В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Мы представляем протокол для генерации изотопно очищенного низкоэнергетического 229Th ионного луча из источника 233U. Этот ионный луч используется для прямого обнаружения распада грунтового состояния 229мTh через канал распада внутреннего преобразования. Мы также измеряем внутренний срок конверсии 229mTh, а также.

Аннотация

Описана методология для создания изотопно чистого 229-гоионного луча в состояниях 2 и 3 заряда. Этот ионный луч позволяет исследовать низменный изомерический первый возбужденный состояние 229Th при энергии возбуждения около 7,8(5) eV и радиационном сроке службы до 104 секунд. Представленный метод позволил провести первое прямое выявление распада изомера тория, заложив основы для изучения его свойств распада в качестве предпосылки для оптического контроля этого ядерного перехода. Высокая энергия 229Th ионов производятся в распаде радиоактивного 233U источника. Ионы термически термически в буферно-газовой остановочной ячейке, извлекаются и впоследствии образуется ионный луч. Этот ионный луч является массой, очищенной сепаратором четырехкратной массы для создания чистого ионного луча. Для того, чтобы обнаружить изомерик, ионы собираются на поверхности микро-канал пластины детектор, где электроны, как испускаемые во внутреннем распаде преобразования изомерики государства, наблюдаются.

Введение

Первое возбужденное метастабильное состояние в ядре тория-229, обозначаемое как 229mTh, демонстрирует особое положение в ядерном ландшафте, так как обладает самой низкой ядерной энергией возбуждения всех известных в настоящее время около 176 000 ядерных возбужденных состояний. В то время как типичные ядерные энергии варьируются от кеВ до региона МэВ, 229mTh обладает энергией ниже 10 эВ над ядерным наземным государством1,2,3. В настоящее время наиболее принятое энергетическое значениедля этого состояния составляет 7,8 (5) eV 4,5. Такая низкая энергетическая ценность вызвала интерес со стороны различных физических сообществ и привела к предложению нескольких интересных приложений. Среди них ядерный лазер6, высокостабильный кубит для квантовых вычислений7 и ядерные часы 8,9.

Причина, по которой 229mTh, как ожидается, будет предлагать широкий спектр применений, основана на том, что из-за своей необычайнонизкой энергии, это единственное ядерное государство, которое могло бы позволить прямое ядерное лазерное возбуждение с использованием имеющихся в настоящее время лазеров Технологии. До сих пор, однако, прямое ядерное лазерное возбуждение 229mTh было предотвращено недостаточным знанием параметров метастабильного состояния, таких как его точная энергия и срок службы. Хотя существование ядерного возбужденного состояния низкой энергии в 229Th уже было предусмотрело в 197610,все знания об этом состоянии можно было только сделать вывод из косвенных измерений, не позволяя точно определить его распад Параметры. Эта ситуация изменилась с 2016 года, когда первое прямое обнаружение 229mTh распада открыл дверь для множества измерений с целью закрепить взволнованный состояние параметров11,12. Здесь предусмотрен подробный протокол, в котором описаны индивидуальные шаги, необходимые для прямого обнаружения 229mTh, достигнутые в эксперименте 2016 года. Это прямое обнаружение обеспечивает основу для точного определения энергии и продолжительности жизни 229мThи, следовательно, для разработки ядерных часов. В следующем концепции ядерных часов, как наиболее важным приложением для 229mTh будет обсуждаться.

При относительной линейной ширине в размере 10-00-20 наземного состояния изомертории тория потенциально квалифицируется как ядерный стандарт частоты («ядерные часы»)8,9. Из-за атомного ядра примерно на 5 порядков меньше по сравнению с атомной оболочкой, ядерные моменты (магнитный диполь и электрический квадруполь) соответственно меньше, чем в атомах, что делает ядерные часы в значительной степени невосприимчивыми к внешним возмущений (по сравнению с нынешними самыми современными атомными часами). Таким образом, ядерный стандарт частоты обещает высокую стабильную и точную работу часов. Хотя точность, достигнутая в лучших присутствующих атомных часов достигает около 2.1x10-1813, что соответствует отклонению 1 секунды в период времени значительно дольше, чем возраст Вселенной, ядерные часы провести потенциал дальнейшего улучшение, которое может стать необходимым для обширной области применения. Спутниковые навигационные системы, такие как Глобальная система позиционирования (GPS), Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) или Galileo, в настоящее время работают с точностью позиционирования в несколько метров. Если бы это можно было улучшить до сантиметровой или даже миллиметровой шкалы, можно было бы предусмотреть множество применений, начиная с автономного вождения и слежения за грузоперевозками или компонентами. Помимо высокоточных часов, такие системы потребуют надежной бесперебойной работы, с долгосрочной стабильностью дрейфа, которая обеспечивает длительные интервалы ресинхронизации. Использование ядерных часов может оказаться полезным с этой практической точки зрения. Дальнейшее практическое применение (синхронизированных сетей) ядерных часов может лежать в области релятивистской геодезии14, где часы действуют как 3D датчик тяжести, связанные с местными гравитационными потенциальными различиями ЗУ с измеренными (относительными) разница в частоте часов в случае смягчающими значениями в отношении «f/f»-u/c2 (c, обозначающий скорость света). Лучшие современные часы способны зондирования гравитационных сдвигов от разницы в высоте около 2 см. Таким образом, сверхточные измерения с использованием ядерной тактовой сети могут быть использованы для мониторинга динамики вулканических магмальных камер или движений тектонических плит15. Кроме того, использование таких часовых сетей было предложено в качестве инструмента для поиска теоретически описанного класса топологической темной материи16. Обширную дискуссию можно найти в литературе о применении 229mTh основе ядерных часов в поисках обнаружения потенциальных временных вариаций фундаментальных констант, как тонкая структура постоянной или сильного взаимодействия параметр (мq/q q ,с м q, представляющих массу кварка иq CD параметр масштаба сильного взаимодействия), предложенные в некоторых теориях объединения тяжести с другими взаимодействиями17. Обнаружение временного изменения в энергии перехода грунтового состояния 229mTh может обеспечить повышенную чувствительность примерно на 2-5 порядков величины для временных вариаций тонкой структуры постоянной или сильного параметра взаимодействия 18,19,20,21,22,23,24,25,26. Текущий экспериментальный предел для такого изменения составляет (d'/dt)/---0.7 (2.1)10-17/yr27. В следующем экспериментальный подход к прямому обнаружению 229mTh земли-состояние распада будут описаны.

