Vorbereitung eines isotopisch reinen ²²⁹Th Ion Beam für Studien von ^229mTh

Diese Methode beschreibt die Produktion eines isotopisch reinen Thorium-229-Ionenstrahls nach dem Alphazerfall von Uran-233. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie es uns ermöglicht, Thorium-229-Ionen in einem energiearmen, energiefördernden Zustand zu untersuchen, der für die Entwicklung eines nuklearen Clubs relevant ist. Demonstriert wird das Prozedere von Ines Amersdorffer, einer Studentin aus unserem Labor.

In diesem Set ist eine Uran-233-Quelle für die Erstellung eines isotopisch reinen Thorium-229-Ionenstrahls montiert. Die Vakuumkammern wurden evakuiert und ausgebacken, um sich auf das Experiment vorzubereiten. Die Einrichtung befindet sich hinter der Elektronik, die zur Überwachung und Steuerung des Systems verwendet wird.

Die Forscher interagieren mit der Elektronik vor allem über Computer, die auch die Daten sammeln und anzeigen. Dieser Cutaway-Schema stellt Elemente des Apparates dar. Betrachten Sie die Schritte von der Generierung der Thorium-229-Isomere und der Puffergas-Stoppzelle bis zur Erkennung mit einer CCD-Kamera.

Eine 290 Kilo schwere Becquerel, großflächige Uran-233-Quelle, produziert den Alphazerfall Thorium-229-Kerne, einschließlich 2% der ersterregten Zustands-Isomere. Schnelle Thoriumkerne entweichen der Quelle und werden in einer ultrareinen Heliumatmosphäre gepufferte Gas-Stoppzelle thermischisiert. Als nächstes treffen sie auf ein elektrisches Trichtersystem.

Seine Hochfrequenz- und Gleichstrom-Elektrofelder führen sie zu einer Extraktionsdüse. Der Überschall-Gasstrahl aus der Düse nimmt die Kerne in eine Vakuumkammer mit einer hochfrequenten Quadrupolstruktur. Die Struktur fungiert als Ionenführung, Gesichtskühler und potenziell als Polfalle.

Die nächste Vakuumkammer verfügt über einen Quadrupol-Massenabscheider, um isotopisch reines Thorium-229 in wählbaren Ladungszuständen zu isolieren. Ein Triodelektrodensystem mit Dreiringelektroden fokussiert die Ionen auf den Detektor. Interaktion mit einem Mikrokanalplattendetektor bewirkt, dass metastabile Ionen zerfallen und Elektronen freisetzen, die mit der CCD-Kamera auf einem Phosphorbildschirm multipliziert und detektiert werden.

Dies ist ein Querschnittsschema der Vakuumkammer und der zugehörigen Ausrüstung. Beginnen Sie das Experiment, indem Sie den katalytischen Gasreiniger starten und 20 Minuten warten, bis er seine Betriebstemperatur erreicht. Stellen Sie als Nächstes sicher, dass das Bypassventil geschlossen ist, bevor Sie die Heliumgasflasche öffnen.

Öffnen Sie das Druckminderventil, bis ein Druck von etwa 0,5 bar gemessen wird. Öffnen Sie dann das Ventil vom Druckminderer bis zum Gasschlauch. Öffnen Sie die Gasstromregelung, indem Sie einen Zelldruck von 32 Millibar einstellen.

Spülen Sie die Gasschläuche für ca. 10 Minuten. Schließen Sie dann das Ventil, das den Druckminderer mit dem Gasschlauch verbindet, und warten Sie einige Minuten, bis das Helium entfernt wird. Für höhere Reinheit-Puffer-Gas füllen Sie die Kryotrap mit flüssigem Stickstoff.

Stellen Sie das Torventil zwischen der Puffergaszelle und ihrer Turbomolekularpumpe auf Den Remote-Betrieb ein, und schließen Sie dann das Gate-Ventil aus der Ferne. Öffnen Sie das Ventil, das den Druckminderer mit dem Gasschlauch verbindet. An dieser Stelle wird die Puffergas-Stoppzelle mit etwa 30 Millibar Heliumgas gefüllt.

Der Hochfrequenz-Quadrupol-Kammerdruck beträgt etwa 10 bis minus vier Millibar. Der Quadrupol-Massenabscheider-Kammerdruck beträgt etwa 10 bis minus fünf Millibar. Stellen Sie die Drehgeschwindigkeit der an der HFQ-Vakuumkammer angeschlossenen Turbomolekularpumpe ein, um einen Umgebungsdruck von 10 auf minus zwei Millibar einzustellen.

Dieser aktualisierte Schaltplan enthält Darstellungen der Ausrüstung, die für die Anwendung der elektrischen Führungsfelder erforderlich ist. Verwenden Sie eine Gleichspannungsversorgung, um ein Gleichstrompotential auf die Uranquelle anzuwenden. Als Nächstes bereiten Sie das segmentierte Trichterelektrodensystem vor.

Mit der DC-Stromversorgung und einer 24-Kanal-DC-Offset-Versorgung, wenden Sie eine DC-Potenzialgradient von vier Volt pro Zentimeter und einen Drei-Volt-Offset. Tragen Sie ein DC-Potenzial von etwa zwei Volt auf die Extraktionsdüse auf. Folgen Sie diesem, indem Sie die DC-Potenziale auf die 12 Volt segmentierte Extraktion Hochfrequenz-Quadrupole anwenden.

Erstellen Sie den Farbverlauf mit der 24-Kanal-DC-Offset-Versorgung. Die Spannungen für jedes der 12 Segmente des Quadrupols können einzeln angelegt werden. Tragen Sie 1,8 Volt auf das Segment auf, das der Extraktionsdüse am nächsten ist.

Schrittweise sollten Sie die Spannungen in nachfolgenden Segmenten um 0,2 Volt verringern, um einen Dcgradienten von 0,1 Volt pro Zentimeter zu erreichen. Verwenden Sie nun einen Funktionsgenerator und einen linearen HF-Verstärker, um eine Frequenz von etwa 850 Kilohertz, 220 Volt Peak-to-Peak-Amplitude auf das Trichterringelektrodensystem anzuwenden. Mit einem weiteren Frequenzgenerator und zwei HF-Verstärkern wenden Sie eine 880-Kilohertz-, 120 bis 250-Volt-Spitzenamplitude auf die Extraktions-Radiofrequenz-Quadrupole und die einzelne Bündelelektrode an.

Wenn das Heliumpuffergas nicht ausreichend rein ist, entstehen Funken in der Puffergas-Stoppzelle, wenn die HF-Spannung auf die Trichterringelektroden angewendet wird. In diesem Fall unterbricht das Verfahren und führt Das Backen für einen Tag durch, um die volle Extraktionseffizienz wiederzuerlangen. Verwenden Sie eine Gleichspannungsversorgung, um ein Potential von minus einem Volt auf die Extraktionselektrode des Extraktions-Hochfrequenzquadrupols anzuwenden.

Stellen Sie die Offsetspannung des Quadrupol-Massenabscheiders mit DC-Offsetmodulen auf minus zwei Volt ein. Wenden Sie sich an den Funktionsgenerator und RF-Verstärker, der mit dem Quadrupol-Massenabscheider verbunden ist, um ihn zu starten. Nach der Auswahl des Massen-Lade-Verhältnisses und der Quadrupol-Massenabscheiderakzeptanz wird ein Vierkanal-Netzteil verwendet, um Potenziale auf die fokussierende triodische Elektrodenstruktur anzuwenden.

Nach dem Einrichten der Führungsfelder arbeiten sie mit der Ausrüstung, die für die Abstimmung des Quadrupol-Massenabscheiders erforderlich ist. Beginnen Sie mit der Anlegung von Spannungen auf den Doppelplatten-Mikrokanalplattendetektor, der über eine Frontplatte, eine Rückplatte und einen Phosphorsieb verfügt. Verwenden Sie ein Hochspannungsmodul, um ein attraktives Potential von negativen 1.000 Volt auf die Frontplatte des Doppelplatten-Mikrokanalplattendetektors aufzutragen.

Mit einem zweiten Hochspannungsmodul positive 900 Volt auf die Rückseite der zweiten Platte des Detektors auftragen. Verwenden Sie ein drittes Hochspannungsmodul, um positive 3.000 Volt auf den Phosphorbildschirm hinter dem Mikrokanalplattendetektor aufzutragen. Schalten Sie die CCD-Kamera und das lichtdichte Gehäuse hinter dem Phosphorbildschirm ein und konfigurieren Sie deren Belichtungsparameter.

Beobachten Sie den Kameraausgang und häuten Sie das Quadrupol-Massenabscheider-Massenüberladungsverhältnis von unterhalb des erwarteten Wertes für Thorium-229 zwei plus, bis ein Signal vorhanden ist. Etwa 10.000 Thorium werden pro Sekunde extrahiert, was einer Gesamteffizienz von etwa 3,5% entspricht. Nach dem Fund des Thorium-Signalscans für die Uran-233-Röhre plus Signal, indem das Massenüberladungsverhältnis erneut erhöht wird.

Sobald das Thoriumsignal verschwindet, sollte das Uransignal sichtbar werden. Stellen Sie den Quadrupol-Massenabscheider ein, um nur die Thorium-229-Zwei-Plus-Ionen-Arten zu extrahieren. Wenn der Massenabscheider gestimmt ist, können Sie den isomerischen Zerfall weiter erkennen.

Schalten Sie den Quadrupol-Massenabscheiderdrucksensor aus, um den Hintergrund von ionisiertem Helium und Licht zu reduzieren. Passen Sie die Separatorparameter an, um das gewählte Thorium-Ionen zu extrahieren. Reduzieren Sie dann das Oberflächenpotenzial der Frontplatte des Mikrokanalplattendetektors auf minus 30 Volt.

Wenden Sie ein Beschleunigungspotenzial auf die zweite Platte des Mikrokanalplattendetektors an, typischerweise 1, 900 Volt. Wenden Sie ein Beschleunigungspotenzial auf den Phosphorbildschirm hinter dem Detektor an, typischerweise 4.000 Volt. Starten Sie die Erfassungssequenz von CCD-Bildern.

Die Zählrate beträgt etwa drei Zählungen pro Sekunde. Speichern Sie die Daten für die Bildauswertung und Nachbearbeitung. Dieser Massenscan befindet sich in Einheiten der atomaren Masse über elektrische Ladung und stellt Zahlen dar, die über fünf Sekunden gemessen werden.

Es gibt drei Gruppen von extrahierten Ionenarten in singly, doppelt und triply geladenen Staaten. Beachten Sie die relative Anzahl des triply ionisierten Thoriums im Vergleich zu triply ionisiertem Uran. Diese Mikrokanalplattendetektorsignale für triply geladene Zustände von Thorium und Uran reflektieren Experimente mit drei separaten Uranquellen.

Zwei Uran-233-Quellen unterschiedlicher Stärken erzeugten klare Signale für Thorium und nicht für Uran. Tests mit einer Uran-234-Quelle ergaben keine Signale, die Beweise dafür lieferten, dass die mit der Uran-233-Quelle erzeugten Signale von nuklearen Deergungs- und nicht atomaren Shell-Prozessen stammen. Die Mikrokanalplattendetektorbilder für doppelt geladenes Thorium und Uran stimmen mit dieser Interpretation überein.

Für diese Daten variiert die attraktive Platte des Mikrokanaldetektors von spannungsgünstigen Elektronen von ionischem Aufprall bis zu null Volt. Es gibt eine beträchtliche Zählrate für doppelt geladenes Thorium bis zur Schwelle von Null Volt, im Gegensatz zur Zählrate für doppelt geladenes Uran. Dies liefert einen weiteren Beweis dafür, dass das Signal vom Zerfall des nuklearen Isomers ausgeht.

Diese Technik ebnete den Weg für die Messung der Lebensdauer und Erregungsenergie des Thory-Myz-Imers sowie für die Messung seiner hyperfinen Struktur. Letztlich kann es zur Entwicklung einer ultrapräzisen optischen Atomuhr führen.