Préparation d'un Isotopically Pure ²²⁹Th Ion Beam for Studies of ^229mTh

Cette méthode décrit la production d’un faisceau ionique thorium-229 isotopiquement pur suivant la désintégration alpha d’Uranium-233. Le principal avantage de cette technique est qu’elle nous permet d’étudier thorium-229 ions dans un état de faible énergie nucléaire excité qui est pertinent pour le développement des clubs nucléaires. Ines Amersdorffer, une étudiante de notre laboratoire, démontrera la procédure.

Une source Uranium-233 est montée dans cet ensemble pour créer un faisceau ioniquement pur de Thorium-229. La chambre à vide a été évacuée et cuite pour se préparer à l’expérience. L’ensemble est derrière l’électronique utilisée pour surveiller et contrôler le système.

Les chercheurs interagissent avec l’électronique principalement à travers des ordinateurs qui recueillent et affichent également les données. Ce schéma découpé représente des éléments de l’appareil. Considérez les étapes de la génération des isomères Thorium-229 et de la cellule tampon d’arrêt du gaz à leur détection à l’aide d’une caméra CCD.

Un Becquerel de 290 kilos, grande surface Uranium-233 source produit la désintégration alpha Thorium-229 noyaux, y compris 2%des isomères premier état excité. Les noyaux rapides de thorium échappent à la source et sont thermiques dans une cellule d’arrêt tamponné-gaz tamponné de l’atmosphère d’hélium ultra-pure. Ensuite, ils rencontrent un système d’entonnoir électrique.

Sa fréquence radio et ses champs électriques à courant direct les guident vers une buse d’extraction. Le jet de gaz supersonique de la buse emmène les noyaux dans une chambre à vide avec une structure quadrupole à radiofréquence. La structure agit comme un guide iion, refroidisseur d’espace face et potentiellement un piège à poteaux.

La chambre sous vide suivante a un séparateur de masse quadrupole pour isoler isotopiquement pur Thorium-229 dans des états de charge sélectionnables. Un système d’électrode tridique avec des électrodes à trois œs concentre les ions sur le détecteur. L’interaction avec un détecteur de plaque de micro canal, provoque la décomposition des ions méta stables et libère des électrons qui sont multipliés et détectés sur un écran de phosphore avec la caméra CCD.

Il s’agit d’un schéma transse sectionnel de la chambre à vide et de l’équipement associé. Commencez l’expérience en commençant le purificateur de gaz catalytique et en attendant 20 minutes pour qu’il atteigne sa température de fonctionnement. Ensuite, assurez-vous que la vanne de dérivation est fermée avant d’ouvrir la bouteille de gaz d’hélium.

Ouvrez la valve réduisseur de pression jusqu’à ce qu’une pression d’environ 0,5 barre soit mesurée. Ensuite, ouvrez la vanne du ré reduceeur de pression au tube à gaz. Ouvrez le contrôle du débit de gaz en fixant une pression cellulaire de 32 millibar.

Rincer le tube à gaz pendant environ 10 minutes. Ensuite, fermez la vanne reliant le ré reduceur de pression au tube à gaz et attendez quelques minutes pendant que l’hélium est enlevé. Pour une pureté plus élevée, le gaz tampon remplit le cryotrap d’azote liquide.

Réglez la vanne de barrière entre la cellule de gaz tampon et sa pompe moléculaire turbo pour le fonctionnement à distance, puis fermez la valve de porte à distance. Ouvrez la vanne reliant le ré reduceur de pression au tube à gaz. À ce stade, la cellule tampon-gaz d’arrêt est remplie d’environ 30 millibar de gaz hélium.

La pression de la chambre quadrupole à radiofréquence est d’environ 10 à moins quatre millibar. La pression de la chambre de séparateur de masse quadrupole est d’environ 10 à moins cinq millibar. Ajustez la vitesse rotative de la pompe moléculaire turbo fixée à la chambre à vide RFQ pour régler une pression ambiante de 10 à moins deux millibar.

Ce schéma mis à jour comprend des représentations de l’équipement nécessaire à l’application des champs électriques de guidage. Utilisez un approvisionnement en tension DC pour appliquer un potentiel dc à la source d’uranium. Ensuite, préparez le système segmenté d’électrode en entonnoir.

Avec l’alimentation électrique de DC et un approvisionnement de décalage de DC de 24 canaux, appliquez un gradient potentiel de DC de quatre volts par centimètre et un décalage de trois volts. Appliquer un potentiel dc d’environ deux volts à la buse d’extraction. Suivez ceci en appliquant les potentiels de DC au quadripolque segmenté de fréquence radio d’extraction de 12 volts.

Créez le gradient avec l’approvisionnement offset 24 canaux DC. Les tensions pour chacun des 12 segments du quadrupole peuvent être appliquées individuellement. Appliquer 1,8 volts sur le segment le plus proche de la buse d’extraction.

Étape sage, diminuer les tensions dans les segments suivants de 0,2 volts pour atteindre un gradient DC de 0,1 volts par centimètre. Maintenant, employez un générateur de fonction et un amplificateur linéaire de RF pour appliquer une fréquence d’environ 850 kilohertz, amplitude de pointe-à-crête de 220 volts au système d’électrode d’anneau d’entonnoir. Avec un autre générateur de fréquences et deux amplificateurs RF, appliquez un quadrupole à radiofréquence de 880 kilohertz, de 120 à 250 volts d’amplitude de pointe à pointe sur le quadripolque de radiofréquence d’extraction et l’électrode de groupement individuelle.

Lors de l’application de la tension RF sur les électrodes de l’anneau d’entonnoir, si le gaz tampon d’hélium n’est pas suffisamment pur, des étincelles se produiront dans la cellule tampon-gaz d’arrêt. Dans ce cas, interrompt la procédure et effectuer cuire pendant une journée pour obtenir à nouveau l’efficacité complète de l’extraction. Utilisez un approvisionnement en tension DC pour appliquer un potentiel de moins un volt à l’électrode d’extraction du quadrupole à radiofréquence d’extraction.

Réglez la tension offset du séparateur de masse quadrupole à moins deux volts avec des modules offset DC. Tournez-vous vers le générateur de fonction et l’amplificateur RF associés au séparateur de masse quadrupole pour le démarrer. Après avoir sélectionné le rapport masse/charge et l’acceptation du séparateur de masse quadrupole, utilisez une alimentation à quatre canaux pour appliquer des potentiels à la structure de l’électrode triodique de focalisation.

Après la mise en place des champs directeurs travailler avec l’équipement nécessaire pour régler le séparateur de masse quadrupole. Commencez par appliquer des tensions sur le détecteur de plaques microcanal à double plaque, qui a une plaque avant, une plaque arrière et un écran de phosphore. Utilisez un module à haute tension pour appliquer un potentiel attrayant de 1000 volts négatifs à la plaque avant du détecteur de plaques micro-canaux à double plaque.

Avec un deuxième module haute tension, appliquer positif 900 volts à l’arrière de la deuxième plaque du détecteur. Utilisez un troisième module haute tension pour appliquer des 3000 volts positifs sur l’écran de phosphore derrière le détecteur de plaques de micro canal. Allumez la caméra CCD et le boîtier étanche à la lumière derrière l’écran de phosphore et configurez ses paramètres d’exposition.

Observez la sortie de la caméra et écorché le rapport de surcharge de masse du séparateur de masse quadrupole à partir de la valeur prévue pour Thorium-229 deux plus jusqu’à ce qu’il y ait un signal. Environ 10 000 thorium deux plus ions sont extraits par seconde, ce qui correspond à environ 3,5% d’efficacité totale. Après avoir trouvé le balayage de signal de Thorium pour le tube d’Uranium-233 plus le signal en augmentant encore la masse au-dessus du rapport de charge.

Une fois que le signal du Thorium disparaît, le signal d’uranium doit devenir évident. Réglez le séparateur de masse quadrupole pour extraire seulement le Thorium-229 deux espèces d’ion plus. Avec le séparateur de masse réglé, continuer à détecter la décomposition isomérique.

Éteignez le capteur de pression du séparateur de masse quadrupole pour réduire le fond de l’hélium ionisé et de la lumière. Ajustez les paramètres du séparateur pour extraire l’ion thorium choisi. Ensuite, réduisez le potentiel de surface de la plaque avant du détecteur de plaques de micro canal à moins 30 volts.

Appliquez un potentiel d’accélération sur la deuxième plaque du détecteur de plaques de micro canal, généralement de 1 900 volts. Appliquez un potentiel d’accélération sur l’écran de phosphore derrière le détecteur, généralement 4000 volts. Démarrez la séquence d’acquisition des images CCD.

Le taux de comptage s’élève à environ trois dénombrements par seconde. Stockez les données pour l’évaluation d’images et le post-traitement. Ce balayage de masse se fait en unités de masse atomique au-dessus de la charge électrique et représente des nombres mesurés sur cinq secondes.

Il existe trois groupes d’espèces d’ion extraites dans des états chargés ment, doublement et triply. Notez le nombre relatif de thorium ionisé triply par rapport à l’uranium ionisé triply. Ces signaux de détecteur de plaques de microcanal pour les états chargés de thorium et d’uranium reflètent des expériences avec trois sources d’uranium distinctes.

Deux sources d’uranium-233 de forces différentes ont produit des signaux clairs pour le thorium et non pour l’uranium. Les essais effectués à l’aide d’une source d’uranium-234 n’ont produit aucun signal indiquant que les signaux générés par la source Uranium-233 proviennent de procédés de désécitation nucléaire et non de procédés de coquille atomique. Les images du détecteur de plaques de micro canal pour le thorium et l’uranium doublement chargés sont compatibles avec cette interprétation.

Pour ces données, la plaque attrayante du détecteur de microcanal varie d’un électrons favorisant la tension de l’impact ionique, jusqu’à zéro volts. Il y a un taux de dénombrement considérable pour le thorium doublement chargé jusqu’au seuil de zéro volts, contrairement au taux de compture de l’uranium doublement chargé. Cela fournit d’autres preuves que le signal est de la décomposition de l’isomer nucléaire.

Cette technique a ouvert la voie à la mesure de la durée de vie et de l’énergie d’excitation de la thory-myz-imer ainsi qu’à une mesure de sa structure hyperfine. En fin de compte, il peut conduire au développement d’une horloge nucléaire optique ultra-précise.