Доказательства существования 229-торий изомер до недавнего времени можно было сделать только из косвенных измерений, предполагая, что энергия возбуждения 7,8(5) eV (эквивалент длины волны в вакууме ультрафиолетовый спектральный диапазон 160 (11) нм4 , 5. Наш экспериментальный подход, направленный на прямую идентификацию изомерического наземного состояния деэкскции 229mTh изомер, опирается на пространственное разделение популяции изомеров в буферно-газовой остановивой ячейке, за которой следует добыча, и массовое выделение транспорта к подходящему блоку обнаружения для регистрации продуктов дексцитации28,29. Таким образом, популяция и дексцитация изомера могут быть распутаны, что приводит к чистой среде измерения, не зависящее от быстрого фонового вклада. Население изомердостигается через распад от радиоактивного источника 233U, где 2% ветвь распада протекает не непосредственно к земле состояние 229Th, но заселяет изомерическое первое возбужденное состояние вместо. Ядра отдачи от упадок термически термически в ультра-чистой атмосфере гелия буферно-газовой остановочной ячейки, прежде чем направляться электрическими радиочастотными (РЧ) и полями прямого тока (DC) к сопло добычи, где перетаскивается новая сверхзвуковая газовая струя их в смежную вакуумную камеру, в которой размещается (сегментированная) радиочастотная четырехчастотная структура (РЧЗ), действующая в качестве ионного направляющего руководства, фазового пространства кулер и, возможно, также в качестве линейной ловушки Пола для сгустка извлеченных ионов. Для подробного описания буферно-газовой остановочной ячейки и добычи РЧЗ см. 30 год , 31 год , 32. С тех пор до этого момента извлеченный луч иона содержит in addition к 229(m)Th также цепь продуктов дочи распада, массовое разделение выполнено используя сепаратор массы четырехполового (ЗМС) в последующей камере вакуума к окончательно генерировать изотопно чистый 229(м)Th луч в выбираемых состояниях заряда (q q 1-3). Подробное описание ЗМС можно найти в Refs. 33 , 34. Обнаружение изомерического распада было достигнуто путем посягать на ионы Th непосредственно на поверхности детектора микроканаловой пластины (MCP), где электроны освобождаются, ускоряются к экрану фосфора и просматриваются устройством, состоящим из заряда (CCD) Камеры. Обзор экспериментальной установки показан на рисунке 1. Подробное описание приведено в Ref.35.

figure-introduction-9433
Рисунок 1: Обзор экспериментальной установки. Изомер тория-229 заселен через 2% ветку распада в распаде урана-233. 229м Ионы Th, оставляя 233U источника из-за их кинетической энергии отдачи, термически в буферно-газовой остановивой ячейке, наполненной 30-мбарным гелиевым газом. Ионы извлекаются из остановочного тома с помощью полей RF и DC, а низкоэнергетический ионный луч образуется с помощью радиочастотного квадруполя (РЦРЦ). Ионный луч массово очищается с помощью четырехполюсно-массового сепаратора (ЗМС), а ионы мягко имплантируются в поверхность детектора микроканал-пластины (MCP) в сочетании с фосфорным экраном, который позволяет пространственно разрешать любое происходящих сигналов. С любезного разрешения Springer Research эта цифра была изменена с11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Следующий протокол описывает основную процедуру для создания 229(м)Th ионный луч, который позволил первое прямое обнаружение земле-состояния распада изомер тория, таким образом заложив основу для изучения его распада свойства как предпосылкой в конечном счете предусмотренного всеоптического контроля этого экзотического ядерного государства в направлении его применения в качестве сверхточного ядерного стандарта частоты. Для лучшей ориентации на рисунке 2,содержащем численную маркировку компонентов, рассмотренных в следующем протоколе, приводится схематический обзор установки, используемой для прямого обнаружения изомерического распада11. Также компоненты используемые для определения продолжительности жизни12 содержатся как внизание.

figure-introduction-11420
Рисунок 2: Схематический эскиз экспериментальной установки, используемой для обнаружения изомерического распада. Компоненты, используемые для измерения продолжительности жизни, отображаются в виде вниза. Отдельные компоненты, на которые будут ссылаться в разделе протокола, помечены численно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

протокол

Примечание: Числа, приведенные в Протоколе, будут ссылаться на Рисунок 2.

