Waiting
Login processing...

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

Engineering

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

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

Summary

Nós apresentamos um protocolo para a geração de um feixe de íon de baixa energia isotopicamente purificado de 229th de uma fonte de U 233. Este feixe do íon é usado para a deteção direta da deterioração do Terra-estado do th 229matravés da canaleta da deterioração da interno-conversão. Nós igualmente medimos o tempo de vida interno da conversão de 229mth também.

Abstract

Uma metodologia é descrita para gerar um feixe de íon 229th isotopicamente puro nos Estados de carga 2 + e 3 +. Este feixe do íon permite que um investigue o estado excitado primeiro isomérico baixo-encontrando-se de 229th em uma energia da excitação de aproximadamente 7.8 (5) EV e uma vida radiativa de até 104 segundos. O método apresentado permitiu uma primeira identificação direta da deterioração do isômero do tório, colocando as fundações para estudar suas propriedades da deterioração como o pré-requisito para um controle ótico desta transição nuclear. Os íons da alta energia 229th são produzidos na deterioração do α de uma fonte radioativa de 233U. Os íons são termalized em uma pilha de parada do amortecedor-gás, extraído e subseqüentemente um feixe do íon é dado forma. Este feixe de íons é massa purificada por um separador de massa quadrupolar para gerar um feixe de íons puros. A fim de detectar a deterioração isomérica, os íons são coletados na superfície de um detector de placas de microcanais, onde os elétrons, como emitidos na decadência de conversão interna do estado isomérico, são observados.

Introduction

O primeiro estado metaestável excitado no núcleo de Thorium-229, denotado como 229mth, exibe uma posição especial na paisagem nuclear, porque possui a mais baixa energia nuclear da excitação de todos os Estados excitados nucleares atualmente conhecidos do CA. 176.000. Quando as energias nucleares típicas variam de keV até a região de MeV , 229mth possui uma energia de abaixo de 10 EV acima do estado de terra nuclear1,2,3. O valor energético atualmente mais aceito para este estado é 7,8 (5) EV4,5. Este baixo valor energético desencadeou o interesse de diferentes comunidades físicas e levou à proposta de várias aplicações interessantes. Entre eles estão um laser nuclear6, um qubit altamente estável para a computação quântica7 e um relógio nuclear8,9.

A razão que 229mth é esperado para oferecer uma ampla variedade de aplicações baseia-se no fato de que, devido à sua extraordinária baixa energia, é o único Estado nuclear que poderia permitir a excitação de laser nuclear direto usando atualmente disponível laser Tecnologia. Até agora, entretanto, a excitação nuclear direta do laser de 229mth foi impedida pelo conhecimento insuficiente dos parâmetros do estado metaestável como sua energia e vida exatas. Embora a existência de um estado de baixa energia nuclear animado em 229th já foi conjecturado em 197610, todo o conhecimento sobre este estado só poderia ser inferido a partir de medições indiretas, não permitindo uma determinação precisa de sua deterioração Parâmetros. Esta situação mudou desde 2016, quando a primeira detecção direta da decadência de 229m, abriu a porta para uma infinidade de medições visando fixar os parâmetros do estado animado11,12. Aqui, um protocolo detalhado é fornecido, que descreve as etapas individuais exigidas para uma deteção direta de 229mth como conseguida no experimento de 2016. Esta Deteção direta fornece a base para uma determinação exata da energia e da vida do th 229me conseqüentemente para o desenvolvimento de um pulso de disparo nuclear. No seguinte o conceito de um pulso de disparo nuclear como a aplicação a mais importante para 229mth será discutido.

Com uma largura de linha relativa de ΔE/e ~ 10-20 a transição do estado-terra do isômero tório qualifica-se potencialmente como padrão de frequência nuclear (' relógio nuclear ')8,9. Devido a um núcleo atômico de cerca de 5 ordens de magnitude menor em comparação com o escudo atômico, os momentos nucleares (dipolo magnético e quadrupole elétrico) são, portanto, menores do que os de átomos, tornando um relógio nuclear em grande parte imune contra o externo perturbações (em comparação com os actuais relógios atômicos do estado da arte). Conseqüentemente, um padrão de freqüência nuclear promete uma operação altamente estável e exata do pulso de disparo. Embora a precisão alcançada no melhor presente relógios atômicos atinge cerca de 2,1 X10-1813, correspondendo a um desvio de 1 segundo em um período de tempo consideravelmente maior do que a idade do universo, relógios nucleares segurar o potencial de um mais melhoria que poderia tornar-se essencial para um vasto campo de aplicações. Sistemas de navegação baseados em satélites, como o sistema de posicionamento global (GPS), o Global Navigation Satellite System (GLONASS) ou o Galileo, operam atualmente com uma precisão de posicionamento de alguns metros. Se isso poderia ser melhorado para a escala de centímetro ou mesmo milímetro, uma infinidade de aplicações poderia ser prevista, a partir de condução autônoma de carga ou rastreamento de componentes. Além dos pulsos de disparo altamente exatos, tais sistemas exigiriam a operação ininterrupta de confiança, com estabilidade a longo prazo da tração que assegura intervalos da longo-resynchronization. O uso de relógios nucleares poderia tornar-se benéfico a partir deste ponto de vista prático. Umas aplicações práticas mais adicionais de (redes sincronizadas de) pulsos de disparo nucleares podiam encontrar-se no campo do Geodésia relativística14, onde o pulso de disparo actua como um sensor da gravidade 3D, relacionando diferenças potenciais gravitacionais locais Δu a medido (relativo) diferenças de frequência de clock ΔF/f através da relação ΔF/f =-ΔU/c2 (c denelando a velocidade da luz). Os melhores relógios atuais são capazes de detectar mudanças gravitacionais de diferenças de altura de cerca de ± 2 cm. Assim, medições ultraprecisas usando uma rede de relógio nuclear podem ser usadas para monitorar a dinâmica de câmaras de magma vulcânicas ou movimentos de placas tectônicas15. Além disso, o uso de tais redes de relógio foi proposto como uma ferramenta para procurar a classe teoricamente descrita de matéria escura topológica16. A discussão extensiva pode ser encontrada na literatura na aplicação de um relógio nuclear de 229mth-baseado na busca para a deteção de variações temporais potenciais de constantes fundamentais como o α constante da estrutura fina ou a interação forte parâmetro (mq/δQCD, com mq representando a massa quark e δQCD o parâmetro de escala da forte interação), sugerido em algumas teorias Unificando a gravidade com outras interações17. A deteção de uma variação temporal na energia de transição do Terra-estado de 229mth pode fornecer uma sensibilidade aumentada por aproximadamente 2-5 ordens de magnitude para variações temporais da constante da estrutura fina ou do parâmetro forte da interação 18,19,20,21,22,23,24,25,26. O limite experimental atual para tal variação de α atinge (dα/DT)/α =-0.7 (2.1) 10-17/ano27. No seguinte a aproximação experimental para a deteção direta da deterioração do Terra-estado do th 229mserá descrita.

Evidências para a existência do isômero 229-tório até recentemente só poderiam ser inferidas a partir de medições indiretas, sugerindo uma energia de excitação de 7,8 (5) eV (equivalente a um comprimento de onda na faixa espectral de vácuo ultravioleta de 160 (11) nm)4 , 5. nossa abordagem experimental, visando uma identificação direta da Desexcitação do estado-terra isomérica do isômero 229mth, baseia-se em uma separação espacial da população isômero em uma célula de parada de gás tampão, seguida de uma extração, e o transporte separado em massa para uma unidade de detecção adequada para registrar os produtos de deexcitação28,29. Assim a população e o deexcitation do isômero podem ser disentangled, tendo por resultado um ambiente limpo da medida, não afetado por contribuições de fundo alerta. A população do isômero é conseguida através da deterioração α de uma fonte radioativa de 233U, onde uma filial da deterioração de 2% não prossegue diretamente ao estado à terra de 229th, mas preenche o primeiro estado excitado isômeros preferivelmente. os núcleos do recuo da α-deterioração são termolizada em uma atmosfera ultra-pura do hélio de uma pilha de parada do amortecedor-gás, antes de ser guiado por radiofrequência elétrica (RF) e por campos da corrente contínua (c.c.) para um bocal da extração, onde o jato supersônico emergente arrasta los em uma câmara de vácuo adjacente, abrigando uma (segmentada) a estrutura Quadrupole da radiofrequência (RFQ) que actua como o guia do íon, o refrigerador do fase-espaço e potencial também como a armadilha linear de Paul para ajuntar os íons extraídos. Para obter uma descrição detalhada da célula de parada de gás tampão e extração RFQ, consulte refs. 30 anos de , 31 de dezembro , 32. Since até esse momento o feixe extraído do íon contem além do que 229 (m)th também a corrente de produtos da filha da deterioração do α, separação maciça é executada usando um separador maciço do Quadrupole (QMS) em uma câmara de vácuo subseqüente para finalmente gere um feixe isotopicamente puro de 229 (m)th em Estados de carga selecionável (q = 1-3). Uma descrição detalhada do QMS pode ser encontrada em refs. 33 , 34. a detecção da deterioração isomérica foi alcançada por meio da colisão dos íons th diretamente na superfície de um detector de placas de MICROCANAIS (MCP), onde os elétrons são liberados, acelerados em direção a uma tela de fósforo e visualizados por um dispositivo acoplado a carga (CCD) Câmera. Uma visão geral da configuração experimental é mostrada na Figura 1. Uma descrição detalhada é dada em ref.35.

Figure 1
Figura 1: visão geral da configuração experimental. O isômero Thorium-229 é preenchido através do ramo de deterioração de 2% na deterioração α de urânio-233. 229m de Th íons, deixando a fonte 233U devido à sua energia cinética de recolhimento, são termalized em uma célula de parada de gás tampão preenchido com gás de hélio de 30 mbar. Os íons são extraídos do volume de parada com a ajuda para campos do RF e da C.C. e um feixe do íon da baixo-energia é dado forma com a ajuda de um Quadrupole da rádio-freqüência (RFQ). O feixe do íon é massa-purified com a ajuda de um Quadrupole-Mass-Separator (QMS) e os íons são implantados macia na superfície de um detector da micro-canaleta-placa (MCP) combinado com uma tela do fósforo que permita a deteção espacialmente resolvida de alguns sinais de ocorrência. Com a permissão amável da pesquisa de Springer, este número foi modificado de11. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O seguinte protocolo descreve o procedimento subjacente para gerar o feixe do íon do th de 229 (m)que permitiu a primeira Deteção direta da deterioração do Terra-estado do isomer do tório, assim colocando a Fundação para estudar suas propriedades da deterioração como um pré-requisito do controlo todo-óptico, em última análise, deste estado nuclear exótico para a sua aplicação como um padrão de frequência nuclear ultrapreciso. Para uma melhor orientação, uma visão geral esquemática da configuração utilizada para a detecção direta da deterioração isomérica11 é fornecida na Figura 2, contendo uma rotulagem numérica dos componentes abordados no seguinte protocolo. Também os componentes usados para a determinação da vida útil12 são contidos como um Inset.

Figure 2
Figura 2: esboço esquemático da configuração experimental usada para detecção de decaimento isomérico. Os componentes usados para medição vitalícia são mostrados como um embutido. Os componentes individuais que serão referenciados na seção de protocolo são numericamente rotulados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

Nota: os números dados no protocolo farão referência a Figura 2.

1. Deteção direta da deterioração isomérica th-229

  1. Montagem da fonte 233-urânio
    1. Monte a fonte de 233-urânio α (1) através de uma abertura de flange de acesso na câmara de vácuo da célula de gás até a extremidade ascendente do sistema do eletrodo do anel do funil (2) dentro da célula de gás (3).
      Nota: a 290 kBq, 90 mm de diâmetro 233U fonte foi produzida através de chapeamento molecular em um titânio-sputtered Si Wafer36. A fim de alcançar a melhor eficiência de recuo α da fonte, sua espessura não deve exceder 16 nm, sendo a faixa de parada de 84 keV 229th em urânio.
    2. Conecte o cabo à montagem da fonte a fim permitir um deslocamento da C.C. da fonte. Feche e sele o flange de acesso e conecte a fiação externa à fonte 233U.
  2. Evacuação da câmara de vácuo e assar para fora
    1. Inicie a evacuação do sistema de vácuo completo iniciando a bomba de vácuo de desbaste (4) se for desligado (controlado através de uma interface de usuário baseada em computador (5)) e abra as três válvulas (operadas manualmente) (6) que conectam as partes individuais do bombeamento diferencial fases da bomba de desbaste.
      Nota: começar a abrir as válvulas a partir de câmaras a jusante da célula de gás com válvula de gaveta aberta (7) para a bomba Turbo molecular da célula de gás para criar um gradiente de pressão que impeça que potenciais contaminações das câmaras a jusante sejam sugados para o Câmara de célula de gás onde a maior limpeza é exigida.
    2. Uma vez que as pressões alcangaram um nível na escala do sub-mbar (lido para fora através da interface de usuário (5)) comece as bombas de Turbo da pilha de gás (8), o Quadrupole da rádio-freqüência da extração (RFQ) (9) e o separador de massa do Quadrupole (QMS) (10).
    3. opcional Abra a válvula de derivação (11) para permitir também a evacuação eficiente da tubagem de abastecimento de gás.
    4. Continue bombeando por algumas (4-5) horas até atingir a pressão de saturação, tipicamente na faixa de baixo 10-7 mbar.
    5. Inicie o sistema de cozedura (12) através da interface de utilizador (5) com uma curva de aquecimento de upramping (tipicamente 20 ° c-40 ° c por hora) a um máximo de 130 ° c.
    6. Continue a cozer o sistema de vácuo a 130 ° c durante 1-2 dias até que as leituras de pressão comecem a diminuir.
    7. Inicie a sequência de arrefecimento do sistema de cozedura através da interface de utilizador (5) com uma sequência de downramping, tipicamente 20 ° c-40 ° c por hora.
      Nota: a recarga do sistema normalmente requer 8 horas e é realizada durante a noite. A preparação bem sucedida do sistema do vácuo é conseguida quando a pilha-pressão final após refrigerar para baixo varia abaixo de 5x10-10 mbar. As pressões na câmara de RFQ e de QMS estarão na escala 10-9 mbar e 10-8 mbar, respectivamente.
    8. Conecte a fiação externa à câmara de vácuo da RFQ.
  3. Preparação do sistema de gás e fornecimento de Ultra-Pure He
    1. Inicie o purificador de gás MonoTorr (13) e aguarde 20 minutos até atingir a temperatura de funcionamento.
    2. Feche a válvula de derivação (11) se estiver aberta.
    3. Abra o cilindro de gás He (14) (ele de 99,9999% de pureza é usado para a operação).
    4. Abra a válvula de redutor de pressão (15) até que seja mostrada uma pressão de cerca de 0,5 bar.
    5. Abra a válvula que conecta o redutor de pressão ao tubo de gás (16).
    6. Abra o controle de fluxo de gás (17) até que um fluxo de gás de cerca de 1,1 (correspondente a cerca de 5 mbar l/s) seja mostrado.
    7. Lave a tubagem de gás durante cerca de 10 minutos para remover os gases residuais da tubagem.
    8. Feche a válvula que conecta o redutor de pressão ao tubo de gás (16).
    9. Aguarde alguns minutos até que ele seja retirado do tubo de gás.
    10. opcional Para maior pureza do gás tampão, encha a crioarmadilha (18) com nitrogênio líquido.
    11. Definir a válvula de gaveta (7) entre a célula de gás tampão e sua bomba Turbo molecular para operação automática e fechar a válvula através da interface do usuário (5).
    12. Abra a válvula que conecta o redutor de pressão ao tubo de gás (16).
      Nota: a célula de paragem de gás tampão está agora preenchida com ca. 30 mbar de gás. Desta forma, as pressões de RFQ e QMS são levantadas para 10-4 mbar e 10-5 mbar, respectivamente.
    13. Ajuste a velocidade rotativa da bomba Turbo-molecular da câmara de vácuo extração-RFQ (9) para 50%, a fim de definir uma pressão ambiente de cerca de 10-2 mbar.
  4. Aplique os campos de guiamento elétricos para a extração contínua do íon
    1. Aplique um potencial de CC à fonte de 233-urânio α (1) de 39 V em modo contínuo através de uma fonte de tensão CC personalizada (19).
    2. Aplique um gradiente de potencial de CC de 4 V/cm (variando de 35 V a 3 V) através de uma fonte de alimentação DC (20) e um deslocamento de tensão de 3 V através de uma fonte de offset DC de 24 canais (21) para o sistema de eletrodo de anel de funil segmentado de 50 vezes. Todas as tensões são controladas com a interface de usuário baseada em computador (5).
    3. Aplique um potencial de CC de tipicamente 2 V ao eletrodo de bocal de extração (22) com a ajuda da mesma interface de usuário baseada em computador (5).
    4. Aplique um gradiente de potencial de DC à extração segmentada de 12 vezes-RFQ (27).
      Nota: a tensão de cada segmento pode ser aplicada individualmente com a ajuda da interface de usuário baseada em computador (5) através do fornecimento de offset DC de 24 canais (21). Uma tensão de 1,8 V é aplicada ao segmento mais próximo do bocal de extração. As tensões dos segmentos subseqüentes são então Stepwise diminuído por 0,2 V, tendo por resultado uma tensão de 0 V aplicada ao 10º segmento de RFQ. Isso corresponde a um gradiente DC de 0,1 V/cm. Em caso do transporte contínuo pretendido dos íons extraídos uma tensão de 0 V é aplicada aos 11º e 12º segmentos de RFQ. Para este efeito, o fornecimento de tensão CC do 12º segmento RFQ (23) é deixado a 0 V e o módulo de disparo personalizado (24) está definido para o modo operacional contínuo.
    5. Aplique a freqüência e a amplitude do RF ao sistema do elétrodo do anel do funil através de um gerador de função (25) e de um amplificador linear do RF (26).
      Nota: os valores típicos de frequência e amplitude são 850 kHz e 220 VPP, respectivamente. As tensões podem ser controladas com uma interface de usuário baseada em computador (5). Durante a aplicação da tensão do funil-RF, monitore a corrente da fonte deslocada DC do funil (21). Em caso de faíscas, que podem ocorrer se a pureza do tampão-gás for insuficiente, esta corrente começará a aumentar.
    6. Aplique frequência de RF (tipicamente 880 kHz) e amplitude (tipicamente 120-250 VPP) ao quadrupolo de radiofrequência de extração (27) (extração-RFQ) através de um gerador de frequência (28) e dois amplificadores de RF (29, 30), um para a RFQ e outro para o indivíduo eletrodo de ajuntar. A tensão pode ser controlada com a interface de usuário baseada em computador (5).
    7. Aplique um potencial de C.C. de-1 V ao elétrodo da saída (31) do extração-RFQ através de uma fonte da tensão da C.C. de Mesytec MHV-4 (32).
    8. Aplique tensões de deslocamento DC ao separador de massa Quadrupole (33) (QMS). A tensão deslocada do QMS (eletrodo central e lentes Brubaker) é escolhida para ser-2 V através de módulos de offset DC personalizados (34, 35).
    9. Inicie o separador de massa Quadrupole (33) QMS ligando o gerador de função QMS (36), o amplificador RF (37) e iniciando a interface do usuário do QMS (38). Na interface do usuário do QMS, a relação massa-sobrecarga das espécies de íons selecionadas é inserida (tipicamente 76 u/e ou 114,5 u/e, para a extração de th3 + ou th2 +, respectivamente). Também a aceitação de QMS (tipicamente 1 a 2 u/e) e a freqüência do RF (tipicamente 825 quilohertz) são inseridas.
      Nota: o programa LabVIEW será automaticamente aplicado e controlará a amplitude de RF e os potenciais de DC necessários para a seleção de íons. As amplitudes exigidas do RF variam de 600 a 1500 VPP e os potenciais da c.c. variam de 50 v a 120 v. Os potenciais da C.C. para a separação maciça são gerados por um módulo personalizado da C.C. (39). Um gabarito-laço é implementado para A estabilização da tensão do RF e da C.C..
    10. Aplique o potencial de C.C. à estrutura triodic de focalização do elétrodo (40) atrás do QMS (-2 V/-62 V/-22 V) através do módulo da fonte da tensão do canal de Mesytec 4 (MHV-4) (32).
  5. Sonda a extração de íons e sintonize o QMS
    1. Aplique um potencial de superfície atrativo de-1000 V à placa dianteira do detetor da placa da dobro-placa (geometria da divisa) (41) (MCP) através de um módulo de alta tensão (HV) (42).
    2. Aplique um potencial de + 900 V no verso da segunda placa MCP através de um módulo HV (43).
    3. Aplique um potencial de + 5.000 V na tela de fósforo (44) colocada atrás do detector MCP através de um módulo de alta tensão (45).
    4. Ligue a câmera CCD (46) atrás da tela de fósforo e configure os parâmetros de exposição da câmera CCD na interface gráfica do usuário correspondente no PC de aquisição de dados (47).
      Nota: a câmera CCD é colocada em uma caixa estanque (48) para cobrir a detecção da luz ambiente. Caso que a extração está funcionando corretamente e os íons estão passando através do QMS um sinal forte deve ser visível na tela do fósforo causada pelo impacto iónico dos íons extraídos. Este sinal é agora monitorado pela câmera CCD.
    5. Realize uma varredura em massa para sondar a forma do sinal e, consequentemente, sintonizar o QMS para extrair as espécies de íons desejadas.
      Nota: Este é um procedimento iterativo realizado com a ajuda da interface de usuário QMS (38). Selecione uma relação massa-sobre-carga desejada (tipicamente 114,5 u/e para 229th2 +) e o QMS que resolve o poder (tipicamente 1 u/e), a seguir sonda o sinal iónico do impacto através da câmera do CCD. Desloque a massa seleccionada em 0,5 passos u/e até ser observado um sinal. Assim que um sinal é observado, sonda se também o 233u2 + Signal é observável deslocando a massa-sobre-taxa-relação por 2 U/e para massas mais elevadas. Se também este sinal é observado, sonda se os sinais podem ser separados. Se esse não for o caso, adapte o QMS poder de resolução até que o 229th2 + e 233U2 + sinais podem claramente ser distinguidos. Em seguida, defina o QMS para extrair apenas a 229th2 + Ion espécies.
  6. Detecção da deterioração isomérica
    1. Desligue o sensor de pressão QMS (49) através da unidade de controlo do sensor de pressão (50), de modo a reduzir o fundo do hélio ionizado e da luz produzida pelo sensor.
    2. Ajuste os parâmetros QMS para extrair as espécies th2 + ou th3 + Ion para detecção de decaimento isomérico.
    3. Reduza o potencial de superfície da placa dianteira do detetor do MCP (41) a-25 V através de (42) a fim evitar detectar o sinal dos elétrons que originam diretamente do impacto iónico de íons de colisão. Desta maneira um ' aterragem macia ' dos 229 (m)th íons na superfície do MCP é conseguido antes da deterioração isômeros.
    4. Aplique um potencial acelerado de tipicamente + 1.900 V à segunda placa do MCP para a amplificação de elétron a melhor através de (43).
    5. Aplique um potencial de aceleração de tipicamente + 6.000 V na tela de fósforo colocada atrás do detector MCP via (45).
      Nota: as tensões realmente aplicadas dependerão do desempenho do MCP.
    6. Inicie a sequência de aquisição de imagens CCD e armazene os dados no disco através da interface de utilizador da câmara (47).
    7. Use programas MATLAB para avaliação de imagem e pós-processamento.
      Nota: uma descrição dos programas e como são utilizados pode ser encontrada na Ref.35 apêndice B. 3. Os dados brutos dos frames da imagem assim como os programas usados para a avaliação foram tornados disponíveis em linha em DOI 10.5281/zenodo. 1037981.

2. medida da meia-vida de 229m th (re-arranjo da instalação)

  1. Desligue e ventilando o sistema.
    1. Desligue as altas tensões do sistema de detecção de MCP (42, 43, 45), o QMS (37, 38), o sistema de funil (25, 26) e RFQ de extração (28, 29, 30).
    2. Opcional Desligue todas as tensões DC restantes.
    3. Feche manualmente o sistema de alimentação He (válvulas 14 e 16) e aguarde até que a pressão da célula de parada do gás tampão seja reduzida para menos de 2 mbar.
    4. Abra a válvula de gaveta que liga a bomba Turbo à célula de paragem de gás tampão (7) através da interface de utilizador (5) e aguarde até que ele seja totalmente removido do sistema.
    5. Feche a válvula (17) da linha de abastecimento de gás e desligue o purificador de gás (13).
    6. Definir a válvula de gaveta (7) para a operação manual, a fim de impedi-lo de fechar quando o sistema é ventilado com nitrogênio seco.
    7. Feche as três válvulas que conectam as bombas Turbo com a bomba de desbaste (6) e desligue as três bombas Turbo (8, 9, 10).
    8. Ligue o sensor de pressão QMS (49).
    9. Aguarde até que a velocidade de rotação das bombas Turbo seja reduzida significativamente abaixo de 100 Hz, conforme monitorado na interface do usuário (5).
    10. Encha o Dewar (51) com nitrogênio líquido e abra a válvula de ventilação (52) lentamente. Aguarde alguns minutos até que o sistema seja completamente ventilado com nitrogênio seco.
      Nota: Alternativamente, pode ser utilizado azoto seco de um cilindro de gás. Mas neste caso, deve-se tomar cuidado para que não ocorra sobrepressão (porexemplo, inserindo uma válvula de sobrepressão ou disco de ruptura). O uso do ar é igualmente uma alternativa mas conduzirá aos tempos de evacuação ligeiramente mais longos devido à umidade.
    11. Feche a válvula de ventilação (52).
  2. Substitua o MCP por uma tela de fósforo (41, 44) por um pequeno detector de MCP de ânodo único (53)
    1. Desligue e retire a Câmara CCD (46) juntamente com a caixa estanque (48).
    2. Desconecte o detector MCP com tela de fósforo (41, 44).
    3. Abra a flange de vácuo que conecta o MCP e a tela de fósforo com a câmara de vácuo.
    4. Coloc o MCP do único-ânodo (53) com uma distância de poucos milímetros atrás da saída do sistema da extração do Triode (40) e conecte os três fios que conectam a placa dianteira (42), a placa traseira (43) e o ânodo do MCP (54) com os feedavanços elétricos.
    5. Feche a câmara de vácuo, o sistema está agora pronto para evacuação e assar para fora.
    6. Forneça a fiação externa do único MCP do ânodo aos módulos da alta tensão e ao sistema da leitura-para fora.
  3. Evacuação do sistema e assar para fora
    1. Evacuar o sistema de vácuo seguindo os passos 1.2.1 a 1.2.3.
    2. Siga o procedimento Bake-out das etapas 1.2.4 a 1.2.8.
  4. Preparação do gás-tubulação e da fonte de ultra-puro ele
    1. Siga as etapas 1.3.1 a 1.3.12.
      Nota: para operação em modo de ajuntado, normalmente operamos a bomba de Turbo RFQ a 100% de velocidade de rotação, resultando em uma pressão na faixa de 10-4 mbar.
  5. Aplique os campos elétricos da orientação para o ajuntar do íon
    1. Aplique um potencial de C.C. de 69 V à fonte do α do 233-urânio (1) através da fonte personalizada da tensão de C.C. (19).
    2. Aplique um gradiente de potencial de CC de 4 V/cm (variando de 65 V a 33 V) através da fonte de alimentação DC (20) e um offset de tensão de 33 V através da fonte de offset DC de 24 canais (21) para o sistema de eletrodo de anel de funil segmentado de 50 vezes. Todas as tensões são controladas com a interface de usuário baseada em computador (5).
    3. Aplique um potencial de CC de 32 V ao eletrodo de bocal de extração (22) com a ajuda da mesma interface de usuário baseada em computador (5).
    4. Aplique um gradiente de potencial de DC à extração segmentada de 12 vezes-RFQ.
      Nota: a tensão de cada segmento pode ser aplicada individualmente com a ajuda da interface de usuário baseada em computador (5) através do fornecimento de offset DC de 24 canais (21). Uma tensão de 31,8 V é aplicada ao segmento mais próximo do bocal de extração. As tensões dos segmentos subseqüentes são então Stepwise diminuído por 0,2 V, tendo por resultado uma tensão de 30 V aplicada ao 10º segmento de RFQ. Isso corresponde a um gradiente DC de 0,1 V/cm. Em caso da criação de um feixe ajuntado os íons são armazenados e refrigerados no 11º elétrodo. Conseqüentemente, o 11º elétrodo é ajustado a 25 V e o último segmento do RFQ é aumentado a 44 V através da fonte da tensão de C.C. (23) para acumular íons no balde potencial local antes de liberar o grupo do íon abaixando o último segmento do elétrodo a 0 V dentro de um microssegundo , acionado por um módulo de gatilho personalizado (24).
    5. Defina o módulo de disparo (24) para o modo de grupo. O módulo do disparador permite um ajuste da taxa e do sincronismo do disparador. Normalmente, 10 Hz é escolhido como a taxa de disparo.
    6. Aplique as tensões restantes ao sistema, seguindo as etapas 1.4.5 a 1.4.10.
  6. Sonda a extração de íons e sintonize o QMS
    1. Desligue o sensor de pressão QMS (49) através da unidade de controlo do sensor de pressão (50), de modo a reduzir o fundo do hélio ionizado e da luz produzida pelo sensor.
    2. Aplique um potencial de superfície atrativo de-2.000 V à placa dianteira do único MCP do ânodo (52) através de um HV-Module (42).
    3. Aplique um potencial de-100 V para o verso do MCP. O ânodo do MCP é ajustado à terra.
    4. Ligue o módulo de alimentação de 12 V (55) para o pré-amplificador MCP (56).
      Nota: os íons únicos que colide no detetor do MCP são contados agora com a ajuda da combinação do pré-amplificador (56), de um amplificador (57) e de um discriminador constante da fração (CFD) (58). O sinal CFD é enviado para um cartão de aquisição de dados (DAQ) do PC utilizado para o controle QMS e pode ser monitorado através da interface do usuário do QMS (38).
    5. Realize uma varredura em massa para sondar a forma do sinal e, consequentemente, sintonizar o QMS para extrair as espécies de íons desejadas.
      Observação: isso é feito com a ajuda da interface do usuário do QMS (38). Para esta finalidade, uma inicial e uma relação massa-sobre-carga final é ajustada (por exemplo, 110 u/e a 120 u/e para o 229th2 + massa-escala), assim como o poder de resolução (por exemplo, 1 u/e) e o tempo da integração (5 s) por a etapa da varredura e a massa a digitalização é iniciada premindo o botão de digitalização. No caso em que a extração está funcionando corretamente e os íons estão passando o QMS, sinais fortes de tório e urânio serão visíveis causados pelo impacto iônico dos íons extraídos.
  7. Medição vitalícia
    1. Ajuste os parâmetros QMS para extrair as espécies th2 + ou th3 + Ion para detecção de decaimento isomérico.
    2. Reduza o potencial de superfície da placa dianteira do detetor do MCP (52) a-25 V através de (42) a fim reduzir o sinal iónico do impacto.
    3. Aplique um potencial acelerado de tipicamente + 1.900 V à segunda placa do MCP para a amplificação de elétron a melhor através de (43).
    4. Aplique um potencial de aceleração de tipicamente + 2.100 V ao ânodo do MCP através de (53).
    5. Inicie a aquisição de dados através de um scaler Microchannel (59).
      Nota: o pré-amplificador (56) e o scaler do Microchannel (59) permitem o tempo resolveram o read-out do detector de MCP. Os cachos de íons e o scaler do Microchannel são disparados pelo módulo do disparador (24). O sinal de scaler é obtido através de uma interface de usuário do LabVIEW (60). Uma cauda de deterioração exponencial de cerca de 10 microssegundos de vida torna-se visível após os cachos de íons, correspondendo à deterioração isomérica do tório.

Representative Results

O método descrito antes permitido para a extração de produtos da deterioração do α de uma fonte de 233U coloc dentro de uma pilha de parada do amortecedor-gás, operado no gás ultra-puro do hélio de CA. 30 mbar na temperatura ambiente. Para a primeira vez até os íons carregados triplamente podiam ser extraídos de tal dispositivo com eficiência elevada29. A Figura 3a exibe o espectro de massa de íons extraídos da célula tampão-gás, mostrando três grupos de 233U α-produtos de decaimento (além dos adutos de contaminação que acompanham) em Estados iônicos isolados, duplamente e triplamente. Notável é o domínio de 229th3 + extração em comparação com 233U3 +, enquanto ambas as espécies são extraídas com cerca de igual intensidade quando sendo duplamente carregada. Este fato foi utilizado para medições comparativas com íons 233U, o que permitiu a exclusão de qualquer impacto iônico como origem do sinal.

Figure 3
Figura 3 : Identificação da deterioração direta do isômero do 229-tório. a) verificação de massa completa realizada com a fonte 233U 129. As unidades são dadas como a massa atômica (u) sobre a carga elétrica (e). b) comparação dos sinais de MCP obtidos durante o acúmulo de tório e urânio nos Estados de carga 2 + e 3 + (conforme indicado pelas setas que ligam à varredura em massa). 233 Você e as fontes 234U foram usadas (o número de fonte é dado no lado direito de cada fileira). Cada imagem corresponde a uma medição individual do tempo de integração de 2.000 s (abertura de 20 mm de diâmetro indicada pelo círculo tracejado). As medições foram realizadas na tensão superficial de-25 V MCP, a fim de garantir o pouso suave dos íons. c) sinal do 229th decaimento isomérico obtido durante 229th3 + extração com fonte 1. Um diâmetro da área do sinal de aproximadamente 2 milímetros (FWHM) é conseguido. A intensidade máxima obtida do sinal é 0, 8 contagens/(s milímetro2) em uma taxa do fundo de aproximadamente 0, 1 contagens/(s milímetro2). Com permissão amável de Springer pesquisa 11. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Após o transporte, resfriamento e separação de massa, o feixe de íons colide sobre a superfície de um detector de placa de microcanal, onde um baixo potencial de superfície atraente garante a supressão de sinais de impacto iônicos e deixa apenas elétrons resultantes do interno Conversão (IC) canal de deterioração do 229mth isômero a ser multiplicado no campo elétrico forte dos canais de placa do detector. Os sinais de MCP resultantes obtidos para três fontes de urânio diferentes são apresentados na Figura 3B. A espécie de íon de íons duplamente ou triplamente carregados que foi selecionado com a ajuda do separador de massa Quadrupole em cada medida individual é indicada pelas setas do painel superior. São mostrados os retratos adquiridos com a câmera do CCD atrás da tela do fósforo, em que os elétrons do MCP foram acelerados. O campo de visão da câmera CCD é indicado pelos círculos tracejados para triplamente (duas primeiras colunas) e duplamente carregada (duas últimas colunas) 229th e 233U íons, respectivamente. A linha superior representa o resultado obtido para uma pequena área 233U fonte (ca. 1000 extraído 229th3 + íons por segundo, fonte 1), enquanto a linha inferior mostra o mesmo para uma fonte mais forte com ca. 10.000 extraído 229th3 + íons por segundo (fonte 3). É óbvio que em ambos os casos um sinal desobstruído é obtido para 229th, quando nenhuma indicação de um sinal do elétron for observada para 233U 11. A fim provar que este sinal origina certamente de um deexcitation nuclear e não de um processo atômico da casca, a fileira média mostra a imagem resultante da câmera ao usar uma fonte de 234U, onde a deterioração do α preenche o isótopo vizinho 230 Th, com uma estrutura nuclear comparável e ainda diferente. Como esperado para 230th, nenhuma indicação de um sinal do elétron da conversão é encontrada em alguns dos casos estudados. Assim, o sinal forte, exibido na Figura 3C com excelente relação sinal-fundo, está claramente correlacionado com a deterioração de 229mth.

As medições de verificação adicionais para suportar essa interpretação são mostradas na Figura 4. Eles mostram duas medidas para dar mais evidências de que os sinais de elétrons registrados realmente se originam da deterioração do isômero nuclear: na figura 4a mostra-se que o potencial de superfície atrativo do detector MCP foi variado de-100 V ( favorecendo a ocorrência de elétrons de impacto iônico) até 0 V, comparando as taxas de contagem registradas com o MCP para 229th2 + (vermelho) e 233U2 + íons (azul). Claramente a taxa de contagem cai para baixo a zero para 233U2 + ao realizar uma "aterragem macia" dos íons entrantes com uma tensão de superfície abaixo de CA.-40 V, quando uma taxa de contagem considerável permanecer para 229th2 + até o limiar de 0 V. Na Figura 4B, a curva azul mostra a taxa de contagem de elétrons registrada para íons extraídos após forte aceleração para a superfície do detector MCP com-2000 V. impacto iônico de 233U2 + e 229th2 + íons é observado com aproximadamente igual intensidade, como já demonstrado para íons duplamente carregados no espectro de massa extraído da Figura 3a. A curva vermelha mostra o mesmo cenário, no entanto agora para um "pouso suave" de íons de entrada com-25 V potencial de superfície MCP. Nenhuma indicação do sinal iónico do impacto de 233U2 + é visível any more, quando para 229th2 + um sinal remanesce, originando da deterioração interna isômeros da conversão11.

Figure 4
Figura 4 : Medições de verificação de decaimento do isômero. a) 229th2 + Signal (vermelho) comparado a 233U2 + (azul) em função da tensão superficial do MCP. Os erros são indicados por bandas sombreadas. b) sinal de íons extraídos em função da relação massa-carga por trás do QMS para tensões de superfície MCP de-25 V (decaimento do isômero, vermelho) e-2.000 V (impacto do íon, azul). Observe os diferentes tempos de integração e escalas de eixo. Além do sinal em 114,5 u/e (correspondendo a 229th2 +), um sinal mais adicional em 117,5 u/e ocorre, que origina da deterioração isômeros de 235u. Com permissão amável de Springer pesquisa11. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Assim, pode ser provado inequivocamente (juntamente com argumentos adicionais dados na Ref. 11) que o sinal observado na Figura 4 origina-se da deterioração isomérica de 229mth e representa a primeira identificação direta do Desexcitação deste isômero elusivo.

Subseqüentemente o extração-RFQ segmentado foi operado como uma armadilha linear de Paul para criar um feixe de íon ajuntado, assim permitindo medidas da vida do isomer do tório. Desde que nosso vácuo elevado da quarto-temperatura não permite tempos de armazenamento suficientemente longos investigar a vida radiativa esperada de até 104 segundos, somente um limite mais baixo de t1/2 > 1 minuto poderia ser derivado para o th carregado 229m os íons, limitados pelo tempo de armazenamento máximo alcançável do íon na armadilha linear11de Paul. No entanto, usando a mesma estratégia de detecção aplicada antes para a identificação do decaimento do isômero após a neutralização dos íons tório na superfície de um detector de MCP, a expectativa de vida muito mais curta para átomos neutros de 229mth submetidos a deterioração interna da conversão fornece o acesso às informações da vida12. A Figura 5a mostra a forma esperada do espectro de tempo de decomposição como simulada para um bando de íons com uma largura de pulso de 10 μs. Enquanto a curva vermelha indica o sinal de impacto iônico e o sinal de uma decadência exponencial com meia-vida de 7 μs é representado pela curva cinzenta com uma cauda de decaimento longo, o sinal esperado da deterioração do isômero do tório, composto tanto pelo impacto iônico quanto pelo e a deterioração isomérica xponential, é ilustrada pela curva azul. A Figura 5b exibe o resultado da medida correspondente para 233U3 + (vermelho) e 229th3 + (azul), respectivamente. Quando os íons de urânio exibirem somente seu sinal iónico do impacto, para 229-tório claramente a cauda esperada da deterioração da deterioração do isômero pode ser observada12.

Figure 5
Figura 5 : Características de impacto e decaimento do íon temporal simulado e medido. a) simulação das características do tempo de decaimento do isômero dos cachos 229th. A simulação é baseada em uma forma medida do grupo e na suposição que 2% dos íons 229th estão no estado isomérico com uma meia-vida de 7 μs após a neutralização. A eficiência da deteção do elétron é supor para ser 25 vezes maior do que a eficiência da deteção do íon. b) medida da deterioração isomérica com um feixe de íon de 229 (m)th3 + (azul). Uma medida comparativa com 233U3 + é mostrada em vermelho. Com permissão amável da sociedade física americana12. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A montagem da cauda de deterioração com um exponencial (correspondente a um ajuste linear à representação logarítmica na Figura 6) finalmente resulta em uma meia-vida do isômero neutro 229mth de 7 (1) μs12. Este valor concorda muito bem com a redução da vida teoricamente esperada por nove ordens de magnitude da CA. 104 segundos no caso do isômero cobrado devido ao grande coeficiente de conversão de αIC ~ 109 37.

Figure 6
Figura 6 : Ajuste a 229m Th curva de decadência. Parcela logarítmica das características de deterioração temporal para 229 (m)th2 + íons (a) e 229(m) th3 + íons (b) juntamente com uma curva de ajuste aplicada para extrair a meia-vida isomérica de 229mth Após recombinação de carga em a superfície do detector MCP. Com permissão amável da sociedade física americana12. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A escala de recoiling os núcleos da filha da deterioração do α no urânio atinge somente aproximadamente 16 nanômetro. A fim conseguir uma eficiência elevada da fonte para íons do α-recoil para uma atividade dada da fonte, é imperativo limitar a espessura do material da fonte a esta escala. A eficiência da extração do recuo do α é afetada fortemente pela limpeza da pilha do amortecedor-gás. As contaminações do gás de parada conduzirão à troca da carga ou à formação da molécula. Conseqüentemente, a pilha de gás própria tem que ser construída de acordo com padrões ultra-elevados do vácuo, no detalhe para permitir um cozimento da pilha e de evitar todos os materiais orgânicos para dentro. O gás de paragem tem de ser purificado de acordo com o estado-da-arte técnica, a partir da pureza de gás de maior grau assistida por purificação catalítica e entrega para a célula de gás através de uma linha de abastecimento de gás ultra limpa, parcialmente cercada por uma armadilha criogênica para congelar as impurezas. Em geral, o alinhamento cuidadoso do eixo central da configuração completa para a posição do bocal de extração de células de gás é essencial para alcançar uma eficiência de transporte e detecção de alta29.

O passo 1.4.5 é o mais crítico do protocolo. Para a extração eficiente do íon uma amplitude elevada do RF tem que ser aplicada ao elétrodo do anel do funil. No entanto, se a amplitude é escolhida muito alta, faíscas na célula de gás ocorrerá. A amplitude máxima de tensão de RF alcançável depende criticamente da pureza do gás tampão. Uma aplicação bem sucedida da tensão é monitorada através da corrente da tensão do offset do funil. Esta corrente aumentará no caso de faíscas. Se as faíscas ocorreram, o procedimento do Bake-out tem que ser repetido a fim garantir a eficiência a mais elevada da extração do íon.

Um ponto crítico mais adicional é a aplicação das tensões elevadas ao detetor do MCP (etapas 1.6.2-1.6.4). As emissões de campo podem ocorrer no MCP, levando à emissão de elétrons que podem levar a sinais artefactos.

A extração óptima do íon e o transporte (refrigerado e massa purified) para a unidade da deteção exigem o alinhamento cuidadoso do eixo ótico central. A disponibilidade de um sistema de alinhamento óptico (laser de alinhamento ou Teodolito) é essencial. O transporte eficiente de íons através da RFQ de extração e do QMS requer uma estabilização contínua das amplitudes de radiofrequência para as duas fases opostas aplicadas a cada par de hastes opostas29. A identificação de problemas da extração ou do transporte pode ser facilitada por um diagnóstico do íon realizado por exemplo, através de um detector do multicanal-placa coloc consecutivamente em posições diferentes ao longo do trajeto do íon durante a fase do comissionamento do configuração, ou alternativamente, por exemplo, 90o atrás do RFQ da extração com uma tensão de superfície negativa elevada (1-2 quilovolts) para atrair todos os íons extraídos para o detector.

Durante a operação tipicamente dois problemas podem surgir. Nem todas as tensões são aplicadas corretamente. Neste caso geralmente nenhuns íons são extraídos, e um tem que encontrar o lugar da tensão não corretamente aplicada. Além disso, as impurezas estão presentes no gás tampão de hélio. Neste caso a eficiência da extração para íons triplamente carregados do tório será reduzida dràstica e a formação da molécula ocorre. No pior dos casos, até mesmo as faíscas vão aparecer quando a tensão do funil é aplicada. A razão para a pureza insuficiente do gás é tipicamente um escapamento na linha de abastecimento do gás ou uma flange não corretamente fechada da pilha de parada do amortecedor-gás.

O método descrito para gerar um feixe limpo dos íons que contêm o isômero energeticamente baixo-encontrando-se do th 229mpode ser aplicado a todos os casos comparáveis onde o íon do interesse pode ser extraído da atmosfera do amortecedor-gás em quantidades considerável. A limpeza do gás-pilha e do gás do amortecedor é obrigatória, assim a quantidade de impurezas restantes do gás é uma limitação à sensibilidade do método. Quando o detector empregado da microcanaleta-placa (MCP) for baseado na deteção dos elétrons, como explorado aqui para o registo de elétrons da conversão da baixo-energia, este caso está já na beira da baixo-energia da curva da eficiência para MCPs38, enquanto para as energias mais elevadas o método iria ganhar significativamente na eficiência de detecção.

Até agora, o método descrito forneceu a única identificação direta e inequívoca relatada do deexcitation do isomer do tório. Alternativamente, os cristais ultra-violeta (VUV)-transparentes do vácuo (com grandes bandgaps, excedendo a energia suposta da excitação do isomer) são dopados com 229th. O objetivo é coloc 229th íons no estado elevado da carga (4+) de posições de cristal da estrutura, inibem o de-excitação pela grande abertura da faixa e aponta em uma excitação do isômero usando raios X das fontes claras do síncrotron. Apesar do conceito elegante desta aproximação, até agora nenhuma fluorescência VUV poderia ser observada em uma série de experiências relatadas por diversos grupos Worldwide39,40,41,42,43 . O mesmo prende para uma classe de experiências que vise realizar a excitação nuclear do isômero através da casca de elétron de 229th, usando uma transição so-called da elétron-ponte. Aqui um acoplamento ressonante entre uma transição do escudo de elétron e o isômero nuclear deve permitir uma população mais eficiente do isômero44,45. Outros experimentos que visam a investigação das propriedades isoméricas baseiam-se na microcalorimetria46 ou na observação do hiperfine-Shift no escudo atômico47. Muito recentemente um outro método para excitar o isômero em um plasma laser-induzido foi relatado48 e é sujeito à discussão científica dentro da Comunidade.

A descoberta da canaleta interna da deterioração da conversão do isômero11 do tório e a determinação da meia-vida correspondente de 229mneutro th (7 (1) μs)12 podem ser exploradas no futuro para realizar um primeiro todo-ótico excitação com um laser pulsado, ajustável de VUV baseado na tecnologia já existente. Assim o paradigma atual que este exigiria muito melhor conhecimento da energia da excitação e de um desenvolvimento personalizado correspondente do laser pode ser contornado. Ao contrário, explorando o conhecimento da emissão interna do elétron da conversão, gating a deteção de elétrons da conversão com o pulso do laser fornecerá uma relação elevado do sinal-à-fundo, ao permitir uma varredura de 1 eV da energia da excitação em menos de 3 dias49. Além disso, uma determinação da energia da excitação do isomer, ainda sendo trabalho em andamento, pode ser baseada no método descrito de gerar o feixe de 229mth emitindo elétrons da deterioração do CI em um espectrómetro do elétron do magnético-frasco com retardamento campo eletrodo grades50. A mesma técnica também permitirá determinar a vida isomérica para diferentes ambientes químicos (por exemplo, em grandes materiais de banda-Gap como CaF2 ou Argon congelado) ou em 229th+ , bem como no átomo livre, neutro.

O método descrito de gerar um feixe isotopicamente puro do íon do tório do estado da carga 3 + pode ser usado como uma ferramenta para fornecer íons do tório para experiências futuras do laser-espectroscopia. Neste caso o feixe do íon pode ser usado para carregar uma armadilha de Paul em uma maneira estável e eficiente. Até agora, o único método alternativo é produzir 229th3 + por ablação a laser a partir de um alvo sólido. Isto, entretanto, exige intensidades elevadas do laser e uma grande quantidade de 229th, que é um material radioativo caro e conduz à contaminação de componentes usados do vácuo. Por esta razão, o método descrito pode ser de vantagem significativa quando se trata de experimentos de espectroscopia a laser nuclear. Uma primeira aplicação deste tipo já foi publicada51.

Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pelo programa de investigação e inovação do Horizonte 2020 da União Europeia, a Convenção de subvenção n º 664732 nuClock, de DFG Grant Th956/3-1, e pelo departamento de física médica da LMU através do laboratório Maier-Leibnitz.

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

Engenharia edição 147 relógio nuclear 229-tório isômero célula tampão-gás guia de íons armadilha de Paul separação de massa decadência alfa conversão interna
Preparando um feixe de íon <sup>229</sup>th isotopicamente puro para estudos de <sup>229m</sup>th
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