Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Klargøring af en isotopisk ren 229th ionstråle til studier af 229m

Published: May 3, 2019 doi: 10.3791/58516
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Faculty of Physics, Ludwig-Maximilians-Universität München

Summary

Vi præsenterer en protokol til generering af en isotopisk renset lavenergi 229th ion stråle fra en 233U kilde. Denne ion Beam bruges til direkte påvisning af den 229mth jord-State forfald via den interne-konvertering henfalds kanalen. Vi måler også den interne konvertering levetid på 229mth samt.

Abstract

En metode er beskrevet til at generere en isotopisk ren 229th ion stråle i 2 + og 3 + opladning stater. Denne ion Beam gør det muligt for en at undersøge den lavtliggende isomerisk første ophidsede tilstand af 229th ved en excitation energi på omkring 7.8 (5) EV og en stråle ativ levetid på op til 104 sekunder. Den præsenterede metode tilladt for en første direkte identifikation af henfald af thorium isomer, lægge fundamentet for at studere dets forfald egenskaber som forudsætning for en optisk kontrol af denne nukleare overgang. Høj energi 229th ioner er produceret i α forfald af en radioaktiv 233U kilde. Ionerne er thermaliseret i en buffer-gas standsning celle, ekstraheret og efterfølgende en ionstråle dannes. Denne ion stråle er masse renset af en firpolet-masse separator til at generere en ren ionstråle. For at detektere isomerisk forfald opsamles ionerne på overfladen af en mikro-kanal plade detektor, hvor elektroner, som udsendes i den interne omdannelses henfald i isomerisk tilstand, observeres.

Introduction

Den første spændte meta able tilstand i thorium-229 Nucleus, betegnet som 229mth, udviser en særlig position i det nukleare landskab, da det besidder den laveste nukleare excitation energi af alle i øjeblikket kendt ca. 176.000 atomare ophidsede stater. Mens typiske nukleare energier spænder fra keV op til MeV regionen, 229mth besidder en energi på under 10 EV over den nukleare jord tilstand1,2,3. Den aktuelt mest accepterede energiværdi for denne tilstand er 7,8 (5) EV4,5. Denne lave energiværdi har udløst interesse fra forskellige fysiske samfund og førte til forslaget om flere interessante applikationer. Blandt dem er en nuklear laser6, en meget stabil qubit for Quantum computing7 og et nukleart ur8,9.

Grunden til, at 229mth forventes at tilbyde en bred vifte af applikationer er baseret på det faktum, at på grund af sin ekstraordinære lavenergi, det er den eneste nukleare tilstand, der kan give mulighed for direkte nuklear laser excitation ved hjælp af i øjeblikket tilgængelige laser Teknologi. Hidtil, dog, direkte nuklear laser excitation af 229mth blev forhindret af utilstrækkelig viden om den meta able tilstands parametre som dens præcise energi og levetid. Selv om eksistensen af en nuklear ophidset tilstand af lav energi i 229th var allerede formodninger i 197610, al viden om denne tilstand kunne kun udledes af indirekte målinger, ikke giver mulighed for en præcis bestemmelse af dens forfald Parametre. Denne situation har ændret sig siden 2016, da den første direkte påvisning af 229mth forfald åbnede døren for en lang række målinger til formål at pin ned den ophidsede tilstands parametre11,12. Her gives en detaljeret protokol, som beskriver de enkelte trin, der kræves for en direkte påvisning af 229mth som opnået i forsøget på 2016. Denne direkte opdagelse danner grundlag for en præcis bestemmelse af den 229menergi og levetid og dermed for udviklingen af et nukleart ur. I det følgende begrebet et nukleart ur som den vigtigste ansøgning om 229mth vil blive drøftet.

Med en relativ linjebredde på δe/e ~ 10-20 den jord-tilstand overgang af thorium isomer potentielt betragtes som en nuklear frekvens standard ("nukleare ur")8,9. På grund af en atomkerne omkring 5 størrelsesordener mindre i forhold til den atomare shell, er de nukleare øjeblikke (magnetisk dipol og elektrisk firpol) derfor mindre end dem i atomer, hvilket gør et atomur stort set immune over for eksterne (sammenlignet med de nuværende state-of-the-art atomure). Derfor, en nuklear frekvens standard lover en meget stabil og præcis Clock operation. Selv om nøjagtigheden opnået i de bedste nuværende atomure når omkring 2.1 x10-1813, svarende til en afvigelse på 1 sekund i en tidsperiode betydeligt længere end universets alder, nukleare ure holde potentialet i en yderligere forbedringer, der kan blive afgørende for et stort anvendelsesområde. Satellitbaserede navigationssystemer som det globale positioneringssystem (GPS), det globale satellitnavigationssystem (GLONASS) eller Galileo opererer i øjeblikket med en positionerings præcision på nogle få meter. Hvis dette kunne forbedres til centimeter eller endda millimeter skala, en overflod af ansøgninger kunne påtænkes, fra autonome kørsel til fragt eller komponent tracking. Ud over meget præcise ure, vil sådanne systemer kræve pålidelig uafbrudt drift, med langsigtet drift stabilitet, der sikrer lange gensynkroniserings intervaller. Brugen af nukleare ure kan vise sig gavnlig fra dette praktiske synspunkt. Yderligere praktiske anvendelser af (synkroniserede netværk af) nukleare ure kunne ligge inden for relativistiske geodæsi14, hvor uret fungerer som en 3D tyngdekraften sensor, der relaterer lokale gravitations potentielle forskelle δu til målte (relative) clock frekvens forskelle Δf/f via relationen Δf/f =-ΔU/c2 (c, som angiver lysets hastighed). De bedste nuværende ure er i stand til at registrere gravitations Skift fra højdeforskelle på ca. ± 2 cm. Således kan ultra-præcise målinger ved hjælp af en atomur netværk bruges til at overvåge dynamikken i vulkansk magma kamre eller tektoniske plade bevægelser15. Desuden blev brugen af sådanne Clock Networks foreslået som et redskab til at søge efter den teoretisk beskrevne klasse af topologiske mørkt stof16. Omfattende diskussion kan findes i litteraturen om anvendelsen af en 229mth-baseret atomur i jagten på påvisning af potentielle tidsmæssige variationer af grundlæggende konstanter som den fine struktur konstant α eller den stærke interaktion parameter (mq/ΔQCD, med mq repræsenterer Quark Mass og ΔQCD skalaen parameter for den stærke interaktion), foreslog i nogle teorier samlende tyngdekraft med andre interaktioner17. Påvisning af en tidsmæssig variation i jord-tilstand overgangen energi på 229mth kan give en øget følsomhed med omkring 2-5 størrelsesordener for tidsmæssige variationer af den fine struktur konstant eller den stærke interaktion parameter 18,19,20,21,22,23,24,25,26. Den nuværende forsøgs grænse for en sådan variation af α beløber sig til (dα/DT)/α =-0,7 (2,1) 10-17/år27. I det følgende vil den eksperimentelle tilgang til direkte påvisning af den 229mjord-State forfald blive beskrevet.