1. Прямое обнаружение Th-229 Изомерический Распад

  1. Монтаж 233-уранового источника
    1. Установите 233-урановый источник (1) через отверстие фланга доступа в вакуумной камере газовых ячеек до восходящего конца электродной системы воронки (2) внутри газовой ячейки (3).
      ПРИМЕЧАНИЕ: 290 кБк, 90 мм диаметром 233U источник был произведен с помощью молекулярного покрытия на титана распыленных Si пластины36. Для достижения оптимальной отдачи-эффективности источника его толщина не должна превышать 16 нм, являясь остановочной диапазон 84 кеВ 229Th в уране.
    2. Подключите кабель к исходному креплению, чтобы обеспечить смещение источника постоянного тока. Закройте и закройте фланг доступа и подключите внешнюю проводку к источнику 233U.
  2. Эвакуация вакуумной камеры и выпекать
    1. Начать эвакуацию полной вакуумной системы, заключив грубый вакуумный насос (4), если выключите (контролируется с помощью компьютерного пользовательского интерфейса (5)) и откройте три (ручные) клапаны (6), которые соединяют отдельные части дифференциальной накачки этапов к грубому насосу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Начните открывать клапаны из камер вниз по течению газовой ячейки с открытым клапаном ворот (7) к турбо молекулярного насоса газовой ячейки для создания градиента давления, который предотвращает потенциальное загрязнение от камер вниз по течению, которые будут всасываться в газоэлементная камера, где требуется высокая чистота.
    2. После того, как давление достигло уровня в диапазоне суб-мбар (читай вне через пользовательский интерфейс (5)) начать турбо насосы газовой ячейки (8), извлечения радиочастотного четырехчастотного четырехчастотного (РЦ) (9) и четверного массового сепаратора (ЗМС) (10).
    3. (необязательно) Откройте объездной клапан (11), чтобы также обеспечить эффективную эвакуацию газоснабжения труб.
    4. Продолжайте прокачивать в течение нескольких (4-5) часов до достижения давления насыщения, как правило, в диапазоне низких 10-7 мбар.
    5. Запустите систему выпечки (12) через пользовательский интерфейс (5) с подъема (обычно 20 градусов по Цельсию - 40 градусов по Цельсию в час) нагревкриной до максимума 130 градусов по Цельсию.
    6. Продолжайте выпекать вакуумную систему при 130 градусах По Цельсию в течение 1-2 дней, пока показания давления не начнут уменьшаться.
    7. Начните последовательность охлаждения системы выпечки через пользовательский интерфейс (5) с последовательность downramping, как правило, 20 градусов по Цельсию - 40 градусов по Цельсию в час.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Охлаждение системы обычно требует 8 часов и выполняется на ночь. Успешная подготовка вакуумной системы достигается, когда окончательное давление клеток после охлаждения колеблется ниже 5x10-10 мбар. Давление в камере RF и ЗМС будет находиться в диапазоне 10-9 мбар и 10-8 мбар, соответственно.
    8. Соедините внешнюю проводку к вакуумной камере RF.
  3. Подготовка газовой системы и поставка сверхчистого Он
    1. Запустите газоочиститель MonoTorr (13) и подождите 20 минут, пока он не достигнет своей рабочей температуры.
    2. Закройте шунтирование (11), если открыто.
    3. Открыть he-газовый баллон (14) (Он 99.9999 % чистоты используется для эксплуатации).
    4. Откройте клапан для снижения давления (15) до показа давления около 0,5 бар.
    5. Откройте клапан, который соединяет редуктор давления с газовыми трубками (16).
    6. Откройте контроль газового потока (17) до тех пор, пока не будет показан поток газа, соотвествуаемый примерно в 5 мбар л/с.
    7. Промыть газовые трубки в течение 10 минут, чтобы удалить остаточные газы из труб.
    8. Закройте клапан, который соединяет редуктор давления с газовыми трубками (16).
    9. Подождите несколько минут, пока Он не будет удален из газовых труб.
    10. (необязательно) Для получения максимальной чистоты буферного газа заполните крио-ловушку (18) жидким азотом.
    11. Установите клапан ворот (7) между буферной газовой ячейкой и ее турбомолекулярным насосом для автоматической работы и закройте клапан через пользовательский интерфейс (5).
    12. Откройте клапан, который соединяет редуктор давления с газовыми трубками (16).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Буфер-газ остановки ячейки в настоящее время заполнены около 30 мбар газа Х. Таким образом, давление рМС и ММС повышается до 10-4 мбар и 10-5 мбар соответственно.
    13. Отрегулируйте роторную скорость турбо-молекулярного насоса вакуумной камеры экстракции -RF' (9) до 50%, чтобы установить атмосферное давление около 10-2 мбар.
  4. Применение электрических направляющих полей для непрерывной добычи ионов
    1. Примените потенциал ПОСТОЯННОГО тока к 233-урану q источник (1) 39 V в непрерывном режиме с помощью индивидуального dc вольт питания (19).
    2. Применить потенциальный градиент ПОСТОЯННОГО тока 4 V/cm (от 35 V до 3 V) через блок питания DC (20) и смещение напряжения 3 V через 24 канал DC смещения питания (21) в 50-раз сегментированной воронки кольцевой электросистемы. Все напряжения управляются с помощью компьютерного пользовательского интерфейса (5).
    3. Примените потенциал ПОСТОЯННОГО тока, обычно 2 V, к электроду сопла извлечения (22) с помощью того же компьютерного пользовательского интерфейса (5).
    4. Применить потенциальный градиент ПОСТОЯННОГО тока к 12-кратному сегментированному извлечения-RF (27).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Напряжение каждого сегмента может быть применено индивидуально с помощью компьютерного пользовательского интерфейса (5) через 24 канал DC смещения питания (21). Напряжение 1,8 В наносится на сегмент, расположенный ближе всего к сопло извлечения. Напряжение последующих сегментов затем поэтапно уменьшается на 0,2 В, в результате чего напряжение 0 V применяется к 10-му сегменту RF. Это соответствует градиенту ПОСТОЯННОГО тока 0,1 В/см. При предполагаемой непрерывной транспортировке извлеченных ионов напряжение 0 В применяется к 11-му и 12-му сегментам РЧЗ. Для этого подача напряжения DC12-го сегмента РЦ (23) остается на 0 V, а настраиваемый триггерный модуль (24) настроен на непрерывный режим работы.
    5. Нанесите частоту и амплитуду НА электродную систему воронки через генератор функций (25) и линейный усилитель РФ (26).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Типичные значения для частоты и амплитуды 850 кГц и 220 Vpp, соответственно. Напряжением можно управлять с помощью компьютерного пользовательского интерфейса (5). Во время применения напряжения воронки-РФ, контролировать ток воронки DC смещения питания (21). В случае искр, которые могут возникнуть, если чистота буферно-газового газа недостаточна, этот ток начнет увеличиваться.
    6. Примените частоту RF (обычно 880 кГц) и амплитуду (обычно 120-250 Вpp)на извлечения радиочастотного квадруполя (27) (экстракция-РРЗ) через генератор частот (28) и два усилителя РФ (29, 30), один для РЦ и один для отдельных сгустки электрода. Напряжение можно контролировать с помощью компьютерного пользовательского интерфейса (5).
    7. Примените потенциал ПОСТОЯННОГО тока -1 V к выходу электрода (31) извлечения-РЧЗ через меситек MHV-4 DC вольт питания (32).
    8. Применить DC смещенных напряжения к четырехборье массы сепаратора (33) (ЗМС). Смещенное напряжение ЗМС (центральный электрод и объективы Brubaker) выбрано в виде -2 V с помощью индивидуальных модулей смещения DC (34,35).
    9. Запустите сепаратор массы четырехъядерных (33) ЗМС, включив генератор функции ЗМС (36), усилитель РФ (37) и заключив пользовательский интерфейс ЗМС (38). В пользовательский интерфейс «MS» вставляется соотношение массы над зарядом выбранного вида ионов (обычно 76 u/e или 114,5 u/e, для извлечения Th3 или Th2 ,соответственно). Также вводится приемка ЗМС (обычно от 1 до 2 u/e) и частота RF (обычно 825 кГц).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Программа Labview будет автоматически применять и контролировать амплитуду RF и потенциалы постоянного тока, необходимые для выбора ионов. Необходимые амплитуды РФ варьируются от 600 до 1500Впп, а потенциалы DC - от 50 В до 120 В. Потенциалы постоянного тока для массового разделения генерируются настраиваемым модулем DC (39). Для стабилизации напряжения RF и DC реализован цикл обратной связи.
    10. Применить потенциал ПОСТОЯННОГО ТОКа к фокусировочной структуре электрода (40) за МС (-2 V/- 62 V/-22 V) через канал Mesytec 4 (MHV-4) модуль подачи напряжения (32).
  5. Происните экстракции и настройте ЗМС
    1. Применить привлекательный поверхностный потенциал -1000 В на переднюю пластину двухслойного (геометрия шеврона) детектор микроканал-пластины (41) (MCP) с помощью высоковольтного (HV)-модуль (42).
    2. Примените потенциал в размере 900 Евро на заднюю сторону второй пластины MCP с помощью HV-модуля (43).
    3. Примените потенциал в 5000 евро v на фосфорный экран (44), размещенный за детектором MCP с помощью HV-модуля (45).
    4. Включите камеру CCD (46) за экраном фосфора и назначайте параметры экспозиции камеры CCD в соответствующем графическом пользовательском интерфейсе на ПК для сбора данных (47).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Камера CCD помещается в светло-герметичное корпус (48), чтобы покрыть обнаружение от окружающего света. В случае, если экстракция работает должным образом и ионы проходят через ЗМС сильный сигнал должен быть виден на экране фосфора, вызванного ионным воздействием извлеченных ионов. Этот сигнал теперь контролируется камерой CCD.
    5. Выполните массовое сканирование, чтобы исследовать форму сигнала и, соответственно, настроить ЗМС для извлечения желаемого вида ионов.
      Примечание: Это итеративная процедура, проводимая с помощью пользовательского интерфейса ЗМС (38). Выберите желаемое соотношение массы над зарядом (обычно 114,5 u/e для 229Th2 )и мощность разъема (обычно 1 u/e), а затем зондировать ионный сигнал воздействия через камеру CCD. Сдвиг выбранной массы в 0,5 u/e шаги до тех пор, пока сигнал не будет соблюден. Как только сигнал наблюдается, зонд, если также 233U2 "сигнал наблюдается путем перемещения массы над-заряда-коэффициент а на 2 u/e на более высокие массы. Если также этот сигнал наблюдается, зонд, если сигналы могут быть разделены. Если это не так, адаптировать мощность разрешения MS до 229Th2 и 233U2 "сигналов можно четко отличить. Затем установите «MS для извлечения только 229Th2» ионных видов.
  6. Обнаружение изомерического распада
    1. Выключите датчик давления в МС (49) через блок управления датчиком давления (50), чтобы уменьшить фон от ионизированного гелия и света, производимого датчиком.
    2. Отрегулируйте параметры «MS» для извлечения видов ионов Th2 или Th3 для обнаружения изомерического распада.
    3. Уменьшите поверхностный потенциал передней пластины детектора MCP (41) до -25 V через (42), чтобы избежать обнаружения сигнала от электронов, происходящих непосредственно от ионного воздействия посягающих ионов. Таким образом, до изомерического распада достигается «мягкая посадка» 229(м)Ионов Th на поверхность MCP.
    4. Примените ускоряющий потенциал, как правило, 1900 В, ко второй пластине MCP для оптимального усиления электрона через (43).
    5. Примените ускоряющий потенциал, как правило, 6000 Евро на фосфорный экран, расположенный за детектором MCP через (45).
      ПРИМЕЧАНИЕ: На самом деле примененное напряжение будет зависеть от производительности MCP.
    6. Начните последовательность приобретения CCD-изображений и храните данные на диске через пользовательский интерфейс камеры (47).
    7. Используйте программы Matlab для оценки изображений и постобработки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Описание программ и способов их использования можно найти в Ref.35 Приложение B.3. Необработанные данные кадров изображений, а также программ, используемых для оценки, были доступны в Интернете по адресу DOI 10.5281/zenodo.1037981.

2. Измерение 229m Th Half-Life (Переустановка установки)

  1. Выключите и вентиляционные системы.
    1. Отключите высоковольтные напряжения системы обнаружения MCP (42,43,45), ЗМС (37,38), воронки системы (25,26) и извлечения РРЗ (28,29,30).
    2. (Необязательно) Отключите все оставшиеся напряжения ПОСТОЯННОГО тока.
    3. Вручную закройте систему его снабжения (клапаны 14 и 16) и подождите, пока давление буферно-газовой остановочной ячейки не снизится до менее 2 мбар.
    4. Откройте клапан ворот, который соединяет турбонасос с буферно-газовой остановочной ячейкой (7) через пользовательский интерфейс (5) и подождите, пока Он полностью выведет сярют из системы.
    5. Закройте клапан (17) линии газоснабжения и выключите очиститель газа (13).
    6. Установите клапан ворот (7) для ручной работы, чтобы помешать ему закрыться, когда система вентилируется сухим азотом.
    7. Закройте три клапана, которые соединяют турбонасосы с грубым насосом (6) и отключите три турбонасоса (8,9,10).
    8. Включите датчик давления зМС (49).
    9. Подождите, пока скорость вращения турбонасосов будет снижена до значительно ниже 100 Гц, как контролируется на пользовательском интерфейсе (5).
    10. Заполните dewar (51) с жидким азотом и открыть вентиляционный клапан (52) медленно. Подождите несколько минут, пока система полностью вентилируется с сухим азотом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве альтернативы можно использовать сухой азот из газового баллона. Но в этом случае следует позаботиться о том, чтобы не возникало избыточного давления (например, путем вставки клапана избыточного давления или диска разрыва). Использование воздуха также является альтернативой, но приведет к несколько более длительным срокам эвакуации из-за влажности.
    11. Закройте вентиляционный клапан (52).
  2. Замените MCP фосфорным экраном (41,44) небольшим одноанодным детектором MCP (53)
    1. Отключите и снимите камеру CCD (46) вместе со светонепроницаемым корпусом (48).
    2. Отключите детектор MCP с фосфорным экраном (41,44).
    3. Откройте вакуумный фланг, соединяющий экран MCP и фосфора с вакуумной камерой.
    4. Поместите одноанодный MCP (53) с расстоянием в несколько мм за выходом из системы извлечения триодов (40) и соедините три провода, соединяющие переднюю пластину (42), заднюю пластину (43) и анод MCP (54) с электрическими проемами.
    5. Закройте вакуумную камеру, система готова к эвакуации и выпеканию.
    6. Обеспечить внешнюю проводку одного анода MCP для модулей HV и системы считывания.
  3. Эвакуация системы и выпекать
    1. Эвакуируйте вакуумную систему, выдвивая шаги от 1.2.1 до 1.2.3.
    2. Следуйте процедуре выпекания шагов от 1.2.4 до 1.2.8.
  4. Подготовка газотурбинных труб и поставка сверхчистого Он
    1. Следуйте шагам 1.3.1 до 1.3.12.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для работы с групповым режимом мы, как правило, работаем с турбо-насосом RF' на 100% скорости вращения, что приводит к давлению в диапазоне 10-4 мбар.
  5. Примените электрические поля наведения для связок ионов
    1. Примените потенциал ПОСТОЯННОГО тока 69 V к 233-урану q источнику (1) через настраиваемый блок питания напряжения DC (19).
    2. Применить потенциальный градиент ПОСТОЯННОГО тока 4 V/cm (от 65 V до 33 V) через блок питания DC (20) и смещение напряжения 33 V через 24 канал DC смещения питания (21) в 50-раз сегментированной воронки кольцевой электродсистемы. Все напряжения управляются с помощью компьютерного пользовательского интерфейса (5).
    3. Примените потенциал ПОСТОЯННОГО тока 32 V к электроду сопла извлечения (22) с помощью того же компьютерного пользовательского интерфейса (5).
    4. Примените потенциальный градиент ПОСТОЯННОГО тока к 12-кратному сегментированному извлечения-РФЗ.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Напряжение каждого сегмента может быть применено индивидуально с помощью компьютерного пользовательского интерфейса (5) через 24 канал DC смещения питания (21). Напряжение 31,8 В наносится на сегмент, расположенный ближе всего к сопло извлечения. Напряжение последующих сегментов затем поэтапно уменьшается на 0,2 В, в результате чего напряжение 30 V применяется к 10-му сегменту RF. Это соответствует градиенту ПОСТОЯННОГО тока 0,1 В/см. При создании связного луча ионы хранятся и охлаждаются в 11-м электроде. Таким образом, 11-й электрод установлен на 25 V, а последний сегмент RF' поднят до 44 V через подачу напряжения DC (23), чтобы накапливать ионы в локальном потенциальном ведре, прежде чем выпустить ионный пучок, опустив последний сегмент электрода до 0 V в течение микросекунды , вызванный настраиваемым триггерным модулем (24).
    5. Установите модуль триггера (24) в режим сгустка. Спусковой модуль позволяет регулировать скорость триггера и время. Как правило, в качестве триггерной нормы выбирается 10 Гц.
    6. Нанесите оставшиеся напряжения на систему, следуя шагам от 1.4.5 до 1.4.10.
  6. Происните экстракции и настройте ЗМС
    1. Выключите датчик давления в МС (49) через блок управления датчиком давления (50), чтобы уменьшить фон от ионизированного гелия и света, производимого датчиком.
    2. Применить привлекательный поверхностный потенциал -2,000 V на передней пластине одного анода MCP (52) через HV-модуль (42).
    3. Примените потенциал -100 V к задней стороне MCP. Анод MCP установлен на землю.
    4. Включите модуль питания 12 V (55) для предусилителя MCP (56).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Одноместные ионы, посягающие на детектор MCP, теперь подсчитываются с помощью комбинации предусилителя (56), усилителя (57) и постоянного дискриминатора фракции (CFD) (58). Сигнал CFD отправляется на карту для получения данных (ДАЗ) ПК, используемую для управления МСС, и может контролироваться с помощью пользовательского интерфейса (38).
    5. Выполните массовое сканирование, чтобы исследовать форму сигнала и, соответственно, настроить ЗМС для извлечения желаемого вида ионов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это делается с помощью пользовательского интерфейса зМС (38). Для этого устанавливается начальное и окончательное соотношение массы над зарядом (например, от 110 u/e до 120 u/e для масс-диапазона 229Th2"), а также разрешающая мощность(например, 1 u/e) и время интеграции (5 s) за шаг сканирования и массу сканирование начинается с нажатия кнопки сканирования. В случае, если добыча идет должным образом и ионы проходят ЗМС, сильные сигналы тория и урана будут видны, вызванные ионным воздействием извлеченных ионов.
  7. Измерение продолжительности жизни
    1. Отрегулируйте параметры «MS» для извлечения видов ионов Th2 или Th3 для обнаружения изомерического распада.
    2. Уменьшите поверхностный потенциал передней пластины детектора MCP (52) до -25 V через (42), чтобы уменьшить ионный сигнал удара.
    3. Примените ускоряющий потенциал, как правило, 1900 В, ко второй пластине MCP для оптимального усиления электрона через (43).
    4. Примените ускоряющий потенциал, как правило, 2100 Евро к аноду MCP через (53).
    5. Начало сбора данных с помощью микроканального масштабатора (59).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Преусилитель (56) и микроканальный масштабер (59) позволяют время решить считывание детектора MCP. Ионные пучки и микроканальный масштабатор срабатывают спусковым модулем триггера (24). Сигнал масштабатора получен через пользовательский интерфейс Labview (60). Экспоненциальный хвост распада около 10 микросекунд жизни становится видимым после ионных пучков, соответствующих тория изомерического распада.

Результаты

Метод, описанный ранее, позволил извением продуктов распада из 233U источника, помещенного в буферно-газовый остановочной ячейке, работающей при температуре около 30 мбар ультра-чистого гелия при комнатной температуре. Впервые до тройного заряженных ионов можно было извлечь из такого устройства с высокой эффективностью29. На рисунке 3а показан массовый спектр ионов, извлеченных из буферно-газовой ячейки, показывая три группы из 233продуктов U и decay (плюс сопровождающие загрязняющие аддукты) в познавательно, вдвойне и тройно заряженных ионных состояниях. Примечательно, что доминирование 229Th3 "добычи по сравнению с 233U3", в то время как оба вида извлекаются примерно с одинаковой интенсивностью, когда вдвойне взимается. Этот факт был использован для сравнительных измерений с 233Ионами U, что позволило исключить любое ионное воздействие в качестве источника сигнала.

figure-results-1130
Рисунок 3 : Идентификация прямого распада 229-тория изомер. а) Полное массовое сканирование выполнено с 233U источник 129. Единицы даются как атомная масса (u) над электрическим зарядом (e). б) Сравнение сигналов MCP, полученных при накоплении тория и урана в состояниях заряда 2 "и 3" (как указано стрелками, связывающимися с массовым сканированием). 233 г. Вы и 234U источников были использованы (исходный номер дается на правой стороне каждой строки). Каждое изображение соответствует индивидуальному измерению времени интеграции 2000 с (диафрагма диаметром 20 мм, обозначенная разбитым кругом). Измерения проводились при поверхностном напряжении -25 V MCP, чтобы гарантировать мягкую посадку ионов. в) Сигнал 229Th изомерический распад, полученный в течение 229Th3 "экстракции с источником 1. Достигается диаметр зоны сигнала около 2 мм (FWHM). Полученная максимальная интенсивность сигнала составляет 0,08 отсчета/(с мм2)при фоновой скорости около 0,01 отсчета /(с мм2). С любезного разрешения Springer Research 11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

После транспортировки, охлаждения и разделения массы ионный луч посягает на поверхность детектора микроканалов, где низкий привлекательный поверхностный потенциал обеспечивает подавление ионных сигналов воздействия и оставляет только электроны, вытекающие из внутреннего Канал распада преобразования (IC) изеомер 229mTh будет умножен в сильном электрическом поле каналов плиты детектора. Полученные сигналы MCP, полученные для трех различных источников урана, отображаются на рисунке 3b. Ионные виды вдвойне или тройно заряженных ионов, которые были выбраны с помощью сепаратора массы квадруполя в каждом отдельном измерении, указываются стрелками из верхней панели. Показаны фотографии, приобретенные с камерой CCD за фосфорным экраном, на которые были ускорены электроны из MCP. Поле зрения камеры CCD указывается пунктирными кругами для тройных (первые две колонны) и вдвойне заряженных (последние две колонны) 229Th и 233U ионов, соответственно. Верхний ряд представляет собой результат, полученный для небольшой области 233U источника (около 1000 извлеченных 229Th3 "ионов в секунду, источник 1), в то время как нижний ряд показывает то же самое для более сильного источника с около 10000 извлеченных 229Th3 " ионов в секунду (источник 3). Очевидно, что в обоих случаях четкий сигнал получен на 229Th, в то время как никаких признаков электронного сигнала не наблюдается для 233U 11. Для того, чтобы доказать, что этот сигнал действительно исходит от ядерного деиксцитации, а не от процесса атомной оболочки, средний ряд показывает полученное изображение камеры при использовании источника 234U, где распад населяет соседний изотоп 230 Th, с сопоставимой электронной, но другой ядерной структурой. Как и ожидалось, для 230Th, никаких признаков преобразования электронного сигнала не найдено ни в одном из исследованных случаев. Таким образом, сильный сигнал, отображаемый на рисунке 3c с отличным соотношением сигнала к фону, четко коррелирует с распадом 229mTh.

