Waiting
Login processing...

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

Engineering

Beredning av en Isotopiskt ren 229th jonstråle för studier av 229mth

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

Summary

Vi presenterar ett protokoll för generering av en isotopiskt renad låg energi 229th jonstråle från en 233U källa. Denna jonstråle används för direkt detektering av 229mth mark-State förfall via den inre-omvandling förfall kanal. Vi mäter även den interna omvandlings livstiden på 229mth.

Abstract

En metod beskrivs för att generera en isotopiskt ren 229th jonstråle i 2 + och 3 + laddningstillstånd. Denna jonstråle möjliggör en att undersöka låglänta isomer första upphetsad tillstånd av 229th på en excitation energi på ca 7.8 (5) EV och en strålnings livstid på upp till 104 sekunder. Den presenterade metoden tillät en första direkt identifiering av sönderfallet av torium isomer, lägga grunden för att studera dess sönderfall egenskaper som förutsättning för en optisk kontroll av denna nukleära övergång. Hög energi 229th joner produceras i α sönderfall av en radioaktiv 233U källa. Jonerna är thermalized i en buffert-gasa stoppa cellen, utdraget och därefter en jonstråle bildas. Denna jonstråle är massa renas genom en fyrstolpe-massa separator för att generera en ren jonstråle. För att detektera isomernedbrytning, joner samlas på ytan av en mikro-kanal skylt detektor, där elektroner, som släpps ut i den inre omvandlingen förfall av isomer staten, observeras.

Introduction

Den första upphetsad metastabilt tillstånd i torium-229 kärnan, betecknas som 229mth, uppvisar en speciell position i det nukleära landskapet, eftersom den besitter den lägsta nukleära excitation energi av alla närvarande kända ca. 176 000 kärnvapen upphetsad stater. Fördriva typiska kärn-energier spänner från keV upp till MeV-regionen, äger 229mth en energi av nedanfört 10 EV ovanför det kärn-slipat påstår1,2,3. Det för närvarande mest accepterade energi värdet för denna stat är 7,8 (5) ev4,5. Detta låga energivärde har utlöst intresse från olika fysiska samhällen och lett till förslaget om flera intressanta tillämpningar. Bland dem är en kärn-laser 6, en mycket stabil qubit för QuantumComputing 7 och en nukleär klocka8,9.

Anledningen till att 229mth förväntas erbjuda ett brett spektrum av ansökningar bygger på det faktum att, på grund av dess extraordinära låg energi, är det den enda nukleära tillstånd som skulle kunna möjliggöra direkt nukleär laser excitation med nuvarande tillgängliga laser Teknik. Hittills har dock direkt nukleär laser excitation av 229mth förhindrats av otillräcklig kunskap om den metastabilt statens parametrar som dess exakta energi och livstid. Även om förekomsten av en kärnvapen upphetsad tillstånd av låg energi i 229th var redan gissat i 197610, all kunskap om denna stat kunde endast härledas från indirekta mätningar, inte möjliggör en exakt bestämning av dess förfall Parametrar. Denna situation har förändrats sedan 2016, då den första direkta upptäckten av 229mth förfall öppnade dörren för en mängd mätningar som syftar till att fästa den Exciterade statens parametrar11,12. Här finns ett detaljerat protokoll, som beskriver de enskilda steg som krävs för en direkt detektering av 229mth som uppnåtts i experimentet av 2016. Denna direkta detektering utgör grunden för en exakt bestämning av 229mth energi och livstid och därför för utvecklingen av en nukleär klocka. I efter begreppet av en kärn-ta tid på som den viktigaste applikationen för 229mth ska diskuteras.

Med en relativ LineWidth på ΔE/e ~ 10-20 kan den mark-statliga övergången av torium isomer potentiellt klassificeras som en nukleär frekvens standard ("Nuclear Clock")8,9. På grund av en atomkärna ca 5 storleksordningar mindre jämfört med Atom skalet, de nukleära ögonblicken (magnetisk dipol och elektriska fyrpol) är därmed mindre än de i atomer, vilket gör en nukleär klocka till stor del immuna mot yttre störningar (jämfört med nuvarande state-of-the-art atomur). Därför lovar en nukleär frekvens standard en mycket stabil och noggrann klock drift. Även om noggrannheten uppnås i de bästa nuvarande atomur når ca 2,1 X10-1813, vilket motsvarar en avvikelse på 1 sekund i en tidsperiod betydligt längre än universums ålder, kärn klockor hålla potentialen för en ytterligare förbättring som kan bli avgörande för ett stort användningsområde. Satellitbaserade navigationssystem som det globala positioneringssystemet (GPS), det globala navigations satellitsystemet (GLONASS) eller Galileo arbetar för närvarande med en positionerings precision på några meter. Om detta kan förbättras till centimeter eller ens millimeter skala, en uppsjö av tillämpningar kan planeras, från autonom körning till frakt eller komponent spårning. Förutom mycket noggranna klockor skulle sådana system kräva tillförlitlig oavbruten drift, med långsiktig drift stabilitet som säkrar långa omsynkroniseringintervaller. Användningen av nukleära klockor skulle kunna visa sig fördelaktig ur denna praktiska synvinkel. Ytterligare praktiska tillämpningar av (synkroniserade nätverk av) nukleära klockor kunde ligga inom området relativistisk geodesi14, där klockan fungerar som en 3D gravitation sensor, om lokala gravitationella potentiella skillnader ΔU till mätt (relativ) klockfrekvens skillnader Δf/f via relationen Δf/f =-ΔU/c2 (c betecknar ljusets hastighet). De bästa nuvarande klockorna kan känna av gravitations växlingar från höjdskillnader på ca ± 2 cm. Således kan Ultra-exakta mätningar med hjälp av en nukleär klocka nätverk användas för att övervaka dynamiken i vulkaniska magma kammare eller tektoniska plattan rörelser15. Dessutom föreslogs användningen av sådana klock nät som ett verktyg för att söka efter den teoretiskt beskrivna klassen av topologiska mörk materia16. Omfattande diskussion kan hittas i litteraturen om tillämpningen av en 229mth-baserade nukleära klocka i sökandet efter upptäckten av potentiella temporala variationer av grundläggande konstanter som den fina strukturen konstant α eller den starka interaktionen parameter (mq/ΔQCD, med mq som föreställer quarken samlas och δQCD fjäll parametern av den starka växelverkan), antytt i några teorier som förenar gravitation med andra interaktioner17. Upptäckten av en temporala variation i mark-State övergången energi 229mth kan ge en förbättrad känslighet med cirka 2-5 storleksordningar för temporala variationer av böterna struktur konstant eller stark interaktion parametern 18,19,20,21,22,23,24,25,26. Det aktuella experimentella gränsvärdet för en sådan variant av α uppgår till (dα/DT)/α =-0.7 (2.1) 10-17miljoner per år27. I efter det experimentellt att närma sig för riktaupptäckten av 229mden slipat-State förfalla ska beskrivas.

Bevis för existensen av 229-torium isomer tills nyligen kunde endast härledas från indirekta mätningar, vilket tyder på en excitation energi av 7,8 (5) eV (motsvarande en våglängd i vakuum ultra-violett spektralområdet 160 (11) nm)4 , 5. vår experimentella metod, som syftar till en direkt identifiering av isomeren mark-State deexcitation av 229mth isomer, bygger på en rumslig separation av isomerpopulationen i en buffert-gas stoppa cell, följt av en extraktion, och massseparerad transport mot en lämplig detekterings enhet för att registrera deexciteringsprodukterna28,29. Således kan population och deexcitation av isomeren frikopplas, vilket resulterar i en ren Mät miljö, opåverkad av snabba bakgrunds bidrag. Population av isomeren uppnås via α-sönderfallet från en radioaktiv 233U-källa, där en 2% sönderfalls gren inte går direkt till grundtillståndet 229th, utan befolkar det isomeriska första upphetsad tillståndet istället. i en ultra-ren helium atmosfär av en buffert-gas stoppa cell, innan de styrs av elektrisk radiofrekvent (RF) och likström (DC) fält mot ett utsugnings munstycke, där den framväxande Supersonic gas Jet drar dem i en angränsande vakuumkammare, bostäder en (segmenterad) radiofrekvent fyrpol (RFQ) struktur som fungerar som Ion guide, fas-Space svalare och potentiellt också som linjär Paul fälla för bunching de extraherade joner. För en detaljerad beskrivning av buffert-gas stoppa cell och extraktion ANBUDSFÖRFRÅGAN se refs. 30 , 31 , 32. sedan upp till det ögonblicket innehåller den extraherade jonstrålen förutom 229 (m)även kedjan av α-sönderfalls dotter produkter, Mass separation utförs med hjälp av en fyrpolig Mass separator (QMS) i en efterföljande vakuumkammare för att slutligen Generera en isotopiskt ren 229 (m)th balk i valbara laddnings lägen (q = 1-3). En detaljerad beskrivning av QMS finns i refs. 33 , 34. detektion av isomersönderfall uppnåddes genom att inkräkta på de andra direkt på ytan av en mikrokanalplattdetektor (MCP), där elektroner frigörs, accelereras mot en fosfor skärm och ses av en laddkopplad enhet (CCD) Kamera. En översikt över den experimentella installationen visas i figur 1. En detaljerad beskrivning ges i Ref.35.

Figure 1
Figur 1: översikt över den experimentella installationen. Torium-229 isomer befolkas via 2% förfalla förgrena sig i α förfalla av uran-233. 229m Th joner, lämnar 233U källa på grund av deras Kinetic rekyl energi, är thermalized i en buffert-gas stoppa cellen fylld med 30 mbar helium gas. Jonerna extraheras från stopp volymen med hjälp av RF-och DC-fält och en låg energi jonstråle bildas med hjälp av en radiofrekvent fyrpol (RFQ). Jonstrålen är massrenad med hjälp av en fyrpolig-massa-separator (QMS) och joner är mjukt implanteras i ytan av en mikro-kanal-Plate (MCP) detektor kombinerat med en fosfor skärm som möjliggör rumsligt löst detektering av alla förekommande signaler. Med snäll tillåtelse av springer forskning, denna siffra har modifierats från11. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Följande protokoll beskriver det underliggande förfarandet för att generera den 229 (m)th jonstrålen som gjorde det möjligt att först direkt upptäcka mark sönderfall av torium isomer, och därmed lägga grunden för att studera dess sönderfall egenskaper som en förutsättningen för den ytterst planerade all-optiska kontrollen av denna exotiska kärnvapenstat mot dess tillämpning som en ultra-exakt nukleär frekvens standard. För bättre orientering finns en schematisk översikt över den inställning som används för direkt detektering av isomer Decay11 i figur 2, som innehåller en numerisk märkning av de komponenter som tas upp i följande protokoll. Även de komponenter som används för livstids bestämning12 ingår som en infällt.

Figure 2
Figur 2: Schematisk skiss över den experimentella installationen som används för isomernedbrytning. Komponenterna som används för livstids mätning visas som en inuppsättning. Enskilda komponenter som kommer att refereras i protokoll avsnittet är numeriskt märkta. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

Anm.: nummer som anges i protokollet kommer att hänvisa till Figur 2.

1. direkt detektion av Th-229 isomerisk sönderfall

  1. Montering av 233-uran källa
    1. Montera 233-uran α-källan (1) genom en öppningsfläns öppning i gas cell vakuumkammaren till uppströms änden av trattens ring elektrod system (2) inuti gas cellen (3).
      Anmärkning: den 290 kBq, 90 mm diameter 233U källa producerades via molekylär plätering på en Titan-Sputtered si wafer36. För att uppnå optimal α-rekyl-effektivitet av källan, bör dess tjocklek inte överstiga 16 nm, är stopp intervallet 84 keV 229th i uran.
    2. Anslut kabeln till käll fästet för att möjliggöra en DC-förskjutning av källan. Stäng och försegla åtkomstflänsen och Anslut de externa kablarna till 233U-källan.
  2. Evakuering av vakuumkammaren och grädda ut
    1. Starta evakueringen av hela vakuumsystemet genom att starta den grova vakuumpumpen (4) om den stängs av (styrs via ett datorbaserat användargränssnitt (5)) och öppna de tre (handmanövrerade) ventilerna (6) som förbinder de enskilda delarna av differential pumpens steg till grov bearbetnings pumpen.
      Anmärkning: börja öppna ventilerna från kamrarna nedströms gas cellen med öppen grind ventil (7) mot gas cellens turbo molekylära pump för att skapa en tryckgradient som förhindrar att potentiella föroreningar från efterföljande kamrar sugs in i gas cell kammare där högsta renhet krävs.
    2. När trycket har nått en nivå i sub-mbar-sortimentet (Läs ut via användargränssnittet (5)) startar Turbo pumparna i gas cellen (8), extraktionen radiofrekvens fyrpol (RFQ) (9) och fyrpolig Mass separator (QMS) (10).
    3. valfritt Öppna bypass-ventilen (11) för att också möjliggöra en effektiv evakuering av gas försörjnings slangen.
    4. Fortsätt pumpa i några (4-5) timmar tills det når mättnadstryck, vanligtvis i intervallet låg 10-7 mbar.
    5. Starta Baknings systemet (12) via användargränssnittet (5) med en upramping (typiskt 20 ° c-40 ° c per timme) värmekurva till högst 130 ° c.
    6. Fortsätt att baka vakuumsystemet vid 130 ° c i 1-2 dagar tills tryck mätningarna börjar minska.
    7. Starta den kylande sekvensen av Baknings systemet via användargränssnittet (5) med en nedrampning sekvens, typiskt 20 ° c-40 ° c per timme.
      Obs: cooldown av systemet kräver normalt 8 timmar och utförs över natten. Lyckad beredning av vakuumsystemet uppnås när det slutliga cell trycket efter nedkylningen varierar under 5x10-10 mbar. Trycket i ANBUDSFÖRFRÅGAN och QMS-avdelningen kommer att vara i 10-9 mbar respektive 10-8 mbar-sortimentet.
    8. Anslut den externa ledningar till ANBUDSFÖRFRÅGAN vakuumkammaren.
  3. Beredning av gassystemet och utbudet av ultra-ren han
    1. Starta MonoTorr gasrenare (13) och vänta 20 minuter tills den har nått sin driftstemperatur.
    2. Stäng bypass-ventilen (11) om den är öppen.
    3. Öppna he-gascylinder (14) (han av 99,9999% renhet används för drift).
    4. Öppna tryck reducernings ventilen (15) tills ett tryck på ca 0,5 bar visas.
    5. Öppna ventilen som förbinder tryckreducer till gasslangen (16).
    6. Öppna gas flödeskontrollen (17) tills ett gas flöde på cirka 1,1 (motsvarande ca 5 mbar l/s) visas.
    7. Spola gasslangen i ca 10 minuter för att avlägsna kvarvarande gaser från slangen.
    8. Stäng ventilen som förbinder tryck reduceraren med gasslangen (16).
    9. Vänta några minuter tills han tas bort från gasslangen.
    10. valfritt För högsta renhet av buffertgasen, Fyll Cryo-fällan (18) med flytande kväve.
    11. Ställ in grind ventilen (7) mellan buffertgascellen och dess turbo molekylära pump till automatisk drift och Stäng ventilen via användargränssnittet (5).
    12. Öppna ventilen som förbinder tryckreducer till gasslangen (16).
      Obs: den buffert-gas stoppa cellen är nu fylld med ca. 30 mbar av he gas. På detta sätt ANBUDSFÖRFRÅGAN och QMS trycket höjs till 10-4 mbar och 10-5 mbar, respektive.
    13. Justera rotationshastigheten för den turbo-molekylära pumpen i den extraktion-RFQ vakuumkammare (9) till 50% för att ställa in ett omgivningstryck på ca 10-2 mbar.
  4. Använd de elektriska vägledande fälten för kontinuerlig Jon utvinning
    1. Applicera en DC-potential på 233-uran α-källan (1) på 39 V i kontinuerligt läge via en anpassad likströmsförsörjning (19).
    2. Använd en DC potentialgradient på 4 V/cm (från 35 V till 3 V) via en likströmsförsörjning (20) och en spännings förskjutning på 3 V via en 24-kanals DC offset-matning (21) till 50-faldig segmenterad trattring-elektrod system. Alla spänningar styrs med det datorbaserade användargränssnittet (5).
    3. Använd en DC-potential på typiskt 2 V till extraktionsmunstycket elektrod (22) med hjälp av samma datorbaserade användargränssnitt (5).
    4. Tillämpa en DC potentiell gradient till 12-faldig segmenterad extraktion-RFQ (27).
      Obs: spänningen i varje segment kan appliceras individuellt med hjälp av det datorbaserade användargränssnittet (5) via 24-kanals DC offset-matning (21). En spänning på 1,8 V appliceras på det segment som ligger närmast utsugnings munstycket. Spänningarna i de efterföljande segmenten är sedan stegvis minskade med 0,2 V, vilket resulterar i en spänning på 0 V tillämpas på 10: e ANBUDSFÖRFRÅGAN segmentet. Detta motsvarar en DC-gradient på 0,1 V/cm. Vid avsedd kontinuerlig transport av de extraherade joner en spänning på 0 V tillämpas på 11 och 12 ANBUDSFÖRFRÅGAN segment. För detta ändamål DC spänningsförsörjningen av 12: e anbudsförfrågan segmentet (23) är kvar på 0 V och den anpassade utlösarmodulen (24) är inställd på kontinuerlig driftläge.
    5. Använd RF-frekvens och amplitud till trattens ring elektrod system via en funktionsgenerator (25) och linjär RF-förstärkare (26).
      Anmärkning: typiska värden för frekvens och amplitud är 850 kHz respektive 220 VPP. Spänningarna kan styras med ett datorbaserat användargränssnitt (5). Under tratt-RF-spänningsapplicering, övervaka strömmen av tratten DC offset försörjning (21). I händelse av gnistor, som kan inträffa om buffert-gasrenhet är otillräcklig, denna ström kommer att börja öka.
    6. Använd RF-frekvens (typiskt 880 kHz) och amplitud (typiskt 120-250 VPP) till extraktionsradiofrequency fyrpol (27) (extraktion-RFQ) via en frekvensgenerator (28) och två RF-förstärkare (29, 30), en för anbudsförfrågan och en för den enskilde bunching elektrod. Spänningen kan styras med det datorbaserade användargränssnittet (5).
    7. Applicera en DC-potential på-1 V till utgångs elektroden (31) av extraktionen-RFQ via en Mesytec MHV-4 DC spänningsförsörjning (32).
    8. Använd DC offset spänningar till fyr Polen Mass separator (33) (QMS). Offset spänningen i QMS (Center elektrod och Brubaker linser) är valt att vara-2 V via kundanpassade DC offset moduler (34, 35).
    9. Starta den fyrpoliga Mass avskiljaren (33) QMS genom att slå på QMS-funktiongeneratorn (36), RF-förstärkaren (37) och starta QMS-användargränssnittet (38). I QMS-användargränssnittet infogas Mass överladdnings förhållandet för den valda Jon arten (typiskt 76 u/e eller 114,5 u/e, för utvinning av Th3 + eller Th2 +). Också den QMS godtagandet (typisk 1 till 2 u/e) och RF-frekvensen (typisk 825 kHz) sätts in.
      Obs: den LabVIEW programmet kommer automatiskt att tillämpa och kontrollera RF-amplitud och DC potentialer som krävs för Jon val. De erforderliga RF-amplituderna varierar från 600 till 1500 VPP och DC-potentialerna varierar från 50 v till 120 v. DC-potentialerna för Mass separation genereras av en anpassad DC-modul (39). En feedbackslinga implementeras för stabilisering av RF och DC-spänning.
    10. Applicera DC potential till fokus triodic elektrod struktur (40) bakom QMS (-2 V/-62 V/-22 V) via Mesytec 4 Channel (MHV-4) spänningsförsörjning modul (32).
  5. Sond Jon utvinning och finjustera QMS
    1. Applicera en attraktiv ytpotential på-1000 V till frontplåten på dubbel plattan (Chevron-geometri) mikrokanalplattdetektor (41) (MCP) via en högspännings (HV)-modul (42).
    2. Applicera en potential på + 900 V på baksidan av den andra MCP-plattan via en HV-modul (43).
    3. Applicera en potential på + 5 000 V på fosfor skärmen (44) placerad bakom MCP-detektorn via en HV-modul (45).
    4. Slå på CCD-kameran (46) bakom fosfor skärmen och konfigurera CCD-kamerans exponeringsparametrar i motsvarande grafiska användargränssnitt på datorn för datainsamling (47).
      Obs: CCD-kameran placeras i ett lätt-tätt hölje (48) för att täcka detekteringen från omgivningsljus. Om extraktionen körs ordentligt och joner passerar genom QMS bör en stark signal synas på fosfor skärmen orsakad av den joniska effekten av de extraherade jonerna. Denna signal övervakas nu av CCD-kameran.
    5. Utför en Mass skanning för att söka signal formen och finjustera sedan QMS för att extrahera de önskade Jon arterna.
      Anmärkning: Detta är en iterativ procedur som utförs med hjälp av QMS användargränssnitt (38). Välj en önskad massa-över-avgift ratio (typiskt 114,5 u/e för 229th2 +) och QMS lösa effekt (typiskt 1 u/e), sedan sond den joniska effektsignalen via CCD-kameran. Flytta den valda massan i 0,5 u/e steg tills en signal observeras. Så snart en signal observeras, sond om också 233U2 + signalen är observerbar genom att skifta massan-over-Charge-förhållandet med 2 U/e till högre massor. Om också denna signal observeras, sond om signalerna kan separeras. Om så inte är fallet, anpassa QMS lösa makten tills 229th2 + och 233U2 + signaler kan tydligt särskiljas. Ställ sedan in QMS för att extrahera endast 229th2 + Ion arter.
  6. Detektion av isomernedbrytning
    1. Stäng av QMS-trycksensorn (49) via tryck givar styrenheten (50) för att minska bakgrunden från joniserat helium och ljus som produceras av sensorn.
    2. Justera QMS-parametrarna för att extrahera th2 + eller Th3 + Ion-arten för isomerisk sönderfalls detektering.
    3. Minska ytan potentialen hos den främre plattan av MCP-detektor (41) till-25 V via (42) för att undvika att upptäcka signalen från elektroner som härstammar direkt från den joniska effekten av inkräkta joner. På detta sätt uppnås en "mjuklandning" av de 229 (m)th-JONER på MCP-ytan före isomersönderfallet.
    4. Applicera en accelererande potential av typiskt + 1 900 V till den andra MCP-plattan för optimal elektronamplifiering via (43).
    5. Applicera en accelererande potential av typiskt + 6 000 V till fosfor skärmen placerad bakom MCP-detektorn via (45).
      Obs: de faktiskt tillämpade spänningarna beror på MCP-prestandan.
    6. Starta förvärvet sekvens av CCD-bilder och lagra data på disk via kamerans användargränssnitt (47).
    7. Använd MATLAB-program för bild utvärdering och efter bearbetning.
      Anmärkning: en beskrivning av programmen och hur de används finns i Ref.35 bilaga B. 3. Rådata för bildramar samt de program som används för utvärdering har gjorts tillgängliga online på DOI 10.5281/zenodo. 1037981.

2. mätning av den 229m : e halveringstiden (Omarrangemang av Setup)

  1. Stänga av och avluftning av systemet.
    1. Stäng av de höga spänningarna i MCP-detekteringssystemet (42, 43, 45), QMS (37, 38), Trattsystem (25, 26) och extraktion RFQ (28, 29, 30).
    2. Valfritt Stäng av alla kvarvarande likströms spänningar.
    3. Stäng manuellt he-systemet (ventiler 14 och 16) och vänta tills trycket från den buffert-gas stoppa cellen reduceras till under 2 mbar.
    4. Öppna spjällbladet ventilen som förbinder Turbo pumpen till buffert-gas stoppa cellen (7) via användargränssnittet (5) och vänta tills han är helt bort från systemet.
    5. Stäng ventilen (17) på gas försörjnings ledningen och Stäng av gasrenare (13).
    6. Ställ in grind ventilen (7) på manuell manövrering för att hindra den från att stängas när systemet ventileras med torrt kväve.
    7. Stäng de tre ventilerna som ansluter Turbo pumparna med grov bearbetnings pumpen (6) och slå av de tre Turbo pumparna (8, 9, 10).
    8. Slå på QMS-trycksensorn (49).
    9. Vänta tills rotationshastigheten för Turbo pumparna reduceras till betydligt under 100 Hz som övervakas på användargränssnittet (5).
    10. Fyll Dewar (51) med flytande kväve och öppna ventilerande ventilen (52) långsamt. Vänta i flera minuter tills systemet är helt ventilerade med torrt kväve.
      Anm.: Alternativt kan torrt kväve från en gascylinder användas. Men i detta fall måste försiktighet iakttas att inget övertryck skulle inträffa (t. ex. genom att sätta in en övertrycksventil eller bristning disk). Användningen av luft är också ett alternativ, men kommer att leda till något längre evakuerings tider på grund av luftfuktigheten.
    11. Stäng ventileringsventilen (52).
  2. Byt ut MCP med fosfor skärm (41, 44) med en liten Single-anode MCP-detektor (53)
    1. Koppla ur och ta bort CCD-kameran (46) tillsammans med det ljusridå höljet (48).
    2. Koppla bort MCP-detektorn med fosfor skärm (41, 44).
    3. Öppna vakuum flänsen som förbinder MCP och fosfor skärmen med vakuumkammaren.
    4. Placera Single-anod MCP (53) med ett par mm avstånd bakom utloppet från trioden Extraction system (40) och Anslut de tre kablarna som ansluter frontplåten (42), bakre plattan (43) och anoden av MCP (54) med de elektriska genomföringar.
    5. Stäng vakuumkammaren, systemet är nu redo för evakuering och grädda ut.
    6. Tillhandahåll de externa ledningarna för den enskilda anod MCP till HV-modulerna och avläsnings systemet.
  3. Evakuering av systemet och baka ut
    1. Evakuera vakuumsystemet genom att följa stegen 1.2.1 till 1.2.3.
    2. Följ Bake-out-proceduren i steg 1.2.4 till 1.2.8.
  4. Beredning av gas-slangar och leverans av ultra-ren han
    1. Följ stegen 1.3.1 till 1.3.12.
      Anmärkning: för klungade läge drift vi vanligtvis använder anbudsförfrågan Turbo-pump på 100% rotationshastighet, vilket resulterar i ett tryck i 10-4 mbar sortiment.
  5. Använd de elektriska väglednings fälten för Jon bunching
    1. Applicera en DC-potential på 69 V till 233-uran α-källan (1) via den anpassade likströms försörjningen (19).
    2. Applicera en DC potentialgradient på 4 V/cm (från 65 V till 33 V) via likströms försörjningen (20) och en spännings förskjutning på 33 V via 24-kanals DC offset-matning (21) till 50-faldig segmenterad trattring-elektrod system. Alla spänningar styrs med det datorbaserade användargränssnittet (5).
    3. Använd en DC-potential på 32 V till extraktionsmunstycket elektrod (22) med hjälp av samma datorbaserade användargränssnitt (5).
    4. Tillämpa en DC potentiell gradient till 12-faldig segmenterad extraktion-RFQ.
      Obs: spänningen i varje segment kan appliceras individuellt med hjälp av det datorbaserade användargränssnittet (5) via 24-kanals DC offset-matning (21). En spänning på 31,8 V appliceras på det segment som ligger närmast utsugnings munstycket. Spänningarna i de efterföljande segmenten är sedan stegvis minskade med 0,2 V, vilket resulterar i en spänning på 30 V tillämpas på 10: e ANBUDSFÖRFRÅGAN segmentet. Detta motsvarar en DC-gradient på 0,1 V/cm. Vid skapandet av en klad balk lagras joner och kyls i den 11: e elektroden. Därför är den 11: e elektroden inställd på 25 V och det sista ANBUDSFÖRFRÅGANS segmentet höjs till 44 V via likströms försörjningen (23) för att ackumulera joner i den lokala potentiella skopan innan Jon gänget släpps genom att det sista elektrod segmentet sänks till 0 V inom en mikrosekund , som utlöses av en anpassad utlösarmodul (24).
    5. Ställ in utlösarmodulen (24) i gäng läget. Utlösarmodulen möjliggör en justering av utlösarhastighet och timing. Normalt väljs 10 Hz som utlösnings hastighet.
    6. Applicera återstående spänningar i systemet, följa steg 1.4.5 till 1.4.10.
  6. Sond Jon utvinning och finjustera QMS
    1. Stäng av QMS-trycksensorn (49) via tryck givar styrenheten (50) för att minska bakgrunden från joniserat helium och ljus som produceras av sensorn.
    2. Applicera en attraktiv ytpotential på-2 000 V till den främre plattan på singelanode MCP (52) via en HV-modul (42).
    3. Applicera en potential av-100 V på baksidan av MCP. MCP-Anden är inställd på mark.
    4. Slå på 12 V-strömtillförningsmodulen (55) för MCP-förförstärkaren (56).
      Anmärkning: enstaka joner som inkräktas på MCP-detektorn räknas nu med hjälp av kombinationen av för förstärkaren (56), en förstärkare (57) och en konstant fraktions diskriminerare (CFD) (58). CFD-signalen skickas till ett datainsamlings kort (DAQ) för den dator som används för QMS Control och kan övervakas via QMS-användargränssnittet (38).
    5. Utför en Mass skanning för att söka signal formen och finjustera sedan QMS för att extrahera de önskade Jon arterna.
      Obs: Detta görs med hjälp av QMS användargränssnitt (38). För detta ändamål är en initial och en slutlig massa-över-Charge-förhållande inställd (t. ex. 110 u/e till 120 u/e för 229th2 + Mass-Range), samt lösa effekt (t. ex. 1 u/e) och integrationstiden (5 s) per Scan steg och massan Skanningen startas genom att trycka på knappen Skanna. I fall att extraktionen är igång ordentligt och joner passerar QMS, starka signaler av torium och uran kommer att vara synlig orsakad av den joniska effekten av de extraherade joner.
  7. Livstids mätning
    1. Justera QMS-parametrarna för att extrahera th2 + eller Th3 + Ion-arten för isomerisk sönderfalls detektering.
    2. Reducera ytpotentialen hos den främre plattan på MCP-detektorn (52) till-25 V via (42) för att reducera den joniska slag signalen.
    3. Applicera en accelererande potential av typiskt + 1 900 V till den andra MCP-plattan för optimal elektronamplifiering via (43).
    4. Applicera en accelererande potential av typiskt + 2 100 V till MCP anod via (53).
    5. Starta datainhämtningen via en MicroChannel-scaler (59).
      Anmärkning: förförstärkare (56) och MicroChannel-scaler (59) tillåter tid löst läsning av MCP-detektorn. Jon klasarna och MicroChannel--skalningen utlöses av utlösarmodulen (24). Scaler-signalen erhålls via ett LabVIEW-användargränssnitt (60). En exponentiell sönderfall svans på ca 10 mikrosekunder livstid blir synlig efter Jon klasar, som motsvarar torium isomer förfall.

Representative Results

Den metod som beskrivs innan tillåten för utvinning av α-sönderfallsprodukter från en 233U-källa placerad i en buffertgasstoppcell, som används vid ca. 30 mbar ultra-ren helium gas vid rumstemperatur. För den första tiden upp till triply laddade joner kunde dras ut från en sådan apparat med kickeffektivitet29. Figur 3a visar det Mass spektrum av joner som utvinns ur buffertgascellen och visar tre grupper av 233U α-sönderfallsprodukter (plus åtföljande föroreningsmedel) i ensamma, dubbelt och triply laddade Joniska stater. Anmärkningsvärt är dominans 229th3 + utvinning jämfört med 233U3 +, medan båda arterna extraheras med ungefär lika intensitet när de är dubbelt laddade. Detta faktum användes för jämförande mätningar med 233U-joner, vilket tillät uteslutning av någon jonisk påverkan som signal ursprung.

Figure 3
Figur 3 : Identifiering av det direkta sönderfallet av 229-torium isomer. a) fullständig Mass skanning utförd med 233U-källan 129. Enheter ges som atommassa (u) över elektrisk laddning (e). b) jämförelse av MCP-signaler som erhållits under ackumulering av torium och uran i 2 + och 3 + laddnings tillstånden (som indikeras av pilarna som länkar till Mass genomsökningen). 233 du och 234U källor användes (käll numret ges på höger sida av varje rad). Varje bild motsvarar en individuell mätning av 2 000 s integrations tid (20 mm diameter bländare indikeras av streckad cirkel). Mätningar utfördes vid-25 V MCP ytspänning för att garantera mjuklandning av joner. c) signalen från 229th isomer förfall erhålls under 229th3 + extraktion med källa 1. En signal områdes diameter på ca 2 mm (FWHM) uppnås. Den erhållna maximala signalintensiteten är 0,08 antal/(s mm2) med en bakgrunds hastighet på cirka 0,01 antal/(s mm2). Med snäll tillåtelse av springer forskning 11. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Efter transport, kylning och Mass separation inkräkner jonstrålen på ytan på en mikrokanalplattdetektor, där en låg attraktiv ytpotential säkerställer dämpning av Joniska slag signaler och lämnar endast elektroner som härrör från den inre Omvandling (IC) förfalla kanaliserar av 229mth isomeren som ska multipliceras i det starka elektriskt sätter in av avkännaren pläterar kanaliserar. De resulterande MCP-signalerna som erhålls för tre olika uran källor visas i figur 3b. De Jon arter av dubbelt eller triply laddade joner som valdes med hjälp av fyrpol Mass separator i varje individuell mätning indikeras med pilarna från den övre panelen. Visas är bilder som erhållits med CCD-kameran bakom fosfor skärmen, på vilken elektronerna från MCP accelererades. Synfält av CCD-kameran indikeras av den streckade cirklar för triply (första två kolumner) och dubbelt laddade (sista två kolumnerna) 229Th och 233U joner, respektive. Den övre raden representerar resultatet för ett litet område 233U källa (ca. 1000 extraherade 229th3 + joner per sekund, källa 1), medan den nedersta raden visar samma för en starkare källa med ca. 10 000 extraherade 229th3 + joner per sekund (källa 3). Det är uppenbart att i båda fallen en tydlig signal erhålls för 229th, medan ingen indikation på en elektron signal observeras för 233U 11. För att bevisa att denna signal verkligen härstammar från en nukleär deexcitation och inte från en atomär skal process visar mittenraden den resulterande kamerabilden när du använder en 234U-källa, där α-sönderfallet fyller den angränsande isotopen 230 E, med en jämförbar elektronisk men ändå annorlunda kärnkrafts struktur. Som förväntat för 230th, ingen indikation på en omvandling elektron signal finns i något av de undersökta fallen. Så den starka signalen, som visas i figur 3c med utmärkt signal-till-bakgrund förhållande, är tydligt korrelerad med sönderfallet av 229mth.

Ytterligare verifierings mätningar för att stödja denna tolkning visas i figur 4. De visar två mätningar för att ge ytterligare belägg för att de registrerade elektron signalerna verkligen härstammar från sönderfallet av den nukleära isomeren: i figur 4a visas att MCP-detektorns attraktiva ytpotential varierade från-100 V ( gynnar förekomsten av elektroner från jonisk påverkan) ner till 0 V, jämföra de räkna frekvenser som registrerats med MCP för extraherade 229th2 + (röd) och 233U2 + joner (blå). Klart räknar räntan sjunker ner till noll för 233U2 + när man inser en "mjuklandning" av inkommande joner med en ytspänning under ca.-40 V, medan en avsevärd räkna hastighet återstår för 229th2 + tills tröskeln på 0 V. I figur 4bvisar den blå kurvan den elektron räknings frekvens som registrerats för extraherade joner efter stark acceleration mot MCP-detektorns yta med-2000 V. jonisk påverkan på 233U2 + och 229th2 + joner observeras med ungefär lika intensitet, som redan visats för dubbelt laddade joner i det extraherade Mass spektrumet i figur 3a. Den röda kurvan visar samma scenario, men nu för en "mjuklandning" av inkommande joner med-25 V MCP yta potential. Ingen indikering av den joniska få effekt signalerar av 233U2 + är synlig något mera, stunder för 229th2 + en signalera återstår, påbörjande från den isomer inre omvandlingen förfalla11.

Figure 4
Figur 4 : Mätningar för att kontrollera isomer. a) 229th2 + signal (röd) jämfört med 233U2 + (blå) som en funktion av MCP-ytspänningen. Fel indikeras med skuggade band. b) signal av extraherade joner som en funktion av massan-mot-laddning förhållandet bakom QMS för MCP ytspänningar på-25 V (isomer Decay, röd) och-2 000 V (Ion Impact, blå). Observera olika integrations tider och axel skalor. Förutom signalen vid 114,5 u/e (motsvarande 229th2 +), en ytterligare signal på 117,5 u/e inträffar, som härstammar från isomer förfall av 235u. Med snäll tillåtelse av springer forskning11. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Således kan det vara otvetydigt bevisat (tillsammans med ytterligare argument som anges i Ref. 11) att den signal som observerats i figur 4 härstammar från isomer förfall av 229mth och representerar den första direkta identifieringen av deexcitation av denna svårfångade isomer.

Därefter segmenterade extraktion-RFQ fungerade som en linjär Paul fälla för att skapa en klassade jonstråle, vilket möjliggör livstids mätningar av torium isomer. Eftersom vår rumstemperatur högvakuum inte medger tillräckligt långa lagringstider för att undersöka den förväntade strålnings livslängd på upp till 104 sekunder, kan endast en lägre gräns på t1/2 > 1 minut härledas för laddning 229mth joner, begränsas av den maximala uppnåeliga Ion lagringstid i den linjära Paul trap11. Men med samma detektions strategi som tillämpas tidigare för identifiering av isomer förfall efter neutralisering av torium joner på ytan av en MCP-detektor, den förväntade mycket kortare livstid för neutrala 229mth atomer som genomgår intern konverterings förfall ger tillgång till livstids information12. Figur 5a visar den förväntade formen av det sönderfall tids spektrum som simuleras för ett Jon gäng med en pulsbredd på 10 μs. Medan den röda kurvan indikerar den joniska effektsignalen och signalen från ett exponentiellt förfall med 7 μs halveringstid representeras av den grå kurvan med en lång sönderfalls svans, den förväntade signalen från sönderfallet av torium isomer, bestående av både jonisk påverkan och e xponential isomer förfall, illustreras av den blå kurvan. Figur 5b visar resultatet av motsvarande mätning för 233U3 + (röd) respektive 229th3 + (blå). Fördriva uranjoner endast ställer ut deras Joniska får effekt signalerar, for 229-Thorium klart den förväntade förfalla svanen av isomerförfalla kan observeras12.

Figure 5
Figur 5 : Simulerad och uppmätt temporal Jon effekt och sönderfalls egenskaper. a) simulering av isomeren sönderfall tid egenskaper 229th klasar. Simuleringen är baserad på en uppmätt gäng form och antagandet att 2% av de 229th joner är i isomer tillstånd med en halveringstid på 7 μs efter neutralisering. Elektrondetekterings effektiviteten antas vara 25 gånger större än Jon detekterings effektiviteten. b) mätning av isomersönderfallet med en klad 229 (m)th3 + jonstråle (blå). En jämförande mätning med 233U3 + visas i rött. Med snäll tillåtelse av Amerikanläkar undersökning samhället12. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Montering av Decay tail med en exponentiell (motsvarande en linjär passning till den logaritmiska representationen i figur 6) resulterar slutligen i en halveringstid på den neutrala 229mth isomeren av 7 (1) μs12. Detta värde stämmer fint med den teoretiskt förväntade livslängden minskning med nio storleksordningar från ca. 104 sekunder i händelse av den laddade isomeren på grund av den stora omvandlingskoefficienten av αIC ~ 109 37.

Figure 6
Figur 6 : Anpassa till 229m Th förfall kurva. Logaritmisk Plot av de temporala sönderfalls egenskaperna för 229 (m)th2 + joner (a) och 229(m) th3 + joner (b) tillsammans med en fit kurva appliceras för att extrahera den isomeriska halveringstiden på 229mth efter laddning rekombination på MIKROKANALDETEKTORNS yta. Med snäll tillåtelse av Amerikanläkar undersökning samhället12. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Spänna av att recoiling α förfaller dotter kärnor i uran uppgår till endast omkring 16 nm. För att uppnå en hög verkningsgrad av källan för α-rekyl joner för en given källa aktivitet, är det obligatoriskt att begränsa källmaterialets tjocklek till detta intervall. Den α-rekylextraktionseffektiviteten påverkas starkt av renheten hos buffertgascellen. Föroreningar av stopp gasen kommer att leda till laddning utbyte eller molekyl bildning. Därför måste själva gas cellen byggas enligt ultrahöga vakuum standarder, i synnerhet för att möjliggöra en bakning av cellen och undvika organiska material inuti. Stopp gasen måste renas enligt teknisk State-of-the-art, med början från högsta kvalitet gas renhet med hjälp av katalytisk rening och leverans till gas cellen via en ultra-ren gas-Supply linje, delvis omgiven av en kryogen fälla för att frysa ut orenheter. I allmänhet är noggrann anpassning av den centrala axeln av den kompletta installationen till positionen av gasen cell utvinning munstycket viktigt för att uppnå en hög transport och detekterings effektivitet29.

Steg 1.4.5 är den mest kritiska av protokollet. För effektiv Jon utvinning måste en hög RF-amplitud appliceras på tratt ring elektroden. Men om amplituden väljs för högt, gnistor i gas cellen kommer att inträffa. Den högsta möjliga RF-spänningsamplituden beror kritiskt på buffertgasens renhet. En lyckad tillämpning av spänningen övervakas via strömmen av tratten offset spänning. Denna ström kommer att öka i fallet med gnistor. Om gnistor har inträffat måste Bake-out-proceduren upprepas för att garantera högsta Jon extraktionseffektivitet.

En mer ytterligare kritisk pekar är applikationen av kicken spänningar till MCP-avkännaren (kliver 1.6.2-1.6.4). Fält utsläpp kan förekomma på MCP, vilket leder till emission av elektroner som kan leda till artefakter.

Optimal Jon utvinning och (kyld och massrenad) transport mot detekterings enheten kräver noggrann justering av den centrala optiska axeln. Tillgängligheten av ett optiskt justeringssystem (Alignment laser eller Theodolite) är viktigt. Den effektiva jontransporten genom extraktion ANBUDSFÖRFRÅGAN och QMS kräver en kontinuerlig stabilisering av radiofrekventa amplituder för de två motsatta faser tillämpas på varje motsatt par stavar29. Identifiering av utvinning eller transportproblem kan underlättas genom en Jon-diagnostik realiseras t. ex. via en Multichannel-plattdetektor placerad antingen i följd på olika positioner längs Jon banan under driftsättningsfasen av eller alternativt, t. ex., under 90o bakom extraktionsförfrågan med hög negativ ytspänning (1-2 kv) för att locka alla extraherade joner mot detektorn.

Under drift kan vanligtvis två problem uppstå. Alla spänningar är inte korrekt applicerade. I detta fall vanligt inga joner extraheras, och en måste att finna förlägga av inte korrekt applicerad spänning. Dessutom förekommer orenheter i helium-buffertgasen. I detta fall utvinning effektivitet för triply laddade torium joner kommer att drastiskt minskas och molekyl bildning uppstår. I värsta fall kommer även gnistor dyka upp när tratten spänning tillämpas. Orsaken till otillräcklig gas renhet är vanligtvis ett läckage i gas försörjnings ledningen eller en inte ordentligt sluten fläns i den buffert-gas stoppa cellen.

Den beskrivna metoden för att generera en ren stråle av joner som innehåller den energiskt låglänta 229mth isomer kan tillämpas på alla jämförbara fall där Jon av intresse kan extraheras från buffert-gas atmosfären i betydande mängder. Renhet av gas-cell och buffert gas är obligatoriskt, alltså mängden kvarvarande gasföroreningar är en begränsning av känsligheten hos metoden. Medan de anställda MicroChannel-plattan detektor (MCP) är baserad på detektion av elektroner, som utnyttjas här för registrering av låg energiomvandling elektroner, detta fall ligger redan på låg energi gränsen för effektivitets kurvan för MCPs38, även för högre energier skulle metoden avsevärt få i detekterings effektivitet.

Hittills har den beskrivna metoden gett den enda rapporterade direkta och entydiga identifieringen av de-excitation av torium isomer. Alternativt vakuum ultra-violett (VUV)-transparenta kristaller (med stora bandgap, överskrider den antagna excitation energi av isomer) är dopade med 229th. Målet är att placera 229th joner i hög (4+) laddning tillstånd av Crystal gitter positioner, hämma de-excitation av det stora bandet gap och sikta på en excitation av isomeren med röntgenstrålar från synkrotron ljuskällor. Trots den eleganta begreppet denna strategi, hittills ingen VUV fluorescens kunde observeras i en rad experiment som rapporterats av flera grupper över hela världen39,40,41,42,43 . Detsamma gäller för en klass av experiment som syftar till att förverkliga den nukleära excitation av isomer via elektron skalet på 229th, med hjälp av en så kallad elektron-brygga övergång. Här bör en resonant koppling mellan en elektron skal övergång och den nukleära isomeren möjliggöra en effektivare isomerpopulation44,45. Andra experiment som syftar till utredning av isomeriska egenskaper är baserade på microcalorimetri46 eller observation av hyperfine-Shift i atom skalet47. Helt nyligen en annan metod för att excitera isomeren i en laserinducerad plasma rapporterades48 och är föremål för vetenskaplig diskussion inom gemenskapen.

Upptäckten av den inre omvandlingen förfalla kanaliserar av torium isomer11 och beslutsamheten av den motsvarande halveringstiden av friläge 229mth (7 (1) μs)12 kan utnyttjas i framtiden för att realisera en första all-Optical excitation med en pulsad, avstämbara VUV-laser baserad på redan befintlig teknik. Således den nuvarande paradigmet att detta skulle kräva mycket bättre kunskap om excitation energi och en motsvarande anpassad laser utveckling kan kringgås. I motsats, utnyttja kunskapen om interna omvandlingen elektron utsläpp, gating upptäckten av omvandling elektroner med laserpulsen kommer att ge en hög signal-till-bakgrund förhållande, samtidigt som det möjliggör en genomsökning av 1 eV av excitation energi i mindre än 3 dagar49. Dessutom kan en bestämning av magnetiseringen energin i isomer, fortfarande är pågående arbete, baseras på den beskrivna metoden för att generera 229mth strålen genom att skicka IC Decay elektroner i en magnetisk flaska elektron spektrometer med Retarderande fält elektrod galler50. Samma teknik kommer också att göra det möjligt att bestämma isomerens livstid för olika kemiska miljöer (t. ex. på stora band-gap material som CaF2 eller fryst argon) eller i 229th+ samt i fri, neutral Atom.

Den beskrivna metoden för att generera en isotopiskt ren torium jonstråle av 3 + laddningstillstånd kan användas som ett verktyg för att förse torium joner för framtida Laserspektroskopi experiment. I detta fall kan jonstrålen användas för att lasta en Paul fälla på ett stabilt och effektivt sätt. Hittills är den enda alternativa metoden att producera 229th3 + av laser ablation från ett fast mål. Detta kräver dock hög laser intensitet och en stor mängd 229th, vilket är ett dyrt radioaktivt material och leder till förorening av begagnade vakuum komponenter. Därför kan den beskrivna metoden vara till stor fördel när det gäller experiment med nukleär Laserspektroskopi. En första ansökan av denna typ har redan publicerats51.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av Europeiska unionens Horisont 2020 forsknings-och innovationsprogram enligt bidragsöverenskommelsen nr 664732 "nuClock", av DFG Grant Th956/3-1, och av LMU Institutionen för medicinsk fysik 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

Ingenjörsvetenskap nukleär klocka 229-torium isomer buffert-gas cell Jon guide Paul Trap Mass separation alfa förfall intern omvandling
Beredning av en Isotopiskt ren <sup>229</sup>th jonstråle för studier av <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