Bevis for eksistensen af 229-thorium isomer indtil for nylig kun kunne udledes af indirekte målinger, tyder på en excitation energi af 7.8 (5) eV (svarende til en bølgelængde i vakuum ultra-violet spektralområde af 160 (11) nm)4 , 5. vores eksperimentelle tilgang, der sigter mod en direkte identifikation af isomeren jord-tilstand afmagnetisering af 229mth isomeren, bygger på en rumlig adskillelse af isomer befolkningen i en buffer-gas standsning celle, efterfulgt af en ekstraktion, og masse separeret transport mod en egnet detekterings enhed til registrering af deexcitation-produkterne28,29. Således kan population og deexcitation af isomer afviklet, hvilket resulterer i et rent måle miljø, upåvirket af hurtige baggrunds bidrag. Population af isomer opnås via α henfald fra en radioaktiv 233U kilde, hvor en 2% henfalds gren fortsætter ikke direkte til jorden tilstand 229th, men befolserer isomere først ophidset tilstand i stedet. a-henfalds rekyl kerner er termiserede i en ultra-ren helium atmosfære af en buffer-gas standsning celle, før de styres af elektrisk radiofrekvens (RF) og jævnstrøm (DC) felter mod en ekstraktions dyse, hvor den spirende supersoniske gas jet trækker dem ind i et tilstødende vakuumkammer, der huser en (segmenteret) radiofrekvens firpol (TILBUDSANMODNING) struktur fungerer som ion guide, fase-Space køligere og potentielt også som lineær Paul fælde for bunching de ekstraherede ioner. Du finder en detaljeret beskrivelse af buffer-gas-stop cellen og udtræknings TILBUDSANMODNINGEN i Refs. 30 , 31 , 32. da den ekstraherede ionstråle indtil det tidspunkt indeholder 229 (m)også kæden af a Decay datterprodukter, udføres masse separation ved hjælp af en firpol-masse separator (QMS) i et efterfølgende vakuumkammer til endelig generere en isotopisk ren 229 (m)th stråle i valgbar ladning stater (q = 1-3). En detaljeret beskrivelse af QMS kan findes i Refs. 33 , 34. påvisning af isomerisk forfald blev opnået ved at hæmme de direkte på overfladen af en Micro Channel-plade detektor (MCP), hvor elektroner frigøres, accelereres mod en fosforskærm og ses af en ladekoblet anordning (CCD) Kamera. En oversigt over forsøgs opsætningen vises i figur 1. En detaljeret beskrivelse er angivet i Ref.35.

Figure 1
Figur 1: oversigt over den eksperimentelle opsætning. Thorium-229 isomer er befolket via 2% henfald gren i α forfald af uran-233. 229m De, der forlader 233U kilden på grund af deres kinetiske rekyl energi, er termiseret i en buffer-gas standsning celle fyldt med 30 mbar helium gas. Ionerne ekstraheres fra stop volumen med hjælp til RF og DC felter og en lavenergi ionstråle dannes ved hjælp af en radiofrekvens firpol (TILBUDSANMODNING). Ionstrålen er masse renset ved hjælp af en firpol-masse separator (QMS), og ionerne implanteres blødt i overfladen af en Micro-Channel-Plate (MCP) detektor kombineret med en fosfor-skærm, som giver mulighed for rumligt afhjulpet påvisning af enhver forekommende signaler. Med venlig tilladelse fra springer Research, er dette tal blevet ændret fra11. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Følgende protokol beskriver den underliggende procedure for at generere den 229 (m)th ion stråle, der gjorde det muligt for den første direkte påvisning af jorden-State forfald af thorium isomer, og dermed lægge fundamentet for at studere dets forfald egenskaber som en forudsætning for den i sidste ende planlagte alt-optisk kontrol af denne eksotiske nukleare tilstand mod dens anvendelse som en ultra-præcis nuklear frekvens standard. For bedre orientering er der angivet en skematisk oversigt over den opsætning, der anvendes til direkte påvisning af isomerisk forfald11 , i figur 2, som indeholder en numerisk mærkning af komponenterne i den følgende protokol. Også de komponenter, der anvendes til livstids bestemmelse12 , er indeholdt som en inset.

Figure 2
Figur 2: skematisk skitse af den eksperimentelle opsætning, der anvendes til isomerisk henfalds detektering. De komponenter, der bruges til måling af levetid, vises som en inset. Individuelle komponenter, der vil blive refereret til i protokol sektionen, er numerisk mærket. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

Bemærk: numrene i protokollen vil referere til Figur 2.