Дополнительные измерения проверки в поддержку такого толкования показаны на рисунке 4. Они показывают два измерения, чтобы дать дополнительные доказательства того, что зарегистрированные сигналы электрона действительно происходят от распада ядерного изомера: на рисунке 4a показано, что привлекательный поверхностный потенциал детектора MCP был изменен от -100 V ( в пользу возникновения электронов от ионного воздействия) до 0 V, сравнивая ставки подсчета, зарегистрированные с MCP для извлеченных 229Th2 "(красный) и 233У2 "ионов (синий). Очевидно, что показатель снижается до нуля для 233U2 "при реализации "мягкой посадки" входящих ионов с поверхностным напряжением ниже ca. -40 V, в то время как значительная частота подсчета остается на 229Th2 "до порога 0 V. На рисунке 4b, синяя кривая показывает скорость подсчета электронов, зарегистрированную для извлеченных ионов после сильного ускорения к поверхности детектора MCP с -2000 V. Ионическое воздействие 233У2 "и онов 229Th2" наблюдается примерно с одинаковой интенсивностью, как уже показано для вдвойне заряженных ионов в извлеченном масс-спектре Рисунок 3а. Красная кривая показывает тот же сценарий, однако теперь для "мягкой посадки" входящих ионов с -25 V MCP поверхности потенциала. Никаких указаний на ионный сигнал воздействия 233U2 "видно больше, в то время как для 229Th2" сигнал остается, происходящих из изомерического внутреннего распада преобразования11.

figure-results-6697
Рисунок 4 : Измерения проверки распада Изомера. а) 229Th2 "сигнал (красный) по сравнению с 233U2 "(синий) в качестве функции напряжения поверхности MCP. Ошибки указываются затененных полос. б) Сигнал извлеченных ионов в качестве функции соотношения массы к заряду за МСС для поверхностных напряжений MCP -25 V (изомер распада, красный) и -2,000 V (ионное воздействие, синий). Обратите внимание на различные времена интеграции и весы оси. В дополнение к сигналу на 114.5 u/e (соответствует 229Th2 '), происходит дальнейший сигнал на 117.5 u/e, который возникает от изомерического распада 235U. С любезного разрешения Springer Research11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Таким образом, может быть однозначно доказано (вместе с дополнительными аргументами, приведенными в Ref. 11), что сигнал, наблюдаемый на рисунке 4, исходит от изомерического распада 229мTh и представляет собой первое прямое определение деэкскции этого неуловимого изомера.

Впоследствии сегментированная экстракция-РИЗ была эксплуатирована как линейная ловушка Пола для создания связного ионного луча, что позволило завсю жизнь изомерить тория. Так как наш комнатно-температурный высокий вакуум не позволяет достаточно долгое время хранения, чтобы исследовать ожидаемый срок службы до 104 секунд, только нижний предел т1'2 ионов, ограниченных максимально достижимым временем хранения иона в линейной ловушке Павла11. Однако, используя ту же стратегию обнаружения, что применялась ранее для идентификации распада изомеров после нейтрализации ионов тория на поверхности детектора MCP, ожидаемый гораздо более короткий срок службы для нейтральных атомов 229mTh, проходящих внутренний распад преобразования обеспечивает доступ к информации о продолжительности жизни12. На рисунке 5а показана ожидаемая форма спектра времени распада, как смоделированная для ионного пучка с шириной пульса 10. В то время как красная кривая указывает на ионный сигнал воздействия и сигнал от экспоненциального распада с периодом полураспада 7 й с представляет собой серую кривую с длинным хвостом распада, ожидаемый сигнал от распада изомера тория, состоящий как из ионного воздействия, так и e xponential изомерический распад, иллюстрируется синей кривой. Рисунок 5b отображает результат соответствующего измерения для 233U3 "(красный) и 229Th3 "(синий), соответственно. Пока ионы урана только exhibit их ионный сигнал удара, для 229-тория ясно предпологаемый хвост распада изомера можно наблюдать12.

figure-results-9979
Рисунок 5 : Имитированное и измеренное влияние ира и височные ионные характеристики. а) Моделирование характеристик времени распада изомеров 229Th пучки. Моделирование основано на измеренной форме сгустка и предположении, что 2% из 229Ионов Th находятся в изомерическом состоянии с периодом полураспада 7 после нейтрализации. Эффективность обнаружения электронов в 25 раз превышает эффективность обнаружения иона. б) Измерение изомерического распада с сгустками 229 (м)Th3 "ионный луч (синий). Сравнительное измерение с 233U3 "показано красным цветом. С любезного разрешения Американского физического общества12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Установка распада хвост с экспоненциальным (соответствующие линейной подходят к логарифмической представления на рисунке 6) наконец, приводит к периоду полураспада нейтрального 229mTh изомер 7 (1) 12 . Это значение приятно согласуется с теоретически ожидаемым сокращением срока службы на девять порядков величины с около 104 секунд в случае заряженного изомера из-за большого коэффициента преобразованияIC No 10937. 

figure-results-11639
Рисунок 6 : Подходит для 229m Кривая распада. Логарифмический участок временных характеристик распада для 229 (м)Th2 "ионов (а) и 229(м) Th3 "ионов (b) вместе с кривой пригонки применяется для извлечения изомерической период полураспада 229mTh после рекомбинации заряда на поверхность детектора MCP. С любезного разрешения Американского физического общества12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Обсуждение

Диапазон отдачи и ядра дочери распада в уране составляет всего около 16 нм. Для достижения высокой эффективности источника для ионов для данного источника деятельности необходимо ограничить толщину исходного материала в этом диапазоне. Эффективность извлечения отдачи сильно зависит от чистоты буферно-газовой ячейки. Загрязнение остановочного газа приведет к обмену заряда или образованию молекул. Таким образом, газовая ячейка сама должна быть построена в соответствии с ультра-высокими стандартами вакуума, в частности, чтобы обеспечить выпечку клетки и избежать каких-либо органических материалов внутри. Остановивая газовая система должна быть очищена в соответствии с техническим состоянием, начиная от чистоты газа высокого класса, помогаемой каталитической очисткой и доставкой в газовую ячейку через сверхчистую линию газоснабжения, частично окруженную криогенной ловушкой заморозить примесей. В целом, тщательное выравнивание центральной оси полной установки в положение сопла для извлечения газовых элементов имеет важное значение для достижения высокой эффективности транспортировки и обнаружения29.

Шаг 1.4.5 является наиболее критическим протоколом. Для эффективной ионной экстракции к электроду воронки необходимо нанести высокортомного амплитуда. Однако, если амплитуду выбрана слишком высоко, искры в газовой ячейке будут происходить. Максимально достижимая амплитуда напряжения РФ критически зависит от чистоты буферного газа. Успешное применение напряжения контролируется через ток воронки смещенного напряжения. Это течение будет увеличиваться в случае искр. Если искры имели место, процедура выпекания должна быть повторена, чтобы гарантировать высокую эффективность извлечения ионов.

