifter | Electronic workshop of LMU Munich | customized | to shift the voltage of the QMS DC module |
| QMS DC module | Electronic workshop of LMU Munich | customized | Module to provide DC voltages for QMS |
| RF generator for QMS | Tektronix | AFG 3022B | RF generator for QMS |
| RF amplifier for QMS | Electronic workshop of LMU Munich | customized | RF amplifier for QMS |
| Picoscope | Pico Technology | Picoscope 4227 | Oscilloscope for QMS RF control |
| Control PC 2 | Fujitsu | Esprimo P900 | Control computer for QMS |
| Triode extraction system | Workshop of LMU Munich | customized | Set of three ring electrodes to guide ions |
| MCP detector | Beam-Imaging-Solutions | BOS-75-FO | MCP detector with phosphor sreen |
| DC voltage supply for MCP | Keithley Instruments | HV Supply 246 | Voltage supply for MCP front side |
| DC voltage supply for MCP | CMTE (NIM module) | HV 3160 | Voltage supply for MCP back side |
| DC voltage supply for MCP | Fluke | HV Supply 410B | Voltage supply for phosphor sreen |
| CCD camera | PointGrey | FL2-14S3M-C | CCD camera for image recording |
| Control PC 3 | Fujitsu | Esprimo P910 | Control computer for CCD camera |
| Light-tight housing | Workshop of LMU Munich | customized | Light tight wooden box for CCD camera |
| Dewar for LN2 supply | Isotherm | unknown | Dewar to provide dry nitrogen for venting |
| Evaporator for LN2 | Workshop of LMU Munich | customized | Evaporator to provide dry nitrogen |
| Single anode MCP detector | Hamamatsu | F2223 | Single anode MCP for lilfetime measurement |
| DC voltage supply for MCP | Fluke | HV supply 410B | Voltage supply for MCP anode |
| Power supply for preamplifier | Delta Elektronika | E 030-1 | Power supply for preamplifier |
| Preamplifier for MCP signals | Ortec | VT120A | Preamplifier for MCP signals |
| Amplifier for MCP signals | Ortec (NIM module) | Ortec 571 | Amplifier for MCP signals |
| CFD | Canberra | 1428A | Constant-fraction-discriminator for MCP signals |
| Multichannel Scaler | Stanford Research | SR 430 | Multichannel scaler for signal read-out |
| Control PC 4 | Fujitsu | Esprimo P920 | Control computer for scaler read-out |
| Labview | National Instruments | various versions | Program used for measurement control |
| Matlab | Mathworks Inc. | version 7.0 | Program used for data analysis |
References
- Reich, C. W., Helmer, R. G. Energy separation of the doublet of intrinsic states at the ground state of 229Th. Physical Review Letters. 64, 271-273 (1990).
- Reich, C. W., Helmer, R. G. An excited state of 229Th at 3.5 eV. Physical Review C. 49, 1845-1858 (1994).
- Guimaraes-Filho, Z. O., Helene, O. Energy of the 3/2+ state of 229Th reexamined. Physical Review C. 71, 044303 (2005).
- Beck, B. R., et al. Energy splitting of the ground-state doublet in the nucleus 229Th. Physical Review Letters. 98, 142501 (2007).
- Cerutti, F., Ferrari, A. Improved value for the energy splitting of the ground-state doublet in the nucleus 229Th. Proceedings of the 12th International Conference on Nuclear Reaction Mechanisms, , Varenna. (2009).
- Tkalya, E. V. Proposal for a nuclear gamma-ray laser of optical range. Physical Review Letters. 106, 162501 (2011).
- Raeder, S., et al. Resonance ionization spectroscopy of thorium isotopes-towards a laser spectroscopic identification of the low-lying 7.6 eV isomer of 229Th. NJ. Physics. 44, 165005 (2011).
- Peik, E., Tamm, C. Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in 229Th. European Physical Letters. 61, 181-186 (2003).
- Campbell, C. J., Radnaev, A. G., Kuzmich, A., Dzuba, V. A., Flambaum, V. V. Derevianko, A Single-Ion nuclear clock for metrology at the 19th decimal place. Physical Review Letters. 108, 120802 (2012).
- Kroger, L. A., Reich, C. W. Features of the low energy level scheme of 229Th as observed in the α of 233U. Nuclear Physics A. 259, 29-60 (1976).
- vd Wense, L., et al. Direct detection of the Thorium-229 nuclear clock transition. Nature. 533, 47-51 (2016).
- Seiferle, B., vd Wense, L., Thirolf, P. G. Lifetime measurement of the 229Th nuclear isomer. Physical Review Letters. 118, 042501 (2017).
- Nicholson, T. L., et al. Systematic evaluation of an atomic clock at 2.10-18 total uncertainty. Nature Communications. 6, 7896 (2015).
- Flury, J. Relativistic geodesy. Journal of Physics - Conference. 723, 012051 (2016).
- Ludlow, A. D., Boyd, M. M., Ye, J., Peik, E., Schmidt, P. O. Optical atomic clocks. Reviews of Modern Physics. 87, 637-701 (2015).
- Derevianko, A., Pospelov, M. Hunting for topological dark matter with atomic clocks. Nature Physics. 10, 933-936 (2014).
- Uzan, J. P. The fundamental constants and their variation: observational and theoretical status. Review of Modern Physics. 75, 403-455 (2003).
- Flambaum, V. V. Enhanced effect of temporal variation of the fine structure constant and the strong interaction in 229Th. Physical Review Letters. 97, 092502 (2006).
- He, X., Ren, Z. Temporal variation of the fine structure constant and the strong interaction parameter in the 229Th transition. Nuclear Physics A. 806, 117-123 (2008).
- Litvinova, E., Feldmeier, H., Dobaczewski, J., Flambaum, V. Nuclear structure of lowest 229Th states and time dependent fundamental constants. Physical Review C. 79, 064303 (2009).
- Flambaum, V. V., Wiringa, R. B. Enhanced effect of quark mass variation in Th229 and limits from Oklo data. Physical Review C. 79, 034302 (2009).
- Rellergert, W. G., et al. Constraining the evolution of the fundamental constants with a solid-state optical frequency reference based on the 229Th nucleus. Physical Review Letters. 104, 200802 (2010).
- Hayes, A. C., Friar, J. L. Sensitivity of nuclear transition frequencies to temporal variation of the fine structure constant or the strong interaction. Physics Letters B. 650, 229-232 (2007).
- Berengut, J. C., Dzuba, V. A., Flambaum, V. V., Porsev, S. G. Proposed experimental method to determine a sensitivity of splitting between ground and 7.6 eV isomeric states in 229Th. Physical Review Letters. 102, 210808 (2009).
- Flambaum, V. V., Auerbach, N., Dmitriev, V. F. Coulomb energy contribution to the excitation energy in 229Th and enhanced effect of α variation. Europhysics Letters. 85, 50005 (2009).
- Porsev, S. G., Flambaum, V. V. Effect of atomic electrons on the 7.6 eV nuclear transition in 229mTh3+. Physical Review A. 81, 032504 (2010).
- Godun, R. M., et al. Frequency ratio of two optical clock transitions in 171Yb+ and constraints on the time variation of fundamental constants. Physical Review Letters. 113, 210801 (2014).
- vd Wense, L., Thirolf, P. G., Kalb, D., Laatiaoui, M., Thirolf, P. G. Towards a direct transition energy measurement of the lowest nuclear excitation in 229mTh. Journal of Instrumentation. 8, P03005 (2013).
- vd Wense, L., Seiferle, B., Laatiaoui, M., Thirolf, P. G. Determination of the extraction efficiency for 233U source recoil ions from the MLL buffer-gas stopping cell. European Physical Journal A. 51, 29 (2015).
- Neumayr, J. B. The buffer-gas cell and extraction RFQ for SHIPTRAP. , LMU . Munich, Germany. PhD Thesis (2004).
- Neumayr, J. B., et al. The ion-catcher device for SHIPTRAP. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 244, 489-500 (2006).
- Neumayr, J. B., et al. Performance of the MLL-Ion catcher. Review of Scientific Instruments. 77, 065109 (2006).
- Haettner, E. A novel radio frequency quadrupole system for SHIPTRAP & New mass measurements of rp nuclides. , University of Giessen. Germany. PhD Thesis (2011).
- Haettner, E., et al. A versatile triple radiofrequency quadrupole system for cooling, mass separation and bunching of exotic nuclei. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 880, 138-151 (2018).
- vd Wense, L. On the direct detection of 229mTh. Springer Theses 2018. , Springer international publishing. ISBN 978-3-319-70460-9 (2018).
- Eberhardt, K., et al. Actinide targets for fundamental research in nuclear physics. AIP Conference Proceeding 1962s. , 030009 (2018).
- Karpeshin, F. F., Trzhaskovskaya, M. B. Impact of the electron environment on the lifetime of the 229Thm low-lying isomer. Physical Review C. 76, 054313 (2007).
- Gorugantu, R. R., Wilson, W. G. Relative electron detection efficiency of microchannel plates from 0-3 keV. Review of Scientific Instruments. 55, 2030-2033 (1984).
- Jeet, J., et al. Results of a direct search using synchrotron radiation for the low-energy 229Th nuclear isomeric transition. Physical Review Letters. 114, 253001 (2015).
- Yamaguchi, A., Kolbe, M., Kaser, H., Reichel, T., Gottwald, A., Peik, E. Experimental search for the low-energy nuclear transition in 229Th with undulator radiation. New Journal of Physics. 17, 053053 (2015).
- Stellmer, S., Schreitl, M., Schumm, T. Radioluminescence and photoluminescence of Th:CaF2 crystals. Scientific Reports. 5, 15580 (2015).
- Stellmer, S., Schreitl, M., Kazakov, G. A., Sterba, J. H., Schumm, T. Feasibility study of measuring the 229Th nuclear isomer transition with 233U-doped crystals. Physical Review C. 94, 014302 (2016).
- Stellmer, S., et al. On an attempt to optically excite the nuclear isomer in Th-229. arXiv:1803.09294 [physics.atom-ph]. , (2018).
- Porsev, S. G., Flambaum, V. V., Peik, E., Tamm, C. Excitation of the isomeric 229mTh nuclear state via an electronic bridge process in 229Th+. Physical Review Letters. 105, 182501 (2010).
- Campbell, C. J., Radnaev, A. G., Kuzmich, A. Wigner Crystals of 229Th for optical excitation of the nuclear isomer. Physical Review Letters. 106, 223001 (2011).
- Kazakov, G., et al. Prospects for measuring the 229Th isomer energy using a metallic magnetic microcalorimeter. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 735, 229-239 (2014).
- Sonnenschein, V., et al. The search for the existence of 229mTh at IGISOL. European Physical Journal A. 48, 52 (2012).
- Borisyuk, P. V., et al. Excitation energy of 229Th nuclei in laser plasma: the energy and half-life of the low-lying isomeric state. arXiv:1804.00299v1 [nucl-th]. 53, 108 (2018).
- vd Wense, L., et al. A laser excitation scheme for 229mTh. Physical Review Letters. 119, 132503 (2017).
- Seiferle, B., vd Wense, L., Thirolf, P. G. Feasibility study of Internal Conversion Electron Spectroscopy of 229mTh. European Physical Journal A. 53, 108 (2017).
- Thielking, J., et al. Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer 229mTh. Nature. 556, 321-325 (2018).