1. direkte påvisning af th-229 Isomerisk forfald

  1. Montering af 233-uran kilde
    1. Monter 233-uran α-kilden (1) ved åbning af en adgangsflange i gascellens vakuumkammer til den opstrøms ende af tragt Rings elektrode systemet (2) inde i gascellen (3).
      Bemærk: 290 kBq, 90 mm diameter 233U kilde blev fremstillet via Molekylær belægning på en titanium-sputtered si wafer36. For at opnå optimal α rekyl-virkningsgrad af kilden, bør dens tykkelse ikke overstige 16 nm, er stop intervallet 84 keV 229th i uran.
    2. Tilslut kablet til kilde holderen for at tillade en DC-forskydning af kilden. Luk og forsegl adgangs flangen, og Forbind de eksterne ledninger til 233U-kilden.
  2. Evakuering af vakuumkammeret og bage
    1. Start evakueringen af det komplette vakuumsystem ved at starte skrube vakuumpumpen (4), hvis den lukkes ned (styres via en computerbaseret brugergrænseflade (5)), og Åbn de tre (håndbetjente) ventiler (6), der forbinder de enkelte dele af differentiale pumpe trin til skrumnings pumpen.
      Bemærk: Begynd at åbne ventilerne fra kamrene neden for gascellen med åben låge ventil (7) mod gascellens Turbo molekyl pumpe for at skabe en trykgradient, der forhindrer potentielle forureninger fra downstream-kamre til at blive suget ind i gas-celle kammer, hvor højeste renlighed kræves.
    2. Når trykket har nået et niveau i sub-mbar-området (Udlæs via brugergrænseflade (5)), skal du starte gascellens turbopumper (8), ekstraktions radiofrekvens firpole (TILBUDSANMODNING) (9) og firpol-masse separatoren (QMS) (10).
    3. valgfri Åbn bypass-ventilen (11) for også at give mulighed for effektiv evakuering af gasforsynings slangen.
    4. Fortsæt med at pumpe i et par (4-5) timer, indtil du når mætnings trykket, typisk i intervallet 10-7 mbar.
    5. Start bagesystemet (12) via brugergrænsefladen (5) med en upramping (typisk 20 °C-40 °C pr. time) varmekurve til højst 130 °C.
    6. Fortsæt med at bage vakuumsystemet ved 130 °C i 1-2 dage, indtil tryk aflæsningerne begynder at falde.
    7. Start køle sekvensen af bagesystemet via brugergrænsefladen (5) med en nedramping sekvens, typisk 20 °C-40 °C pr. time.
      Bemærk: cooldown af systemet kræver typisk 8 timer og udføres natten over. Vellykket forberedelse af vakuumsystemet opnås, når det endelige celle tryk efter afkøling varierer under 5x10-10 mbar. Trykket i TILBUDSANMODNINGEN og QMS-kammeret vil være i henholdsvis 10-9 mbar-og 10-8 mbar-området.
    8. Tilslut de eksterne ledninger til TILBUDSANMODNINGS vakuumkammeret.
  3. Forberedelse af gassystemet og levering af ultra-ren han
    1. Start MonoTorr gas-purifier (13) og vent 20 minutter, indtil den har nået sin driftstemperatur.
    2. Luk bypass-ventilen (11), hvis den er åben.
    3. Åbn he-gas cylinder (14) (he af 99,9999% renhed anvendes til drift).
    4. Åbn trykreduktionsventilen (15), indtil der vises et tryk på ca. 0,5 bar.
    5. Åbn ventilen, der forbinder tryk reduktionsanordningen med gasslangen (16).
    6. Åbn gasstrømnings styringen (17), indtil der vises en gasstrøm på ca. 1,1 (svarende til ca. 5 mbar l/s).
    7. Skyl gasslangen i ca. 10 minutter for at fjerne restgasser fra slangen.
    8. Luk ventilen, der forbinder tryk reduktionsanordningen med gasslangen (16).
    9. Vent et par minutter, indtil han er fjernet fra gasslangen.
    10. valgfri For den højeste renhed af stødpude gassen fyldes kryo-fælden (18) med flydende nitrogen.
    11. Indstil låge ventilen (7) mellem buffer gascellen og dens Turbo molekyle pumpe til automatisk drift, og luk ventilen via brugergrænsefladen (5).
    12. Åbn ventilen, der forbinder tryk reduktionsanordningen med gasslangen (16).
      Bemærk: buffer-gas stop cellen er nu fyldt med ca. 30 mbar af HE gas. På denne måde øges TILBUDSANMODNINGEN og QMS-trykket til henholdsvis 10-4 mbar og 10-5 mbar.
    13. Juster rotationshastigheden af den turbomolekylære pumpe på ekstraktions-TILBUDSANMODNINGS vakuumkammeret (9) til 50% for at indstille et omgivende Tryk på ca. 10-2 mbar.
  4. Anvend de elektriske styre felter til kontinuerlig ionekstraktion
    1. Anvend et DC-potentiale på 233-uran α-kilden (1) på 39 V i kontinuerlig tilstand via en tilpasset DC-spændingsforsyning (19).
    2. Anvend en DC-potentiel gradient på 4 V/cm (fra 35 V til 3 V) via en DC-strømforsyning (20) og en spændings forskydning på 3 V via en 24-kanals DC-offset forsyning (21) til det 50-dobbelte segmenterede tragt Rings elektrode system. Alle spændinger styres med den computerbaserede brugergrænseflade (5).
    3. Anvend en DC-potentiel på typisk 2 V til ekstraktions dyseelektroden (22) ved hjælp af den samme computerbaserede brugergrænseflade (5).
    4. Anvend en DC-potentiel gradient til 12-fold segmenteret udtræk-TILBUDSANMODNING (27).
      Bemærk: spændingen for hvert segment kan anvendes individuelt ved hjælp af den computerbaserede brugergrænseflade (5) via 24 Channel DC offset-forsyningen (21). En spænding på 1,8 V påføres det segment, der er tættest på ekstraktions dysen. Spændingerne af de efterfølgende segmenter er derefter trinvise faldet med 0,2 V, hvilket resulterer i en spænding på 0 V anvendt på 10. Dette svarer til en DC gradient på 0,1 V/cm. I tilfælde af tilsigtet kontinuerlig transport af de udtrukne ioner anvendes en spænding på 0 V på de 11. og 12. Til dette formål er DC-spændingsforsyningen i 12 -tilbudsanmodnings segmentet (23) tilbage ved 0 V, og det tilpassede udløser modul (24) er indstillet til kontinuerlig driftstilstand.
    5. Anvend RF-frekvens og amplitude på tragt Rings elektrode systemet via en funktionsgenerator (25) og lineær RF-forstærker (26).
      Bemærk: typiske værdier for frekvens og amplitude er henholdsvis 850 kHz og 220 VPP. Spændingerne kan styres med en computerbaseret brugergrænseflade (5). Under tragt-RF-spændings applikation skal du overvåge strømmen af tragt JÆVNSTRØMS offset-forsyningen (21). I tilfælde af gnister, som kan opstå, hvis buffer-gas renhed er utilstrækkelig, denne nuværende vil begynde at stige.
    6. Anvend RF-frekvens (typisk 880 kHz) og amplitude (typisk 120-250 VPP) til ekstraktions radiofrekvens firpol (27) (udtræk-tilbudsanmodning) via en frekvens generator (28) og to RF-forstærkere (29, 30), en til tilbudsanmodningen og en til den enkelte bunching elektrode. Spændingen kan styres med den computerbaserede brugergrænseflade (5).
    7. Anvend et DC-potentiel på-1 V til exit elektroden (31) på ekstraktionen-TILBUDSANMODNINGEN via en Mesytec MHV-4 DC-spændingsforsyning (32).
    8. Anvend JÆVNSTRØMS spændinger på firpol-masse separatoren (33) (QMS). Offset spændingen af QMS (center elektrode og Brubaker linser) er valgt til at være-2 V via tilpassede DC offset moduler (34, 35).
    9. Start firpol-masse separatoren (33) QMS ved at tænde for QMS-funktions generatoren (36), RF-forstærkeren (37) og starte QMS-brugergrænsefladen (38). I brugergrænsefladen i QMS indsættes masse overladnings forholdet for de valgte ionarter (typisk 76 u/e eller 114,5 u/e for udvinding af henholdsvis th3 + eller th2 +). Også QMS accept (typisk 1 til 2 u/e) og RF frekvens (typisk 825 kHz) er indsat.
      Bemærk: LabVIEW-programmet vil automatisk anvende og styre RF amplitude og DC potentialer kræves for ion udvælgelse. De påkrævede RF-amplituder spænder fra 600 til 1500 VPP og DC potentialerne spænder fra 50 v til 120 v. DC potentialerne for masse separation genereres af et tilpasset DC-modul (39). En feedback-loop er implementeret for RF og DC spændings stabilisering.
    10. Anvend DC-potentialet til fokusering af triodic-elektrode strukturen (40) bag QMS (-2 V/-62 V/-22 V) via Mesytec 4 Channel (MHV-4) spændings forsynings modulet (32).
  5. Probe ion ekstraktion og tune QMS
    1. Anvend et attraktivt overflade potentiale på-1000 V til frontpladen på dobbelt plade (Chevron Geometry) Micro Channel-Plate detektor (41) (MCP) via et højspændings modul (HV) (42).
    2. Anvend et potentiale på + 900 V på bagsiden af den anden MCP-plade via et HV-modul (43).
    3. Anvend et potentiale på + 5.000 V på fosfor-skærmen (44) placeret bag MCP-detektoren via et hv-modul (45).
    4. Tænd CCD-kameraet (46) bag fosfor-skærmen, og Konfigurer eksponerings parametrene for CCD-kameraet i den tilsvarende grafiske brugergrænseflade på dataindsamlings-pc'en (47).
      Bemærk: CCD-kameraet anbringes i et lystæt kabinet (48) for at dække detektering fra omgivende lys. I tilfælde af, at ekstraktionen kører korrekt, og ioner passerer gennem QMS et stærkt signal bør være synlig på fosfor skærmen forårsaget af den ioniske virkning af de udvundne ioner. Dette signal overvåges nu af CCD-kameraet.
    5. Udfør en masse scanning for at sonde signal figuren og derfor tune QMS at udtrække de ønskede ionarter.
      Bemærk: Dette er en iterativ procedure, der udføres ved hjælp af QMS-brugergrænsefladen (38). Vælg et ønsket Mass-over-Charge-forhold (typisk 114,5 u/e for 229th2 +) og QMS-løsningen (typisk 1 u/e), og sonde derefter det Ioniske effektsignal via CCD-kameraet. Skift den valgte masse i 0,5 u/e trin, indtil der observeres et signal. Så snart et signal er observeret, sonde, hvis også 233U2 + signalet kan observeres ved at flytte Mass-over-Charge-forholdet med 2 U/e til højere masser. Hvis også dette signal er observeret, sonde, hvis signalerne kan adskilles. Hvis dette ikke er tilfældet, skal du tilpasse QMS-løsnings kraften, indtil signalerne 229th2 + og 233U2 + klart kan skelnes. Indstil derefter QM'ER til kun at udtrække de 229th2 + ionarter.
  6. Påvisning af isomerisk forfald
    1. Sluk for QMS-trykføleren (49) via trykfølerens styreenhed (50) for at reducere baggrunden fra ioniseret helium og lys, der produceres af sensoren.
    2. Juster QMS-parametrene for at udtrække th2 + eller th3 + ionarterne for isomerisk henfalds detektering.
    3. Reducer overflade potentialet på frontpladen på MCP-detektoren (41) til-25 V via (42) for at undgå at detektere signalet fra elektroner, som stammer direkte fra den ioniske virkning af at påvirke ionerne. På denne måde opnås en» blød landing «af de 229 (m)ioner på MCP-overfladen før isomerisk forfald.
    4. Anvend et accelererende potentiale på typisk + 1.900 V til den anden MCP-plade for optimal elektron forstærkning via (43).
    5. Anvend et accelererende potentiale på typisk + 6.000 V til fosfor skærmen placeret bag MCP-detektoren via (45).
      Bemærk: de faktisk anvendte spændinger vil afhænge af MCP-ydeevnen.
    6. Start anskaffelsen sekvens af CCD-billeder og gemme data på disken via kameraets brugergrænseflade (47).
    7. Brug MATLAB-programmer til billed evaluering og efter behandling.
      Bemærk: en beskrivelse af programmerne og hvordan de anvendes, findes i Ref.35 Appendiks B. 3. Rå data af billedrammer samt de programmer, der anvendes til evaluering er blevet gjort tilgængelige online på DOI 10.5281/zenodo. 1037981.

2. måling af 229m Half-Life (omorganisering af opsætningen)

  1. Lukke og udluftning af systemet.
    1. Sluk for de høje spændinger i MCP-detekterings systemet (42, 43, 45), QM'ER (37, 38), tragt systemet (25, 26) og udtræknings TILBUDSANMODNING (28, 29, 30).
    2. Valgfri Sluk for alle resterende DC-spændinger.
    3. Luk manuelt forsyningssystemet (ventiler 14 og 16), og vent, indtil trykket fra buffer-gas-stop cellen reduceres til under 2 mbar.
    4. Åbn den låge ventil, der forbinder Turbo pumpen med buffer-gas-stop cellen (7) via brugergrænsefladen (5), og vent, indtil han er helt fjernet fra systemet.
    5. Luk ventilen (17) på gasforsynings ledningen, og sluk for gasrenser (13).
    6. Indstil låge ventilen (7) til manuel betjening for at forhindre den i at lukke, når systemet er ventileret med tør nitrogen.
    7. Luk de tre ventiler, der forbinder Turbo pumperne med skruelpumpen (6), og sluk de tre turbopumper (8, 9, 10).
    8. Tænd for QMS-trykføleren (49).
    9. Vent, indtil Turbo pumpernes rotationshastighed er reduceret til betydeligt under 100 Hz som overvåget på brugergrænsefladen (5).
    10. Fyld Dewar (51) med flydende nitrogen og Åbn langsomt ventilerende ventil (52). Vent flere minutter, indtil systemet er helt ventileret med tør nitrogen.
      Bemærk: Alternativt kan der anvendes tør nitrogen fra en Gascylinder. Men i dette tilfælde skal man passe på, at der ikke opstår overtryk (f. eks. ved at indsætte en overtryksventil eller ruptur disk). Brugen af luft er også et alternativ, men vil føre til lidt længere evakueringstider på grund af fugtighed.
    11. Luk udluftning ventilen (52).
  2. Udskift MCP med fosfor-skærm (41, 44) med en lille single-anode MCP-detektor (53)
    1. Frakobl og fjern CCD-kameraet (46) sammen med det lystætte kabinet (48).
    2. Frakobl MCP-detektoren med fosfor-skærm (41, 44).
    3. Åbn den vakuum flange, der forbinder MCP-og fosfor-skærmen med vakuumkammeret.
    4. Placer den enanode MCP (53) med et par mm afstand bag udgangen af triode ekstraktions systemet (40) og Forbind de tre ledninger, der forbinder frontpladen (42), bagpladen (43) og anode af MCP (54) med de elektriske gennemføringer.
    5. Luk vakuumkammeret, systemet er nu klar til evakuering og bage ud.
    6. Yder den eksterne ledningsføring af den enkelte anode MCP til HV-modulerne og læse-out-systemet.
  3. Evakuering af systemet og bage ud
    1. Evakuer vakuumsystemet ved at følge trinene 1.2.1 til 1.2.3.
    2. Følg bake-out proceduren af trin 1.2.4 til 1.2.8.
  4. Forberedelse af gasslangen og levering af ultra-ren han
    1. Følg trinene 1.3.1 til 1.3.12.
      Bemærk: i forbindelse med bundter-drift anvender vi typisk Turbo pumpen på tilbudsanmodningen ved 100% rotationshastighed, hvilket resulterer i et tryk i 10-4 mbar-området.
  5. Anvend de elektriske styre felter til ion bunching
    1. Anvend et DC-potentiale på 69 V til 233-uran α-kilden (1) via den tilpassede DC-spændingsforsyning (19).
    2. Anvend en DC-potentiel gradient på 4 V/cm (fra 65 V til 33 V) via DC-strømforsyningen (20) og en spændings forskydning på 33 V via 24-kanals DC offset-forsyningen (21) til det 50-fold segmenterede tragt Rings elektrode system. Alle spændinger styres med den computerbaserede brugergrænseflade (5).
    3. Anvend et DC-potentiale på 32 V til ekstraktions dyseelektroden (22) ved hjælp af den samme computerbaserede brugergrænseflade (5).
    4. Anvend en DC-potentiel graduering til den 12-dobbelte segmenterede udtræk-TILBUDSANMODNING.
      Bemærk: spændingen for hvert segment kan anvendes individuelt ved hjælp af den computerbaserede brugergrænseflade (5) via 24 Channel DC offset-forsyningen (21). En spænding på 31,8 V påføres det segment, der er tættest på ekstraktions dysen. Spændingerne af de efterfølgende segmenter er derefter trinvise faldet med 0,2 V, hvilket resulterer i en spænding på 30 V anvendt på 10. Dette svarer til en DC gradient på 0,1 V/cm. I tilfælde af dannelse af en bundter stråle er ionerne opbevaret og afkølet i 11. Derfor er 11-elektroden indstillet til 25 V, og det sidste TILBUDSANMODNINGS segment hæves til 44 V via DC-spændingsforsyningen (23) for at akkumulere ioner i den lokale potentielle spand, før du frigiver ion-bundtet ved at sænke det sidste elektrode segment til 0 V inden for et mikrosekund , udløst af et tilpasset udløser modul (24).
    5. Indstil udløser modulet (24) til bundt tilstand. Udløser modulet tillader en justering af udløsnings hastigheden og tidspunktet. Typisk er 10 Hz valgt som udløser hastighed.
    6. Anvend de resterende spændinger på systemet ved at følge trin 1.4.5 til 1.4.10.
  6. Probe ion ekstraktion og tune QMS
    1. Sluk for QMS-trykføleren (49) via trykfølerens styreenhed (50) for at reducere baggrunden fra ioniseret helium og lys, der produceres af sensoren.
    2. Anvend et attraktivt overflade potentiale på-2.000 V til frontpladen på den enkelte anode MCP (52) via et HV-modul (42).
    3. Anvend et potentiale på-100 V på bagsiden af MCP. MCP anode er sat til jorden.
    4. Tænd for MCP-forforstærkeren (56) på 12 V-strømforsyningsmodulet (55).
      Bemærk: enkelte ioner, der påvirker MCP-detektoren, tælles nu ved hjælp af kombinationen af forforstærkeren (56), en forstærker (57) og en konstant brøk diskriminator (CFD) (58). CFD-signalet sendes til et dataindsamlings kort (DAQ) på pc'en, der bruges til QMS-kontrol, og kan overvåges via QMS-brugergrænsefladen (38).
    5. Udfør en masse scanning for at sonde signal figuren og derfor tune QMS at udtrække de ønskede ionarter.
      Bemærk: Dette gøres ved hjælp af QMS-brugergrænsefladen (38). Til dette formål er der fastsat en indledende og en endelig masse-over-Charge-forhold (f. eks. 110 u/e til 120 u/e for 229th2 + Mass-Range), samt løsnings kraften (f. eks. 1 u/e) og integrationstiden (5 s) pr. scannings trin og massen scanningen startes ved at trykke på knappen Scan. I tilfælde af, at ekstraktionen kører korrekt, og ioner passerer QMS, vil stærke signaler fra thorium og uran være synlige forårsaget af den ioniske virkning af de udvundne ioner.
  7. Måling af levetid
    1. Juster QMS-parametrene for at udtrække th2 + eller th3 + ionarterne for isomerisk henfalds detektering.
    2. Reducer overflade potentialet for den forreste plade af MCP-detektoren (52) til-25 V via (42) for at reducere det Ioniske kollisions signal.
    3. Anvend et accelererende potentiale på typisk + 1.900 V til den anden MCP-plade for optimal elektron forstærkning via (43).
    4. Anvend et accelererende potentiale typisk + 2.100 V til MCP anode via (53).
    5. Start dataindsamlingen via en Micro Channel scaler (59).
      Bemærk: forforstærkeren (56) og Micro Channel scaler (59) giver mulighed for, at den tid, som er løst, læses af MCP-detektoren. Ion klaser og Micro Channel scaler udløses begge af udløser modulet (24). Scaler-signalet opnås via en LabVIEW-brugergrænseflade (60). En eksponentiel henfalds hale på ca. 10 mikrosekunders levetid bliver synlig efter ion-bunkene, svarende til thorium isomerisk forfald.

Representative Results

Den beskrevne metode til udvinding af a-nedbrydningsprodukter fra en 233U-kilde anbragt i en buffer-gas-stop celle, der drives ved ca. 30 mbar ultra-ren helium-gas ved stuetemperatur. For første gang op til måske ladede ioner kan udvindes fra en sådan anordning med høj effektivitet29. Figur 3a viser masse spektret af ioner ekstraheret fra buffer-gas cellen, der viser tre grupper af 233U α-Decay produkter (plus ledsagende forurenende addukter) i enkeltvis, dobbelt og måske ladede Ioniske stater. Bemærkelsesværdigt er dominans af 229th3 + ekstraktion sammenlignet med 233U3 +, mens begge arter udvindes med omtrent samme intensitet, når der er dobbelt opladet. Denne kendsgerning blev anvendt til sammenlignende målinger med 233U ioner, hvilket tillod udelukkelse af enhver ionisk påvirkning som signal oprindelse.

Figure 3
Figur 3 : Identifikation af den direkte henfald af 229-thorium isomer. a) komplet masse scanning udført med 233U-kilde 129. Enhederne er givet som atommasse (u) over elektrisk ladning (e). b) sammenligning af MCP-signaler opnået under akkumulering af thorium og uran i 2 + og 3 + opladnings tilstande (som angivet med pilene, som linker til masse scanningen). 233 du og 234U kilder blev brugt (Kildenummeret er angivet i højre side af hver række). Hvert billede svarer til en individuel måling af 2.000 s integrationstid (20 mm diameter blænde angivet af den stiplede cirkel). Målingerne blev udført ved-25 V MCP-overfladespænding for at sikre en blød landing af ionerne. c) signal af 229th isomerisk henfald opnået under 229th3 + ekstraktion med kilde 1. Der opnås et signal område diameter på ca. 2 mm (FWHM). Den opnåede maksimale signalintensitet er 0,08 tæller/(s mm2) med en baggrunds hastighed på ca. 0,01 tællinger/(s mm2). Med venlig tilladelse fra springer Research 11. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Efter transport, køling og masse separation indvirker ionstrålen på overfladen af en mikrokanals plade detektor, hvor et lavt attraktivt overflade potentiale sikrer undertrykkelse af ionkollisions signaler og kun efterlader elektroner, der hidrører fra det indre Konvertering (IC) forfald kanal af 229mth isomeren, der skal multipliceres i det stærke elektriske felt af detektor pladen kanaler. De resulterende MCP-signaler, der opnås for tre forskellige uran kilder, vises i figur 3b. Ionarterne af dobbelt eller måske ladede ioner, som blev valgt ved hjælp af firpol-masse separatoren i hver enkelt måling, indikeres af pilene fra det øverste panel. Vist er billeder erhvervet med CCD kamera bag fosfor skærmen, på hvilken elektroner fra MCP blev accelereret. CCD-kameraets synsfelt er indikeret af de stiplede cirkler for måske (første to kolonner) og dobbelt opladet (sidste to kolonner) henholdsvis 229th og 233U ioner. Den øverste række repræsenterer det opnåede resultat for en lille 233U kilde (ca. 1000 ekstraheret 229th3 + ioner pr. sekund, kilde 1), mens den nederste række viser det samme for en stærkere kilde med ca. 10.000 ekstraheret 229th3 + ioner pr. sekund (kilde 3). Det er indlysende, at der i begge tilfælde opnås et klart signal for 229th, mens der ikke observeres nogen indikation af et elektron signal for 233U 11. For at bevise, at dette signal faktisk stammer fra en nuklear afmagnetisering og ikke fra en atomare Shell proces, den midterste række viser den resulterende kamera billede, når du bruger en 234U kilde, hvor α forfald befolserer den tilstødende isotop 230 Med en sammenlignelig elektronisk, men alligevel forskellig nuklear struktur. Som forventet for 230th, ingen indikation af et konverterings elektron signal findes i nogen af de undersøgt tilfælde. Så det stærke signal, der vises i figur 3c med fremragende signal-til-baggrund ratio, er klart korreleret med henfaldet på 229mth.

Yderligere verifikations målinger til støtte for denne fortolkning er vist i figur 4. De viser to målinger for at give yderligere dokumentation for, at de registrerede elektron signaler faktisk stammer fra henfaldet af atomisomer: i figur 4a er det påvist, at MCP-detektorens attraktive overflade potentiale blev varieret fra-100 V ( favoriserer forekomsten af elektroner fra ionisk påvirkning) ned til 0 V, sammenligning af tælle raterne registreret med MCP for ekstraheret 229th2 + (rød) og 233U2 + ioner (blå). Det er klart, at tælle hastigheden falder ned til nul for 233U2 + , når man indser en ' blød landing ' af de indkommende ioner med en overfladespænding under ca.-40 V, mens en betydelig tælle hastighed forbliver for 229th2 + indtil tærsklen på 0 V. I figur 4bviser den blå kurve den elektron tælle hastighed, som er registreret for udtrukne ioner efter kraftig acceleration mod MCP-detektor overfladen med-2000 V. ionisk effekt af 233U2 + og 229th2 + ioner er observeret med omtrent samme intensitet, som allerede vist for dobbelt ladede ioner i det ekstraherede massespektrum af figur 3a. Den røde kurve viser det samme scenario, men nu for en ' blød landing ' af indkommende ioner med-25 V MCP overflade potentiale. Ingen indikation af ionpåvirkningsignalet på 233U2 + er synligt mere, mens for 229th2 + et signal tilbage, stammer fra isomerisk interne konvertering forfald11.

Figure 4
Figur 4 : Isomer-verificerings målinger. a) 229th2 + signal (rød) sammenlignet med 233U2 + (blå) som en funktion af MCP-overfladespændingen. Fejl angives med skyggelagte bånd. b) signal af udvundne ioner som en funktion af Mass-to-Charge-forholdet bag QMS for MCP-overflade spændinger på-25 V (isomer forfald, rød) og-2.000 V (ion-effekt, blå). Bemærk de forskellige integrationstider og akse skalaer. Ud over signalet på 114,5 u/e (svarende til 229th2 +), et yderligere signal på 117,5 u/e opstår, som stammer fra isomerisk forfald af 235u. Med venlig tilladelse fra springer Research11. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Det kan således utvetydigt bevises (sammen med yderligere argumenter i Ref. 11), at det signal, der er observeret i figur 4 , stammer fra isomerisk forfald på 229mog udgør den første direkte identifikation af deexcitation af denne flygtige isomer.

Efterfølgende blev den segmenterede udvinding-tilbudsanmodning opereret som en lineær Paul Trap til at skabe en bundter ion stråle, hvilket giver mulighed for livstids målinger af thorium isomer. Da vores rum-temperatur høje vakuum ikke tillader tilstrækkelig lang opbevaringstider til at undersøge den forventede stråle levetid på op til 104 sekunder, kun en nedre grænse på t1/2 > 1 minut kunne udledes for opladet 229mth er begrænset af den maksimalt opnåelige ion-opbevaringstid i den lineære Paul Trap11. Men ved hjælp af den samme detekterings strategi som anvendt før identifikation af isomer forfald efter neutralisering af thorium ionerne på overfladen af en MCP-detektor, forventes den meget kortere levetid for neutrale 229m-atomer, der gennemgår intern konvertering forfald giver adgang til Lifetime information12. Figur 5a viser den forventede form af henfalds tidsspektret som simuleret for en ion-flok med en pulsbredde på 10 μs. Mens den røde kurve indikerer det Ioniske effektsignal, og signalet fra en eksponentiel henfald med 7 μs Half-Life er repræsenteret af den grå kurve med en lang henfalds hale, det forventede signal fra henfaldet af thorium isomer, bestående af både den ioniske virkning og e xponential isomerisk forfald, illustreres af den blå kurve. Figur 5b viser resultatet af den tilsvarende måling for henholdsvis 233U3 + (rød) og 229th3 + (blå). Mens uran ioner kun udstille deres Ioniske effektsignal, for 229-thorium klart den forventede henfalds hale af isomer forfald kan observeres12.

Figure 5
Figur 5 : Simulerede og målte tidsmæssige effekt-og henfalds egenskaber. a) simulering af isomer henfaldstiden Karakteristik af 229th Bunches. Simuleringen er baseret på en målt bundt form og antagelsen om, at 2% af de 229th ioner er i isomerisk tilstand med en halveringstid på 7 μs efter neutralisering. Elektron detekterings effektiviteten antages at være 25 gange større end iondetekterings effektiviteten. b) måling af isomerisk forfald med en bunderet 229 (m)th3 + ionstråle (blå). En komparativ måling med 233U3 + vises med rødt. Med venlig tilladelse fra det amerikanske fysiske samfund12. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Montering af henfalds halen med en eksponentiel (svarende til en lineær pasform til logaritmisk repræsentation i figur 6) resulterer endelig i en halveringstid af den neutrale 229mth isomer af 7 (1) μs12. Denne værdi er pænt enig med den teoretisk forventede levetid reduktion af ni størrelsesordener fra ca. 104 sekunder i tilfælde af den ladede isomer på grund af den store omregningskoefficient på αIC ~ 109 37.

Figure 6
Figur 6 : Tilpas til 229m Th forfald kurve. Logaritmisk plot af de tidsmæssige henfalds egenskaber for 229 (m)th2 + ioner (a) og 229(m) th3 + ioner (b) sammen med en fit kurve, der anvendes til at udtrække isomerisk halveringstid på 229mefter opladning rekombination på MCP-detektor overfladen. Med venlig tilladelse fra det amerikanske fysiske samfund12. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Rækken af rekylerende α forfald datter kerner i uran beløber sig til kun omkring 16 nm. For at opnå en høj virkningsgrad af kilden til α-rekyl ioner for en given kilde aktivitet, er det obligatorisk at begrænse kildematerialets tykkelse til dette interval. Den α rekyl udvinding effektivitet er stærkt påvirket af renholdelse af buffer-gas celle. Kontamineringer af standse gassen vil føre til opladning udveksling eller molekyle dannelse. Derfor skal selve gascellen bygges i henhold til ultra-høje vakuum standarder, især for at muliggøre en bagning af cellen og undgå eventuelle organiske materialer indeni. Standse gassen skal renses i henhold til den tekniske topmoderne, begyndende med gas renhed af højeste kvalitet bistået af katalytisk rensning og levering til gascellen via en ultra-ren gasforsynings linje, delvist omgivet af en kryogen fælde til fastfryse urenheder. Generelt er omhyggelig justering af den centrale akse i den komplette opsætning til positionen af gascellens ekstraktions dyse afgørende for at opnå en høj transport-og detekterings effektivitet29.

Trin 1.4.5 er den mest kritiske af protokollen. Til effektiv ionekstraktion skal der påføres en høj RF-amplitude på tragt Rings elektroden. Men hvis amplituden er valgt for høj, vil gnister i gascellen forekomme. Den maksimalt opnåelige RF-spændings amplitude afhænger kritisk af renheden af stødpude gassen. En vellykket anvendelse af spænding overvåges via strømmen af tragt offset spænding. Denne strøm vil stige i tilfælde af gnister. Hvis der har fundet gnister sted, skal bake-out-proceduren gentages for at sikre den højeste ionudvindings effektivitet.

Et andet kritisk punkt er anvendelsen af de høje spændinger til MCP-detektoren (trin 1.6.2-1.6.4). Felt emissioner kan forekomme på MCP, hvilket fører til emission af elektroner, som kan føre til arteffaktiske signaler.

Optimal ionekstraktion og (afkølet og masse renset) transport mod detekterings enheden kræver omhyggelig justering af den centrale optiske akse. Tilgængeligheden af en optisk justeringssystem (justering laser eller theodolite) er afgørende. Den effektive ion transport gennem udvinding TILBUDSANMODNING og QMS kræver en kontinuerlig stabilisering af radio-frekvens amplituder for de to modsatte faser anvendes på hver modsat par stænger29. Identifikation af udvindings-eller transportproblemer kan lettes ved en iondiagnostisk realiseret fx via en multikanal-plade detektor placeret enten fortløbende på forskellige positioner langs ionstien under idriftsættelses fasen af Opsætning, eller alternativt, fx under 90o bag udtræknings tilbudsanmodningen med en høj negativ overfladespænding (1-2 kV) for at tiltrække alle udtrukne ioner mod detektoren.

Under drift kan der typisk opstå to problemer. Ikke alle spændinger er korrekt anvendt. I dette tilfælde er normalt ingen ioner udvindes, og man er nødt til at finde stedet for ikke korrekt anvendt spænding. Også, urenheder er til stede i helium buffer-gas. I dette tilfælde vil ekstraktions effektiviteten for måske ladede thorium ioner blive drastisk reduceret, og der opstår molekyle dannelse. I værste fald vil selv gnister dukke op, når tragt spændingen påføres. Årsagen til utilstrækkelig gas renhed er typisk en lækage i gasforsyningen linje eller en ikke korrekt lukket flange af buffer-gas standsning celle.

Den beskrevne metode til at generere en ren stråle af ioner, der indeholder den energetisk lavtliggende 229mth isomeren, kan anvendes på alle sammenlignelige tilfælde, hvor ion af interesse kan udvindes fra buffer-gas atmosfæren i store mængder. Renhed af gas-celle og buffer gas er obligatorisk, således mængden af resterende gas urenheder er en begrænsning til følsomheden af metoden. Mens de ansatte Micro Channel-Plate Detector (MCP) er baseret på påvisning af elektroner, som udnyttes her til registrering af lavenergi konvertering elektroner, denne sag allerede ligger ved lav-energi grænsen af effektivitets kurven for MCPs38, mens for højere energier metoden ville betydeligt gevinst i afsløring effektivitet.

Indtil videre har den beskrevne metode givet den eneste rapporterede direkte og entydige identifikation af thorium isomer. Alternativt, vakuum ultra-violet (VUV)-gennemsigtige krystaller (med store bandgab, overstiger den formodede excitation energi af isomer) er doseret med 229th. Målet er at placere 229ioner i høj (4+) opladningstilstand krystal gitter positioner, hæmme de-excitation af det store bånd hul og sigte mod en excitation af isomer ved hjælp af røntgenstråler fra Synchrotron lyskilder. På trods af den elegante opfattelse af denne fremgangsmåde, indtil videre ingen vuv fluorescens kunne observeres i en række eksperimenter rapporteret af flere grupper på verdensplan39,40,41,42,43 . Det samme gælder for en klasse af eksperimenter, der har til formål at realisere den nukleare excitation af isomer via Elektron Shell af 229th, ved hjælp af en såkaldt Electron-Bridge Transition. Her en resonans kobling mellem en elektron Shell overgang og den nukleare isomer bør give mulighed for en mere effektiv isomer befolkning44,45. Andre eksperimenter, der har til formål at efterforske de isomeriske egenskaber, er baseret på microcalorimetri46 eller observation af hyperfin-Shift i atomic Shell47. Meget nylig en anden metode til at ophidde isomer i en Laser-induceret plasma blev rapporteret48 og er genstand for videnskabelige drøftelser i Fællesskabet.