Еще одним критическим моментом является применение высокого напряжения к детектору MCP (шаги 1.6.2-1.6.4). Полевыми выбросами могут происходить на McP, что приводит к излучению электронов, что может привести к артефактуальным сигналам.

Оптимальная ионная экстракция и (охлажденный и очищенный массой) транспорт к блоку обнаружения требует тщательного выравнивания центральной оптической оси. Наличие оптической системы выравнивания (лазер выравнивания или теодолита) имеет важное значение. Эффективный ионный транспорт через извлечения РИз и ЗМС требует непрерывной стабилизации радиочастотных амплитуд для двух противоположных фаз, применяемых к каждой противоположной паре стержней29. Идентификация извлечения или транспортных проблем может быть облегчена путем ионной диагностики реализованы, например, через многоканальный детектор пластины размещены либо последовательно в различных положениях вдоль ионной траектории во время ввода в эксплуатацию фазы установка, или же, например, под 90o за добычей РЧЗ с высоким отрицательным поверхностным напряжением (1-2 кВ), чтобы привлечь все извлеченные ионы к детектору.

Во время операции обычно могут возникнуть две проблемы. Не все напряжения правильно применяются. В этом случае обычно ионы не извлекаются, и нужно найти место неправильно нанесенного напряжения. Также примеси присутствуют в буферном газе гелия. В этом случае эффективность извлечения тройных заряженных ионов тория будет резко снижена и происходит формирование молекул. В худшем случае, даже искры будут отображаться, когда напряжение воронки применяется. Причиной недостаточной чистоты газа, как правило, является утечка в линии газоснабжения или неправильно закрытый фланг буферно-газовой остановочной ячейки.

Описанный метод генерации чистого пучка ионов, содержащих энергетически низменный 229mTh изомер, может быть применен ко всем сопоставимым случаям, когда ион интереса может быть извлечен из буферно-газовой атмосферы в значительных количествах. Чистота газоэлементного и буферного газа является обязательной, поэтому количество оставшихся газовых примесей является ограничением чувствительности метода. В то время как используемый детектор микроканаловой пластины (MCP) основан на обнаружении электронов, как используется здесь для регистрации низкоэнергетических конверсионных электронов, этот случай уже лежит на низкоэнергетической границе кривой эффективности для MCPs38, в то время как для более высоких энергий метод значительно повысил бы эффективность обнаружения.

До настоящего времени описанный метод обеспечил единственную зарегистрированную прямую и недвусмысленную идентификацию девозбуждения изомера тория. Кроме того, вакуумные ультрафиолетовые (VUV)-прозрачные кристаллы (с большими полосами, превышающими предполагаемую энергию возбуждения изомера) унижаются 229Th. Цель состоит в том, чтобы поместить 229Th ионов в высоком (4)зарядсостояние состояние кристаллических позиций решетки, ингибировать де-возбуждение большой разрыв полосы и направлены на возбуждение изомера с помощью рентгеновских лучей из источников синхротронного света. Несмотря на элегантную концепцию такого подхода, до сих пор не VUV флуоресценции можно было наблюдать в серии экспериментов сообщили несколько групп по всему миру39,40,41,42,43 . То же самое относится и к классу экспериментов, целью которых является реализация ядерного возбуждения изомера через электронную оболочку 229Th, используя так называемый переход на электронный мост. Здесь резонансное соединение между переходом электронной оболочки и ядерным изомером должно позволить для более эффективной популяции изомеров44,45. Другие эксперименты, направленные на исследование изомериковых свойств, основаны на микрокалориметрии46 или наблюдении гипертонкого переноса атомной оболочки47. Совсем недавно другой метод, чтобы возбудить изомер в лазерной плазмы было сообщено48 и подлежит научной дискуссии в рамках сообщества.

Открытие внутреннего канала распада преобразования тория изомер11 и определение соответствующего полураспада нейтральных 229mTh (7 (1)12 могут быть использованы в будущем, чтобы реализовать первый все-оптический возбуждение с импульсным, tunable VUV лазер на основе уже существующих технологий. Таким образом, нынешняя парадигма, что это потребует гораздо лучшего знания энергии возбуждения и соответствующие индивидуальные лазерной разработки можно обойти. В отличие от этого, используя знания внутреннего преобразования электронного излучения, gating обнаружения преобразования электронов с лазерным импульсом обеспечит высокое соотношение сигнала к фону, в то время как позволяет сканирование 1 эВ энергии возбуждения менее чем за 3 дни49. Кроме того, определение энергии возбуждения изомер, все еще находится в стадии разработки, может быть основано на описанном методе генерации 229mTh пучка, отправив IC распада электронов в магнитно-бутылка электрон спектрометр с тормозной полевые электродные сетки50. Тот же метод также позволит определить изомерический срок службы для различных химических сред (например, на больших пластырных материалах, таких как CaF2 или замороженный аргон) или в 229Th, а также в свободном нейтральном атоме.

Описанный метод генерации изотопно чистого ионного луча тория в состоянии заряда 3 "может быть использован в качестве инструмента для обеспечения ионов тория для будущих экспериментов лазерной спектроскопии. В этом случае ионный луч может быть использован для загрузки ловушки Павла в стабильной и эффективной форме. До сих пор единственным альтернативным методом является производство 229Th3 "с помощью лазерной абляции от твердой цели. Это, однако, требует высокой интенсивности лазера и большого количества 229Th, который является дорогим радиоактивным материалом и приводит к загрязнению использованных вакуумных компонентов. По этой причине описанный метод может быть значительным преимуществом, когда дело доходит до ядерных экспериментов лазерной спектроскопии. Первое приложение этого типа уже опубликовано51.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана научно-исследовательской и инновационной программой Европейского союза «Горизонт 2020» в соответствии с Грантным соглашением No 664732 «nuClock», грантом DFG Th956/3-1 и отделением медицинской физики ЛМУ через Лабораторию Майер-Лейбница.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Uranium-233 SourceInstitut für Radiochemie Universität Mainzcustomized290 kBq U-233 deposited onto 90 mm diameter
RF funnelSecamus Laserschneidtechnik GmbHcustomized50 ring electrodes, laser cut and electropolished
Buffer-gas stopping cellWorkshop of LMU MunichcustomizedVacuuchamber DN200 CF for buffer-gas stopping cell
Roughing pumpLeyboldScrewline SP 250Roughing pump for entire system
Roughing pump controlSiemensMicromaster 420Control unit for Screwline SP 250
Vacuum gauge PrepressurePfeifferTPR 265Pressure control for roughing pump
Vacuum gauge cell 1PfeifferCMR 261Pressure control for cell (high-pressure range)
Vacuum gauge cell 2PfeifferPBR 260Pressure control for cell (low-pressure range)
Vacuum gauge RFQPfeifferPKR 261Pressure control for RFQ pressure read-out
Pressure gauge QMSPfeifferPKR 261Pressure control for QMS pressure read-out
Pressure control unitPfeifferTPG 256 AControl unit for all pressure gauges
Control PC 1FujitsuunknownControl computer for buffer-gas stopping cell
Simatic with CPUSiemensS7-300Simatic for automation and control
Simatic without CPUSiemensET 200MSimatic for automation and control
Vacuum valvesSMCXLH-40Vacuum valves for evacuation control
UHV gate valveVAT48240-CE74Gate valve for cell closing during operation
Turbo-Molecular pump 1PfeifferTMU 400MTurbo pump for cell
Control unit for TMP 1PfeifferTCM 1601Control unit for TMP TMU 400M
Turbo-Molecular pump 2PfeifferHiMag 2400Trubo pump for RFQ
Turbo-Molecular pump 3EdwardsSTP 603Trubo pump for QMS
Control unit for TMP 3EdwardsSCU-800Control unit for TMP Edwards STP 603
Bypass valve of gas tubingSwagelokSS-6BG-MMValve to bypass the mass-flow controller
Heating sleevesIsopadcustomizedHeating sleeves for bake out of cell and RFQ
Temperature sensorsIsopadTAI/NM NiCrNiTemperature sensors for bake-out system
Heating control unitElectronic workshop of LMU MunichcustomizedControl unit for Isopad heating sleeves
Catalytic gas purifierSAES MonoTorrPS4-MT3-R-2Gas purifier for ultra-pure helium supply
He gas cylinderAir LiquideHe 6.0, 50 litersHelium of 99.9999 % purity
Pressure reducerDruvaFMD 502-16Pressure reducer for He gas cylinder
Valve of gas supplySwagelokSS-6BG-MMValve to open or close the gas supply
Mass flow controlAERAFC-780CHTMass flow control valve for He supply
control unit for mass flow valveElectronic workshop of LMU MunichcustomizedControl unit for AERA mass flow control
Gas tubingDockweilerUltronelectropolished gas tubing for He supply
Cryogenic trapIsothermunknowncryogenic trap for He purification (optional)
DC voltage supply for sourceElectronic workshop of LMU MunichcustomizedDC offset voltage supply for U-233 source
DC voltage supply for funnelHeinzingerLNG 350-6Power supply for DC gradient of funnel
DC voltage supply for RFQIsegunknownDC voltage supply for funnel offset, nozzle and RFQ
Laval nozzleFriatec AGcustomizedLaval nozzle for He and ion extraction
DC voltage supply for buncherHeinzingerLNG 350-6DC supply for bunching electrode
Trigger moduleElectronic workshop of LMU MunichcustomizedTrigger module for bunched operation
RF generator for funnelStanford Research SystemsSRS DS 345RF generator for funnel
RF amplifier for funnelElectronic Navigation IndustriesENI 240L-1301Rf amplifier for funnel
RF phase divider for funnelElectronic workshop of LMU MunichcustomizedRF phase divider for funnel
RF+DC  mixer for funnelElectronic workshop of LMU MunichcustomizedVoltage divider and RF+DC mixer for funnel voltage
Extraction RFQWorkshop of LMU MunichcustomizedExtraction RFQ for ion-beam formation or storage
RF generator for RFQStanford Research SystemsSRS DS 345RF generator for RFQ
RF amplifier for RFQElectronic workshop of LMU MunichcustomizedRF amplifier for RFQ
RF amplifier for bunch electrodeElectronic workshop of LMU MunichcustomizedRF amplifier for bunch electrode
RF+DC mixer for RFQElectronic workshop of LMU MunichcustomizedMixes the RF and DC potentials for RFQ voltage
RFQ exit electrodeWorkshop of LMU Munichcustomized2-mm diameter exit aperture for differential pumping
4 Channel DC supplyMesytecMHV 4DC offset for aperture and triode
QMSWorkshop of LMU MunichcustomizedQuadrupole mass separator for m/q selection
Brubaker DC offset moduleElectronic workshop of LMU MunichcustomizedDC offset supply for Brubaker lenses of QMS
QMS DC offset moduleElectronic workshop of LMU MunichcustomizedDC offset supply for QMS
USB-to-Analog converterEA Elektro-AutomatikUTA12to generate signal for QMS HV shifter
QMS HV shifterElectronic workshop of LMU Munichcustomizedto shift the voltage of the QMS DC module
QMS DC moduleElectronic workshop of LMU MunichcustomizedModule to provide DC voltages for QMS
RF generator for QMSTektronixAFG 3022BRF generator for QMS
RF amplifier for QMSElectronic workshop of LMU MunichcustomizedRF amplifier for QMS
PicoscopePico TechnologyPicoscope 4227Oscilloscope for QMS RF control
Control PC 2FujitsuEsprimo P900Control computer for QMS
Triode extraction systemWorkshop of LMU MunichcustomizedSet of three ring electrodes to guide ions
MCP detectorBeam-Imaging-SolutionsBOS-75-FOMCP detector with phosphor sreen
DC voltage supply for MCPKeithley InstrumentsHV Supply 246Voltage supply for MCP front side
DC voltage supply for MCPCMTE (NIM module)HV 3160Voltage supply for MCP back side
DC voltage supply for MCPFlukeHV Supply 410BVoltage supply for phosphor sreen
CCD cameraPointGreyFL2-14S3M-CCCD camera for image recording
Control PC 3FujitsuEsprimo P910Control computer for CCD camera
Light-tight housingWorkshop of LMU MunichcustomizedLight tight wooden box for CCD camera
Dewar for LN2 supplyIsothermunknownDewar to provide dry nitrogen for venting
Evaporator for LN2Workshop of LMU MunichcustomizedEvaporator to provide dry nitrogen
Single anode MCP detectorHamamatsuF2223Single anode MCP for lilfetime measurement
DC voltage supply for MCPFlukeHV supply 410BVoltage supply for MCP anode
Power supply for preamplifierDelta ElektronikaE 030-1Power supply for preamplifier
Preamplifier for MCP signalsOrtec VT120APreamplifier for MCP signals
Amplifier for MCP signalsOrtec (NIM module)Ortec 571Amplifier for MCP signals
CFDCanberra1428AConstant-fraction-discriminator for MCP signals
Multichannel ScalerStanford ResearchSR 430Multichannel scaler for signal read-out
Control PC 4FujitsuEsprimo P920Control computer for scaler read-out
LabviewNational Instrumentsvarious versionsProgram used for measurement control
MatlabMathworks Inc.version 7.0Program used for data analysis

Ссылки

  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. Beck, B. R., Cerutti, F., Ferrari, A., et al. Improved value for the energy splitting of the ground-state doublet in the nucleus 229Th. , (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. , (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. , (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. , (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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

147229

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены