Preparazione di un fascio iotematicamente puro ²²⁹Th Ion per gli studi di ^229mTh

Questo metodo descrive la produzione di un fascio ionico di torio-229 isotopicamente puro in seguito al decadimento alfa dell'uranio-233. Il vantaggio principale di questa tecnica è che ci permette di studiare ioni torio-229 in uno stato a bassa energia eccitato dal nucleare che è rilevante per lo sviluppo del club nucleare. A dimostrare la procedura sarà Ines Amersdorffer, uno studente del nostro laboratorio.

Una sorgente di Uranio-233 è montata in questo set per la creazione di un fascio ionico torio-229 isotopicamente puro. La camera a vuoto è stata evacuata e cotta per prepararsi all'esperimento. L'impianto è dietro l'elettronica utilizzata per monitorare e controllare il sistema.

I ricercatori interagiscono con l'elettronica principalmente attraverso computer che raccolgono e visualizzano anche i dati. Questo schema cutaway raffigura elementi dell'apparato. Considera i passaggi dalla generazione degli isomeri del Torio-229 e della cella di arresto del gas tampone per rilevarli con una telecamera CCD.

Una sorgente di Becquerel da 290 chili, grande area uranio-233, produce i nuclei di decadimento alfa Del Torio-229, incluso il 2% degli isomeri a primo stato eccitato. I nuclei di torio veloce sfuggono alla sorgente e vengono termicaizzati in una cella di arresto del gas tamponato ad atmosfera di elio ultra pura. Successivamente incontrano un sistema di imbuto elettrico.

La sua radiofrequenza e i campi elettrici a corrente diretta li guidano verso un ugello di estrazione. Il getto di gas supersonico dall'ugello porta i nuclei in una camera a vuoto con una struttura quadrupolo a radiofrequenza. La struttura funge da guida ionica, dispositivo di raffreddamento dello spazio del viso e potenzialmente una trappola per palo.

La camera a vuoto successiva ha un separatore di massa quadrupolo per isolare il Torio-229 isotopicamente puro in stati di carica selezionabili. Un sistema di elettrodi tridici con elettrodi a tre anelli focalizza gli ioni sul rivelatore. L'interazione con un rilevatore di piastre a microcanale, fa decadere gli ioni meta stabili e rilascia elettroni che vengono moltiplicati e rilevati su uno schermo al fosforo con la fotocamera CCD.

Questo è uno schema sezionale trasversale della camera a vuoto e delle apparecchiature associate. Inizia l'esperimento avviando il purificatore di gas catalitico e aspettando 20 minuti perché raggiunga la sua temperatura operativa. Assicurarsi quindi che la valvola di bypass sia chiusa prima di aprire la bombola di gas elio.

Aprire la valvola di riduzione della pressione fino a quando non viene misurata una pressione di circa 0,5 bar. Quindi, aprire la valvola dal riduttore di pressione al tubo del gas. Aprire il controllo del flusso di gas impostando una pressione cellulare di 32 millibar.

Sciacquare i tubi del gas per circa 10 minuti. Quindi chiudere la valvola che collega il riduttore di pressione ai tubi del gas e attendere alcuni minuti quando l'elio viene rimosso. Per una maggiore purezza-tampone gas riempire il criotrapo con azoto liquido.

Impostare la valvola a saracine zione tra la cella a gas tampone e la pompa turbo molecolare sul funzionamento remoto, quindi chiudere la valvola a saracinello da remoto. Aprire la valvola che collega il riduttore di pressione al tubo del gas. A questo punto la cella di arresto del gas tampone viene riempita con circa 30 millibar di gas elio.

La pressione della camera quadrupolo a radiofrequenza è di circa 10 a meno quattro millibar. La pressione della camera separatore di massa quadrupolo è di circa 10 a meno cinque millibar. Regolare la velocità rotativa della pompa turbo molecolare collegata alla camera a vuoto RFQ per impostare una pressione ambientale di 10 a meno due millibar.

Questo schema aggiornato include rappresentazioni dell'attrezzatura necessaria per l'applicazione dei campi elettrici guida. Utilizzare un alimentatore di tensione CC per applicare un potenziale CC alla fonte di uranio. Quindi, preparare il sistema di elettrodi a imbuto segmentato.

Con l'alimentatore CC e un alimentatore di offset CC a 24 canali, applicare un gradiente di potenziale CC di quattro volt per centimetro e un offset di tre volt. Applicare un potenziale CC di circa due volt all'ugello di estrazione. Segui questo applicando i potenziali CC al quadrupolo a radiofrequenza di estrazione segmentato da 12 volt.

Create la sfumatura con l'alimentazione di offset CC a 24 canali. Le tensioni per ciascuno dei 12 segmenti del quadrupolo possono essere applicate individualmente. Applicare 1,8 volt sul segmento più vicino all'ugello di estrazione.

Passo dopo passo, diminuire le tensioni nei segmenti successivi di 0,2 volt per ottenere un gradiente CC di 0,1 volt per centimetro. Ora, impiega un generatore di funzioni e un amplificatore RF lineare per applicare una frequenza di circa 850 kilohertz, ampiezza da picco a picco da 220 volt al sistema di elettrodi ad anello a imbuto. Con un altro generatore di frequenza e due amplificatori RF, applicare un quadrupolo a radiofrequenza da 880 kilohertz, da 120 a 250 volt di ampiezza da picco a picco al quadrupolo a radiofrequenza di estrazione e al singolo elettrodo di grappolo.

Quando si applica la tensione RF agli elettrodi ad anello dell'imbuto, se il gas tampone elio non è sufficientemente puro, si verificheranno scintille nella cella di arresto del gas tampone. In questo caso, interrompe la procedura ed esegue bake-out per un giorno per ottenere la piena efficienza di estrazione. Utilizzare un alimentatore di tensione CC per applicare un potenziale di meno un volt all'elettrodo di estrazione del quadrupolo a radiofrequenza di estrazione.

Impostare la tensione di offset del separatore di massa quadrupolo su meno due volt con moduli di offset CC. Rivolgersi al generatore di funzioni e all'amplificatore RF associato al separatore di massa quadrupolo per avviarlo. Dopo aver selezionato il rapporto massa-carica e l'accettazione del separatore di massa quadrupolo utilizzare un alimentatore a quattro canali per applicare potenziali alla struttura dell'elettrodo tridico di messa a fuoco.

Dopo aver istituito i campi guida, lavorare con l'attrezzatura necessaria per ottimizzare il separatore di massa quadrupolo. Inizia applicando tensioni al rilevatore di microcanali a doppia piastra, che ha una piastra frontale, una piastra posteriore e uno schermo al fosforo. Utilizzare un modulo ad alta tensione per applicare un potenziale interessante di -1.000 volt alla piastra anteriore del rilevatore di microcanali a doppia piastra.

Con un secondo modulo ad alta tensione, applicare 900 volt positivi sul retro della seconda piastra del rilevatore. Utilizzare un terzo modulo ad alta tensione per applicare 3.000 volt positivi allo schermo del fosforo dietro il rilevatore di piastre a microcanale. Accendere la telecamera CCD e l'alloggiamento a tenuta di luce dietro lo schermo del fosforo e configurarne i parametri di esposizione.

Osservare l'uscita della fotocamera e lo skin il rapporto di sovrapprezzo di massa del separatore di massa quadrupolo da sotto il valore previsto per Thorium-229 due più fino a quando non c'è un segnale. Circa 10.000 ioni torio due più vengono estratti al secondo corrispondenti a circa il 3,5% di efficienza totale. Dopo aver trovato la scansione del segnale al torio per il tubo Uranium-233 più segnale aumentando nuovamente il rapporto massa over charge.

Una volta che il segnale del Torio scompare, il segnale di uranio dovrebbe diventare evidente. Impostare il separatore di massa quadrupolo per estrarre solo le specie di ioni torio-229 due più. Con il separatore di massa sintonizzato, continuare a rilevare il decadimento isorico.

Spegnere il sensore di pressione separatore di massa quadrupolo per ridurre lo sfondo da elio e luce ionizzati. Regolare i parametri separatori per estrarre lo ione torio scelto. Quindi, ridurre il potenziale superficiale della piastra anteriore del rilevatore di piastre a microcanale a meno 30 volt.

Applicare un potenziale di accelerazione alla seconda piastra del rilevatore di piastre a microcanale, in genere 1.900 volt. Applicare un potenziale di accelerazione allo schermo del fosforo dietro il rivelatore, in genere 4.000 volt. Avviare la sequenza di acquisizione delle immagini CCD.

Il tasso di conteggio ammonta a circa tre conteggi al secondo. Archiviare i dati per la valutazione e la post-elaborazione delle immagini. Questa scansione di massa è in unità di massa atomica rispetto alla carica elettrica e rappresenta i conteggi misurati su cinque secondi.

Ci sono tre gruppi di specie di ioni estratti in stati singolarmente, doppiamente e tripli carichi. Si noti il numero relativo di torio ionizzato triplizzato rispetto all'uranio ionizzato triplizzato. Questi segnali di rivelatore di lastre a microcanale per stati caricati in tripio di torio e uranio riflettono esperimenti con tre fonti di uranio separate.

Due fonti di uranio-233 di diversa forza hanno prodotto segnali chiari per il torio e non per l'uranio. I test che utilizzano una sorgente di uranio-234 non hanno prodotto segnali che forniscano prove che i segnali generati con la sorgente di Uranio-233 provengono da de-eccitazione nucleare e non da processi di guscio atomico. Le immagini del rilevatore di lastre a microcanale per torio e uranio doppiamente carichi sono coerenti con questa interpretazione.

Per questi dati, la piastra attraente del rilevatore di microcanali varia da un elettrone che favorisce la tensione dall'impatto ionico, fino a zero volt. C'è un notevole tasso di conteggio per il torio doppiamente carico fino alla soglia di zero volt, a differenza del tasso di conteggio per l'uranio doppiamente carico. Questo fornisce ulteriori prove che il segnale proviene dal decadimento dell'isomero nucleare.

Questa tecnica ha spianato la strada alla misurazione della durata e all'energia di eccitazione del thory-myz-imer, nonché per una misurazione della sua struttura iperfine. In ultima analisi, può portare allo sviluppo di un orologio nucleare ottico ultra preciso.