Opdagelsen af den interne konvertering forfald kanal af thorium isomer11 og bestemmelsen af den tilsvarende halveringstid af neutral 229mth (7 (1) μs)12 kan udnyttes i fremtiden for at realisere en første all-optisk excitation med en pulserende, tunable VUV laser baseret på allerede eksisterende teknologi. Således det nuværende paradigme, at dette ville kræve langt bedre kendskab til excitation energi og en tilsvarende tilpasset laser udvikling kan omgås. I modsætning til at udnytte kendskabet til intern konvertering elektron emission, gating påvisning af konvertering elektroner med laser puls vil give en høj signal-til-baggrund ratio, samtidig med at en scanning af 1 eV af excitation energi i mindre end 3 dage49. Desuden, en bestemmelse af excitation energi af isomer, stadig er arbejde i gang, kan være baseret på den beskrevne metode til at generere den 229mth stråle ved at sende IC forfald elektroner i en magnetisk-flaske elektron spektrometer med retarderende felt elektrode gitre50. Den samme teknik vil også gøre det muligt at bestemme isomerisk levetid for forskellige kemiske miljøer (f. eks. på store bånd-Gap materialer som CaF2 eller frosne argon) eller i 229th+ samt i det frie, neutrale Atom.

Den beskrevne metode til generering af en isotopisk ren thorium ionstråle med 3 + opladningstilstand kan bruges som et værktøj til at tilvejebringe thorium ioner til fremtidige eksperimenter med laser spektroskopi. I dette tilfælde kan ionstrålen bruges til at indlæse en Paul fælde på en stabil og effektiv måde. Hidtil, den eneste alternative metode er at producere 229th3 + ved laser ablation fra et solidt mål. Dette kræver dog høje laser intensiteter og en stor mængde på 229th, som er et dyrt radioaktivt materiale og fører til kontaminering af brugte vakuum komponenter. Af denne grund, den beskrevne metode kan være en betydelig fordel, når det kommer til nuklear laser spektroskopi eksperimenter. En første anvendelse af denne type er allerede blevet offentliggjort51.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af eu's Horisont 2020 forsknings-og innovationsprogram under tilskudsaftale nr. 664732 "nuClock", af DFG Grant Th956/3-1, og af LMU Department of Medical Physics via Maier-Leibnitz-laboratoriet.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Reich, C. W., Helmer, R. G. An excited state of 229Th at 3.5 eV. Physical Review C. 49, 1845-1858 (1994).
  3. Guimaraes-Filho, Z. O., Helene, O. Energy of the 3/2+ state of 229Th reexamined. Physical Review C. 71, 044303 (2005).
  4. Beck, B. R., et al. Energy splitting of the ground-state doublet in the nucleus 229Th. Physical Review Letters. 98, 142501 (2007).
  5. 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).
  6. Tkalya, E. V. Proposal for a nuclear gamma-ray laser of optical range. Physical Review Letters. 106, 162501 (2011).
  7. 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).
  8. Peik, E., Tamm, C. Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in 229Th. European Physical Letters. 61, 181-186 (2003).
  9. 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).
  10. 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).
  11. vd Wense, L., et al. Direct detection of the Thorium-229 nuclear clock transition. Nature. 533, 47-51 (2016).
  12. Seiferle, B., vd Wense, L., Thirolf, P. G. Lifetime measurement of the 229Th nuclear isomer. Physical Review Letters. 118, 042501 (2017).
  13. Nicholson, T. L., et al. Systematic evaluation of an atomic clock at 2.10-18 total uncertainty. Nature Communications. 6, 7896 (2015).
  14. Flury, J. Relativistic geodesy. Journal of Physics - Conference. 723, 012051 (2016).
  15. Ludlow, A. D., Boyd, M. M., Ye, J., Peik, E., Schmidt, P. O. Optical atomic clocks. Reviews of Modern Physics. 87, 637-701 (2015).
  16. Derevianko, A., Pospelov, M. Hunting for topological dark matter with atomic clocks. Nature Physics. 10, 933-936 (2014).
  17. Uzan, J. P. The fundamental constants and their variation: observational and theoretical status. Review of Modern Physics. 75, 403-455 (2003).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Neumayr, J. B. The buffer-gas cell and extraction RFQ for SHIPTRAP. , LMU . Munich, Germany. PhD Thesis (2004).
  31. Neumayr, J. B., et al. The ion-catcher device for SHIPTRAP. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 244, 489-500 (2006).
  32. Neumayr, J. B., et al. Performance of the MLL-Ion catcher. Review of Scientific Instruments. 77, 065109 (2006).
  33. Haettner, E. A novel radio frequency quadrupole system for SHIPTRAP & New mass measurements of rp nuclides. , University of Giessen. Germany. PhD Thesis (2011).
  34. 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).
  35. vd Wense, L. On the direct detection of 229mTh. Springer Theses 2018. , Springer international publishing. ISBN 978-3-319-70460-9 (2018).
  36. Eberhardt, K., et al. Actinide targets for fundamental research in nuclear physics. AIP Conference Proceeding 1962s. , 030009 (2018).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. Stellmer, S., Schreitl, M., Schumm, T. Radioluminescence and photoluminescence of Th:CaF2 crystals. Scientific Reports. 5, 15580 (2015).
  42. 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).
  43. Stellmer, S., et al. On an attempt to optically excite the nuclear isomer in Th-229. arXiv:1803.09294 [physics.atom-ph]. , (2018).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. Sonnenschein, V., et al. The search for the existence of 229mTh at IGISOL. European Physical Journal A. 48, 52 (2012).
  48. 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).
  49. vd Wense, L., et al. A laser excitation scheme for 229mTh. Physical Review Letters. 119, 132503 (2017).
  50. Seiferle, B., vd Wense, L., Thirolf, P. G. Feasibility study of Internal Conversion Electron Spectroscopy of 229mTh. European Physical Journal A. 53, 108 (2017).
  51. Thielking, J., et al. Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer 229mTh. Nature. 556, 321-325 (2018).

Tags

Ingeniørvidenskab atomur 229-thorium isomer buffer-gas celle Ion guide Paul fælde masse separation alpha forfald intern omdannelse
Klargøring af en isotopisk ren <sup>229</sup>th ionstråle til studier af <sup>229m</sup>
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wense, L. v. d., Seiferle, B.,… More

Wense, L. v. d., Seiferle, B., Amersdorffer, I., Thirolf, P. G. Preparing an Isotopically Pure 229Th Ion Beam for Studies of 229mTh. J. Vis. Exp. (147), e58516, doi:10.3791/58516 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter