Name: preparing an isotopically pure 229th ion beam for studies of 229mth
Uploaded: 2019-05-03T12:30:00
Duration: 10 min 42 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Preparing an Isotopically Pure 229Th Ion Beam for Studies of 229mTh at JoVE.com

Questo lavoro è stato sostenuto dal programma di ricerca e innovazione Orizzonte 2020 dell'Unione europea nell'ambito del Grant Agreement n. 664732 "nuClock", dalla sovvenzione della DFG Th956/3-1 e dal dipartimento LMU di Fisica Medica tramite il Maier-Leibnitz-Laboratory.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

La gamma di nuclei figlia in decadimento nell'uranio ammonta a soli 16 nm. Al fine di ottenere un'elevata efficienza della fonte per gli ioni di rinculo z per una determinata attività di origine, è obbligatorio limitare lo spessore del materiale di origine a questo intervallo. L'efficienza di estrazione del rinculo è fortemente influenzata dalla pulizia della cella buffer-gas. Le contaminazioni del gas di arresto porteranno allo scambio di carica o alla formazione di molecole. Pertanto, la cella di gas stessa deve essere costruita secondo standard di vuoto ultra-elevati, in particolare per consentire una cottura della cella ed evitare qualsiasi materiale organico all'interno. Il gas di arresto deve essere purificato secondo lo stato tecnico dell'arte, a partire dalla purezza del gas di altissima qualità assistita dalla purificazione catalitica e la consegna alla cella del gas attraverso una linea di alimentazione del gas ultra-pulita, parzialmente circondata da una trappola criogenica congelare le impurità. In generale, un attento allineamento dell'asse centrale dell'impostazione completa alla posizione dell'ugello di estrazione delle celle di gas è essenziale per ottenere un'elevata efficienza di trasporto e rilevamento29.
Il passaggio 1.4.5 è il più critico del protocollo. Per un'estrazione efficiente degli ioni, un'elevata ampiezza RF deve essere applicata all'elettrodo dell'anello dell'imbuto. Tuttavia, se l'ampiezza è scelta troppo alta, si verificheranno scintille nella cella di gas. La massima ampiezza di tensione RF ottenibile dipende in modo critico dalla purezza del gas tampone. Un'applicazione di tensione viene monitorata correttamente tramite la corrente della tensione di offset dell'imbuto. Questa corrente aumenterà nel caso di scintille. Se si sono verificate scintille, la procedura di forno deve essere ripetuta per garantire la massima efficienza di estrazione degli ioni.
Un altro punto critico è l'applicazione delle alte tensioni al rilevatore MCP (passaggi 1.6.2-1.6.4). Le emissioni sul campo possono verificarsi sull'MCP, portando all'emissione di elettroni che possono portare a segnali artefattuali.
L'estrazione ottimale degli ioni e il trasporto (raffreddato e purificato in massa) verso l'unità di rilevamento richiedono un attento allineamento dell'asse ottico centrale. La disponibilità di un sistema di allineamento ottico (laser di allineamento o teodolite) è essenziale. L'efficiente trasporto iotto attraverso la rete RFQ di estrazione e il QMS richiede una continua stabilizzazione delle ampiezze a radiofrequenza per le due fasi opposte applicate ad ogni coppia opposta di aste29. L'identificazione dei problemi di estrazione o di trasporto può essere facilitata da una diagnostica ionica realizzata, ad esempio tramite un rilevatore multicanale posizionato consecutivamente in posizioni diverse lungo il percorso ionico durante la fase di messa in servizio del configurazione, o in alternativa, ad esempio, sotto 90o dietro la richiesta di estrazione RFQ con un'alta tensione di superficie negativa (1-2 kV) per attirare tutti gli ioni estratti verso il rivelatore.
Durante il funzionamento in genere possono sorgere due problemi. Non tutte le tensioni vengono applicate correttamente. In questo caso di solito non vengono estratti ioni, e si deve trovare il luogo di tensione non applicata correttamente. Inoltre, le impurità sono presenti nel buffer-gas di elio. In questo caso l'efficienza di estrazione per gli ioni del torio caricati in viaggio sarà drasticamente ridotta e si verifica la formazione di molecole. Nel peggiore dei casi, anche le scintille appariranno quando viene applicata la tensione dell'imbuto. La ragione di una purezza del gas insufficiente è in genere una perdita nella linea di alimentazione del gas o una flangia non correttamente chiusa della cella di arresto del gas buffer.
Il metodo descritto per generare un fascio pulito di ioni contenente l'isomero 229mTh energicamente basso può essere applicato a tutti i casi comparabili in cui lo ione di interesse può essere estratto dall'atmosfera buffer-gas in quantità considerevoli. La pulizia della cella gassata e del gas tampone è obbligatoria, quindi la quantità di impurità di gas rimanenti è una limitazione alla sensibilità del metodo. Mentre il rilevatore di microcanali (MCP) impiegato si basa sul rilevamento degli elettroni, come qui sfruttato per la registrazione di elettroni di conversione a bassa energia, questo caso si trova già al confine a bassa energia della curva di efficienza per38, mentre per le energie più elevate il metodo guadagnerebbe significativamente in efficienza di rilevamento.
Finora, il metodo descritto ha fornito l'unica identificazione diretta e inequivocabile della deeccitazione del torio isomer. In alternativa, i cristalli ultra-viola (VUV)-trasparente sottovuoto (con grandi bandgap, superando l'energia di eccitazione presunta dell'isomere) sono dopati con 229Th. L'obiettivo è quello di posizionare 229ioni Th in alto (4)stato di carica di posizioni del reticolo di cristallo, inibire la decitazione da grande lacuna banda e mirare a un'eccitazione dell'isomere utilizzando raggi X da fonti di luce di sincrotrone. Nonostante l'elegante concetto di questo approccio, finora nessuna fluorescenza VUV potrebbe essere osservata in una serie di esperimenti riportati da diversi gruppi in tutto il mondo39,40,41,42,43 . Lo stesso vale per una classe di esperimenti che mira a realizzare l'eccitazione nucleare dell'isomero attraverso il guscio elettronico di 229Th, utilizzando una cosiddetta transizione elettrone-ponte. Qui un accoppiamento risonante tra una transizione di guscio di elettroni e l'isomero nucleare dovrebbe consentire una popolazione isomere più efficiente44,45. Altri esperimenti che mirano allo studio delle proprietà isomeriche si basano sulla microcalore46 o sull'osservazione dell'iperfine spostamento nel guscio atomico47. Recentemente è stato riportato un altro metodo per eccitare l'isomere in un plasma indotto dal laser48 ed è soggetto a discussioni scientifiche all'interno della comunità.
La scoperta del canale di decadimento della conversione interna del torio isomer11 e la determinazione della corrispondente emivita di 229mTh neutro (7(1)12 può essere sfruttata in futuro per realizzare una prima con un laser VUV pulsato e regolabile basato sulla tecnologia già esistente. Così l'attuale paradigma che questo richiederebbe una conoscenza molto migliore dell'energia di eccitazione e un corrispondente sviluppo laser personalizzato può essere aggirato. Al contrario, sfruttando la conoscenza dell'emissione di elettroni di conversione interna, il rilevamento degli elettroni di conversione con l'impulso laser fornirà un elevato rapporto segnale-sfondo, consentendo al contempo una scansione di 1 eV dell'energia di eccitazione in meno di 3 giorni49. Inoltre, una determinazione dell'energia di eccitazione dell'isomere, ancora in fase di lavorazione, può essere basata sul metodo descritto di generazione del fascio di 229 minviando elettroni di decadimento IC in uno spettrometro di elettroni a bottiglia magnetica con retarding griglie elettrodi di campo50. La stessa tecnica permetterà anche di determinare la durata isomerica per diversi ambienti chimici (adesempio, su materiali di grandi dimensioni-gap come CaF2 o argon congelati) o in 229Th, così come nell'atomo libero e neutro.
Il metodo descritto per generare un fascio ionico di torio isotopicamente puro di stato di carica di 3 o più può essere utilizzato come strumento per fornire ioni del torio per i futuri esperimenti di spettroscopia laser. In questo caso il fascio di ioni può essere utilizzato per caricare una trappola Paul in modo stabile ed efficiente. Finora, l'unico metodo alternativo è quello di produrre 229Th3 per ablazione laser da un bersaglio solido. Questo, tuttavia, richiede un'elevata intensità laser e una grande quantità di 229Th, che è un costoso materiale radioattivo e porta alla contaminazione dei componenti usati del vuoto. Per questo motivo, il metodo descritto può essere di notevole vantaggio quando si tratta di esperimenti di spettroscopia laser nucleare. Una prima applicazione di questo tipo è già stata pubblicata51.

Il primo stato metastabile eccitato nel nucleo del torio-229, indicato come 229mTh, presenta una posizione speciale nel paesaggio nucleare, in quanto possiede l'energia di eccitazione nucleare più bassa di tutti gli stati eccitati attualmente di ca. 176.000. Mentre le energie nucleari tipiche vanno dal keV fino alla regione MeV, 229mTh possiede un'energia inferiore a 10 eV sopra lo stato del terreno nucleare1,2,3. Il valore energetico attualmente più accettato per questo stato è 7.8(5) eV4,5. Questo basso valore energetico ha suscitato l'interesse di diverse comunità fisiche e ha portato alla proposta di diverse applicazioni interessanti. Tra loro ci sono un laser nucleare6, un qubit altamente stabile per quantum computing7 e un orologio nucleare8,9.
Il motivo per cui 229mTh dovrebbe offrire un'ampia varietà di applicazioni si basa sul fatto che, a causa della sua straordinaria bassa energia, è l'unico stato nucleare che potrebbe consentire l'eccitazione laser nucleare diretta utilizzando il laser attualmente disponibile tecnologia. Finora, tuttavia, l'eccitazione laser nucleare diretta di 229mTh è stata impedita da una conoscenza insufficiente dei parametri dello stato metastabile come la sua energia precisa e la sua durata. Anche se l'esistenza di uno stato nucleare eccitato di bassa energia nel 229Th era già ipotizzato nel 197610, tutte le conoscenze su questo stato potevano essere dedotte solo da misurazioni indirette, non consentendo una precisa determinazione del suo decadimento Parametri. Questa situazione è cambiata dal 2016, quando il primo rilevamento diretto del decadimento 229mTh ha aperto la porta per una moltitudine di misurazioni che mirano a definire i parametri dello stato eccitato11,12. Qui, viene fornito un protocollo dettagliato, che descrive i singoli passaggi necessari per un rilevamento diretto di 229mTh come ottenuto nell'esperimento del 2016. Questa rilevazione diretta fornisce la base per una precisa determinazione dell'energia e della durata dei 229mth e quindi per lo sviluppo di un orologio nucleare. Di seguito sarà discusso il concetto di orologio nucleare come applicazione più importante per 229mTh.
Con una larghezza di linea relativa di ìME/E-10-20 la transizione allo stato del suolo del torio isomer potenzialmente si qualifica come standard di frequenza nucleare ('orologio nucleare')8,9. A causa di un nucleo atomico di circa 5 ordini di grandezza più piccoli rispetto al guscio atomico, i momenti nucleari (dipolo magnetico e quadruplo elettrico) sono di conseguenza più piccoli di quelli degli atomi, rendendo un orologio nucleare in gran parte immune contro l'esterno (rispetto agli attuali orologi atomici all'avanguardia). Pertanto, uno standard di frequenza nucleare promette un funzionamento dell'orologio altamente stabile e preciso. Anche se la precisione raggiunta nei migliori orologi atomici presenti raggiunge circa 2,1x10-1813, corrispondente a una deviazione di 1 secondo in un periodo di tempo notevolmente più lungo dell'età dell'universo, gli orologi nucleari hanno il potenziale di un ulteriore che potrebbe diventare essenziale per un vasto campo di applicazioni. I sistemi di navigazione basati su satellite come il Global Positioning System (GPS), il Global Navigation Satellite System (GLONASS) o Galileo attualmente operano con una precisione di posizionamento di pochi metri. Se questo potesse essere migliorato alla scala centimetrica o addirittura millimetrica, si potrebbe prevedere una pletora di applicazioni, dalla guida autonoma al trasporto merci o al monitoraggio dei componenti. Oltre agli orologi altamente precisi, tali sistemi richiederebbero un funzionamento ininterrotto affidabile, con una stabilità alla deriva a lungo termine che garantisce intervalli di risincronizzazione a lungo termine. L'uso degli orologi nucleari potrebbe rivelarsi vantaggioso da questo punto di vista pratico. Ulteriori applicazioni pratiche di (reti sincronizzate di) orologi nucleari potrebbero trovarsi nel campo della geodesia relativistica14, dove l'orologio agisce come un sensore di gravità 3D, mettendo in relazione le differenze di potenziale gravitazionale locale - U a misurato (relativo) differenza di frequenza dell'orologio, f/f, tramite l'parentesi di ogni mo, ovvero f/f-z-U/c2 (c che indica la velocità della luce). I migliori orologi presenti sono in grado di percepire i cambiamenti gravitazionali dalle differenze di altezza di circa 2 cm. Così, misurazioni ultra-precise utilizzando una rete di orologi nucleari potrebbero essere utilizzati per monitorare la dinamica delle camere magma vulcaniche o dei movimenti di placche tettoniche15. Inoltre, l'uso di tali reti di orologio è stato proposto come strumento per la ricerca della classe teoricamente descritta di materia oscura topologica16. Un'ampia discussione può essere trovata nella letteratura sull'applicazione di un orologio nucleare basato su 229mth alla ricerca di rilevamento di potenziali variazioni temporali di costanti fondamentali come la costante della struttura fine o la forte interazione parametro (mq/QCD, con mq che rappresenta la massa di quark eQCD - il parametro di scala dell'interazione forte), suggerito in alcune teorie unificare la gravità con altre interazioni17. La rilevazione di una variazione temporale nell'energia di transizione dello stato del suolo di 229mTh può fornire una maggiore sensibilità di circa 2-5 ordini di grandezza per variazioni temporali della costante della struttura fine o del parametro di interazione forte 18,19,20,21,22,23,24,25,26. L'attuale limite sperimentale per tale variazione di , ammonta a (d/dt)/z-0,7(2.1)10-17/yr27. Nel seguente approccio sperimentale per il rilevamento diretto del decadimento dello stato del suolo di 229m. sarà descritto.
Le prove dell'esistenza dell'isomer 229-thorium fino a poco tempo fa potevano essere dedotte solo da misurazioni indirette, suggerendo un'energia di eccitazione di 7,8(5) eV (equivalente a una lunghezza d'onda nell'intervallo spettrale ultra-viola vuoto di 160(11) nm)4 , 5. Il nostro approccio sperimentale, volto a un'identificazione diretta della deeccitazione isomerica dello stato di terra dell'isomero 229mTh, si basa su una separazione spaziale della popolazione isometrice in una cella di arresto del gas tampone, seguita da un'estrazione, e il trasporto separato in massa verso un'unità di rilevamento idonea a registrare i prodotti di deexcitazione28,29. Così la popolazione e la deeccitazione dell'isomere possono essere districati, con conseguente ambiente di misurazione pulito, inalterato da contributi di fondo pronti. La popolazione dell'isomere è ottenuta attraverso il decadimento da una sorgente radioattiva di 233U, dove un ramo di decadimento del 2% procede non direttamente allo stato del suolo di 229th, ma popola invece l'isomerico primo stato eccitato. I nuclei del rinculo di decadimento sono termicamente in un'atmosfera di elio ultra-puro di una cella di arresto del gas buffer, prima di essere guidati da campi di radiofrequenza elettrica (RF) e corrente diretta (DC) verso un ugello di estrazione, dove l'emergente getto di gas supersonico trascina in una camera a vuoto adiacente, che alloggia una struttura quadruppa (segmentata) a radiofrequenza (RFQ) che funge da guida ionica, dispositivo di raffreddamento fase-spazio e potenzialmente anche come trappola lineare Paul per ammassare gli ioni estratti. Per una descrizione dettagliata della cella di arresto del gas buffer e della richiesta di offerta, vedere Refs. 30 milio , 31 Milia , 32. Dal momento che fino a quel momento la trave ionica estratta contiene oltre a 229(m)Th anche la catena di prodotti figlia decadimento , separazione di massa viene eseguita utilizzando un separatore di massa quadrupolo (QMS) in una successiva camera a vuoto per generare un fascio isotopicamente puro 229(m)Th in stati di carica selezionabili (q-1-3). Una descrizione dettagliata del QMS è disponibile in Refs. 33 Mi lasa , 34. Il rilevamento del decadimento isomerico è stato ottenuto incidendo gli ioni Th direttamente sulla superficie di un rilevatore a microcanali (MCP), dove gli elettroni vengono liberati, accelerati verso uno schermo di fosforo e visti da un dispositivo accoppiato a carica (CCD) macchina fotografica. Una panoramica della configurazione sperimentale è illustrata nella Figura 1. Una descrizione dettagliata è fornita in Ref.35.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig1.jpg"> Figura 1: Panoramica della configurazione sperimentale. L'isomero del torio-229 è popolato attraverso il ramo di decadimento del 2% nel decadimento dell'uranio-233. 229m Gli ioni, lasciando la fonte di 233U a causa della loro energia cinetetica del rinculo, sono termicamente in una cella di arresto del gas buffer riempita con 30 mbar di gas elio. Gli ioni vengono estratti dal volume di arresto con l'aiuto per i campi RF e DC e un fascio di ioni a bassa energia viene formato con l'aiuto di un quadruplo a radiofrequenza (RFQ). Il fascio di ioni viene ampurato in massa con l'aiuto di un separatore di massa quadrupolo (QMS) e gli ioni vengono impiantati dolcemente sulla superficie di un rilevatore a micro-canale (MCP) combinato con uno schermo di fosforo che consente il rilevamento risolto spazialmente di si verificano segnali. Con gentile permesso di Springer Research, questa cifra è stata modificata da11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig1large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Il seguente protocollo descrive la procedura di base per generare il fascio di ioni 229(m)Th che ha permesso la prima rilevazione diretta del decadimento dello stato del suolo dell'isomere del torio, ponendo così le basi per studiare le sue proprietà di decadimento come Prerequisito del controllo onni-ottico previsto di questo stato nucleare esotico verso la sua applicazione come standard di frequenza nucleare ultra preciso. Per un migliore orientamento, nella Figura 2è disponibile una panoramica schematica dell'impostazione utilizzata per il rilevamento diretto del decadimento isomerico11 , contenente un'etichettatura numerica dei componenti affrontati nel protocollo seguente. Anche i componenti utilizzati per la determinazione della durata12 sono contenuti come un inset.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig2.jpg"> Figura 2: Schema schizzo della configurazione sperimentale utilizzata per il rilevamento del decadimento isomerico. I componenti utilizzati per la misurazione della durata vengono visualizzati come un insetto. I singoli componenti a cui verrà fatto riferimento nella sezione del protocollo sono etichettati numericamente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig2large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:859px;" width="858">
	<tbody>
		<tr height="62">
			<td height="62" style="height:62px;width:223px;">Uranium-233 Source</td>
			<td style="width:153px;">Institut f&#252;r Radiochemie Universit&#228;t Mainz</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td style="width:357px;">290 kBq U-233 deposited onto 90 mm diameter</td>
		</tr>
		<tr height="62">
			<td height="62" style="height:62px;width:223px;">RF funnel</td>
			<td style="width:153px;">Secamus Laserschneidtechnik GmbH</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>50 ring electrodes, laser cut and electropolished</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">Buffer-gas stopping cell</td>
			<td style="width:153px;">Workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Vacuuchamber DN200 CF for buffer-gas stopping cell</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Roughing pump</td>
			<td style="width:153px;">Leybold</td>
			<td style="width:125px;">Screwline SP 250</td>
			<td>Roughing pump for entire system</td>
		</tr>
		<tr height="18">
			<td height="18" style="height:19px;width:223px;">Roughing pump control</td>
			<td style="width:153px;">Siemens</td>
			<td style="width:125px;">Micromaster 420</td>
			<td>Control unit for Screwline SP 250</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Vacuum gauge Prepressure</td>
			<td style="width:153px;">Pfeiffer</td>
			<td style="width:125px;">TPR 265</td>
			<td>Pressure control for roughing pump</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Vacuum gauge cell 1</td>
			<td style="width:153px;">Pfeiffer</td>
			<td style="width:125px;">CMR 261</td>
			<td>Pressure control for cell (high-pressure range)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Vacuum gauge cell 2</td>
			<td style="width:153px;">Pfeiffer</td>
			<td style="width:125px;">PBR 260</td>
			<td>Pressure control for cell (low-pressure range)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Vacuum gauge RFQ</td>
			<td style="width:153px;">Pfeiffer</td>
			<td style="width:125px;">PKR 261</td>
			<td>Pressure control for RFQ pressure read-out</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Pressure gauge QMS</td>
			<td style="width:153px;">Pfeiffer</td>
			<td style="width:125px;">PKR 261</td>
			<td>Pressure control for QMS pressure read-out</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Pressure control unit</td>
			<td style="width:153px;">Pfeiffer</td>
			<td style="width:125px;">TPG 256 A</td>
			<td>Control unit for all pressure gauges</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Control PC 1</td>
			<td style="width:153px;">Fujitsu</td>
			<td style="width:125px;">unknown</td>
			<td>Control computer for buffer-gas stopping cell</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Simatic with CPU</td>
			<td style="width:153px;">Siemens</td>
			<td style="width:125px;">S7-300</td>
			<td>Simatic for automation and control</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Simatic without CPU</td>
			<td style="width:153px;">Siemens</td>
			<td style="width:125px;">ET 200M</td>
			<td>Simatic for automation and control</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Vacuum valves</td>
			<td style="width:153px;">SMC</td>
			<td style="width:125px;">XLH-40</td>
			<td>Vacuum valves for evacuation control</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">UHV gate valve</td>
			<td style="width:153px;">VAT</td>
			<td style="width:125px;">48240-CE74</td>
			<td>Gate valve for cell closing during operation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Turbo-Molecular pump 1</td>
			<td style="width:153px;">Pfeiffer</td>
			<td style="width:125px;">TMU 400M</td>
			<td>Turbo pump for cell</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Control unit for TMP 1</td>
			<td style="width:153px;">Pfeiffer</td>
			<td style="width:125px;">TCM 1601</td>
			<td>Control unit for TMP TMU 400M</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Turbo-Molecular pump 2</td>
			<td style="width:153px;">Pfeiffer</td>
			<td style="width:125px;">HiMag 2400</td>
			<td>Trubo pump for RFQ</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Turbo-Molecular pump 3</td>
			<td style="width:153px;">Edwards</td>
			<td style="width:125px;">STP 603</td>
			<td>Trubo pump for QMS</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Control unit for TMP 3</td>
			<td style="width:153px;">Edwards</td>
			<td style="width:125px;">SCU-800</td>
			<td>Control unit for TMP Edwards STP 603</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Bypass valve of gas tubing</td>
			<td style="width:153px;">Swagelok</td>
			<td style="width:125px;">SS-6BG-MM</td>
			<td>Valve to bypass the mass-flow controller</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Heating sleeves</td>
			<td style="width:153px;">Isopad</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Heating sleeves for bake out of cell and RFQ</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Temperature sensors</td>
			<td style="width:153px;">Isopad</td>
			<td style="width:125px;">TAI/NM NiCrNi</td>
			<td>Temperature sensors for bake-out system</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">Heating control unit</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Control unit for Isopad heating sleeves</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Catalytic gas purifier</td>
			<td style="width:153px;">SAES MonoTorr</td>
			<td style="width:125px;">PS4-MT3-R-2</td>
			<td>Gas purifier for ultra-pure helium supply</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">He gas cylinder</td>
			<td style="width:153px;">Air Liquide</td>
			<td style="width:125px;">He 6.0, 50 liters</td>
			<td>Helium of 99.9999 % purity</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Pressure reducer</td>
			<td style="width:153px;">Druva</td>
			<td style="width:125px;">FMD 502-16</td>
			<td>Pressure reducer for He gas cylinder</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Valve of gas supply</td>
			<td style="width:153px;">Swagelok</td>
			<td style="width:125px;">SS-6BG-MM</td>
			<td>Valve to open or close the gas supply</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Mass flow control</td>
			<td style="width:153px;">AERA</td>
			<td style="width:125px;">FC-780CHT</td>
			<td>Mass flow control valve for He supply</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">control unit for mass flow valve</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Control unit for AERA mass flow control</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Gas tubing</td>
			<td style="width:153px;">Dockweiler</td>
			<td style="width:125px;">Ultron</td>
			<td>electropolished gas tubing for He supply</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Cryogenic trap</td>
			<td style="width:153px;">Isotherm</td>
			<td style="width:125px;">unknown</td>
			<td>cryogenic trap for He purification (optional)</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">DC voltage supply for source</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>DC offset voltage supply for U-233 source</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">DC voltage supply for funnel</td>
			<td style="width:153px;">Heinzinger</td>
			<td style="width:125px;">LNG 350-6</td>
			<td>Power supply for DC gradient of funnel</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">DC voltage supply for RFQ</td>
			<td style="width:153px;">Iseg</td>
			<td style="width:125px;">unknown</td>
			<td>DC voltage supply for funnel offset, nozzle and RFQ</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Laval nozzle</td>
			<td style="width:153px;">Friatec AG</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Laval nozzle for He and ion extraction</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">DC voltage supply for buncher</td>
			<td style="width:153px;">Heinzinger</td>
			<td style="width:125px;">LNG 350-6</td>
			<td>DC supply for bunching electrode</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">Trigger module</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Trigger module for bunched operation</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RF generator for funnel</td>
			<td style="width:153px;">Stanford Research Systems</td>
			<td style="width:125px;">SRS DS 345</td>
			<td>RF generator for funnel</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RF amplifier for funnel</td>
			<td style="width:153px;">Electronic Navigation Industries</td>
			<td style="width:125px;">ENI 240L-1301</td>
			<td>Rf amplifier for funnel</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RF phase divider for funnel</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>RF phase divider for funnel</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RF+DC&#160; mixer for funnel</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Voltage divider and RF+DC mixer for funnel voltage</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">Extraction RFQ</td>
			<td style="width:153px;">Workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Extraction RFQ for ion-beam formation or storage</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RF generator for RFQ</td>
			<td style="width:153px;">Stanford Research Systems</td>
			<td style="width:125px;">SRS DS 345</td>
			<td>RF generator for RFQ</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RF amplifier for RFQ</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>RF amplifier for RFQ</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RF amplifier for bunch electrode</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>RF amplifier for bunch electrode</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RF+DC mixer for RFQ</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Mixes the RF and DC potentials for RFQ voltage</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RFQ exit electrode</td>
			<td style="width:153px;">Workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>2-mm diameter exit aperture for differential pumping</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">4 Channel DC supply</td>
			<td style="width:153px;">Mesytec</td>
			<td style="width:125px;">MHV 4</td>
			<td>DC offset for aperture and triode</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">QMS</td>
			<td style="width:153px;">Workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Quadrupole mass separator for m/q selection</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">Brubaker DC offset module</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>DC offset supply for Brubaker lenses of QMS</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">QMS DC offset module</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>DC offset supply for QMS</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">USB-to-Analog converter</td>
			<td style="width:153px;">EA Elektro-Automatik</td>
			<td style="width:125px;">UTA12</td>
			<td>to generate signal for QMS HV shifter</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">QMS HV shifter</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>to shift the voltage of the QMS DC module</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">QMS DC module</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Module to provide DC voltages for QMS</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">RF generator for QMS</td>
			<td style="width:153px;">Tektronix</td>
			<td style="width:125px;">AFG 3022B</td>
			<td>RF generator for QMS</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">RF amplifier for QMS</td>
			<td style="width:153px;">Electronic workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>RF amplifier for QMS</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Picoscope</td>
			<td style="width:153px;">Pico Technology</td>
			<td style="width:125px;">Picoscope 4227</td>
			<td>Oscilloscope for QMS RF control</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Control PC 2</td>
			<td style="width:153px;">Fujitsu</td>
			<td style="width:125px;">Esprimo P900</td>
			<td>Control computer for QMS</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">Triode extraction system</td>
			<td style="width:153px;">Workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Set of three ring electrodes to guide ions</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">MCP detector</td>
			<td style="width:153px;">Beam-Imaging-Solutions</td>
			<td style="width:125px;">BOS-75-FO</td>
			<td>MCP detector with phosphor sreen</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">DC voltage supply for MCP</td>
			<td style="width:153px;">Keithley Instruments</td>
			<td style="width:125px;">HV Supply 246</td>
			<td>Voltage supply for MCP front side</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">DC voltage supply for MCP</td>
			<td style="width:153px;">CMTE (NIM module)</td>
			<td style="width:125px;">HV 3160</td>
			<td>Voltage supply for MCP back side</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">DC voltage supply for MCP</td>
			<td style="width:153px;">Fluke</td>
			<td style="width:125px;">HV Supply 410B</td>
			<td>Voltage supply for phosphor sreen</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">CCD camera</td>
			<td style="width:153px;">PointGrey</td>
			<td style="width:125px;">FL2-14S3M-C</td>
			<td>CCD camera for image recording</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Control PC 3</td>
			<td style="width:153px;">Fujitsu</td>
			<td style="width:125px;">Esprimo P910</td>
			<td>Control computer for CCD camera</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">Light-tight housing</td>
			<td style="width:153px;">Workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Light tight wooden box for CCD camera</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Dewar for LN2 supply</td>
			<td style="width:153px;">Isotherm</td>
			<td style="width:125px;">unknown</td>
			<td>Dewar to provide dry nitrogen for venting</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:223px;">Evaporator for LN2</td>
			<td style="width:153px;">Workshop of LMU Munich</td>
			<td style="width:125px;">customized</td>
			<td>Evaporator to provide dry nitrogen</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Single anode MCP detector</td>
			<td style="width:153px;">Hamamatsu</td>
			<td style="width:125px;">F2223</td>
			<td>Single anode MCP for lilfetime measurement</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">DC voltage supply for MCP</td>
			<td style="width:153px;">Fluke</td>
			<td style="width:125px;">HV supply 410B</td>
			<td>Voltage supply for MCP anode</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Power supply for preamplifier</td>
			<td style="width:153px;">Delta Elektronika</td>
			<td style="width:125px;">E 030-1</td>
			<td>Power supply for preamplifier</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Preamplifier for MCP signals</td>
			<td style="width:153px;">Ortec&#160;</td>
			<td style="width:125px;">VT120A</td>
			<td>Preamplifier for MCP signals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Amplifier for MCP signals</td>
			<td style="width:153px;">Ortec (NIM module)</td>
			<td style="width:125px;">Ortec 571</td>
			<td>Amplifier for MCP signals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">CFD</td>
			<td style="width:153px;">Canberra</td>
			<td style="width:125px;">1428A</td>
			<td>Constant-fraction-discriminator for MCP signals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Multichannel Scaler</td>
			<td style="width:153px;">Stanford Research</td>
			<td style="width:125px;">SR 430</td>
			<td>Multichannel scaler for signal read-out</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Control PC 4</td>
			<td style="width:153px;">Fujitsu</td>
			<td style="width:125px;">Esprimo P920</td>
			<td>Control computer for scaler read-out</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Labview</td>
			<td style="width:153px;">National Instruments</td>
			<td style="width:125px;">various versions</td>
			<td>Program used for measurement control</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:223px;">Matlab</td>
			<td style="width:153px;">Mathworks Inc.</td>
			<td style="width:125px;">version 7.0</td>
			<td>Program used for data analysis</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparing an isotopically pure 229th ion beam for studies of 229mth

Una metodologia è descritta per generare un fascio iotopicamente puro di 229th ioni negli stati di carica di 2 e 3. Questo fascio di ioni permette di studiare lo stato isomerico basso di 229Th con un'energia di eccitazione di circa 7,8(5) eV e una durata radiativa fino a 104 secondi. Il metodo presentato ha permesso una prima identificazione diretta del decadimento del torio isomer, ponendo le basi per studiare le sue proprietà di decadimento come prerequisito per un controllo ottico di questa transizione nucleare. Gli ioni ad alta energia 229Th sono prodotti nel decadimento di una sorgente radioattiva 233U. Gli ioni sono termicamente in una cella di arresto del gas tampone, estratti e successivamente si forma una trave ionico. Questa trave ionico è di massa purificata da un separatore quadrupolo-massa per generare una trave ionico pura. Per rilevare il decadimento isomerico, gli ioni vengono raccolti sulla superficie di un rilevatore di piastre a microcanale, dove si osservano elettroni, come emessi nel decadimento di conversione interno dello stato isomerico.

Il metodo descritto prima consentiva l'estrazione di prodotti di decadimento da una fonte di decadimento a 233U collocata all'interno di una cella di arresto del gas tampone, azionata a circa 30 mbar di gas elio ultrapuro a temperatura ambiente. Per la prima volta fino a ioni carichi in viaggio potrebbe essere estratto da un tale dispositivo con alta efficienza29. La figura 3a mostra lo spettro di massa degli ioni estratti dalla cella buffer-gas, mostrando tre gruppi di 233prodotti U -decay (più addotti contaminanti di accompagnamento) in stati ionici carichi sugbrevi, dotribilmente e triplicemente. Degno di nota è il predominio di 229Th3 di estrazione rispetto a 233U3 ,mentre entrambe le specie sono estratte con circa la stessa intensità quando vengono doppiamente cariche. Questo fatto è stato utilizzato per misurazioni comparative con 233u ioni, che hanno permesso l'esclusione di qualsiasi impatto ionico come origine del segnale.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig3.jpg"> Figura 3 : Identificazione del decadimento diretto del isomerio 229-torio. a) Scansione di massa completa eseguita con la sorgente 233U 129. Le unità sono date come massa atomica (u) su carica elettrica (e). b) Confronto dei segnali MCP ottenuti durante l'accumulo di torio e uranio negli stati di carica di 2 e 3 (come indicato dalle frecce che collegano la scansione di massa). 233 (di cinità) tu e 234fonti U sono stati utilizzati (il numero di origine è dato sul lato destro di ogni riga). Ogni immagine corrisponde a una singola misura del tempo di integrazione di 2.000 s (20 mm di estensione indicata dal cerchio tratteggiato). Le misurazioni sono state eseguite a -25 V MMCP voltaggio superficiale al fine di garantire l'atterraggio morbido degli ioni. c) Segnale del decadimento isomerico 229Th ottenuto durante l'estrazione 229Th3 con sorgente 1. Si ottiene un diametro dell'area del segnale di circa 2 mm (FWHM). L'intensità massima del segnale ottenuta è0,08 conteggi/(s mm 2) a una velocità di fondo di circa 0,01 conteggi /(s mm2). Con gentile permesso di Springer Research 11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig3large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Dopo il trasporto, il raffreddamento e la separazione di massa, il fascio ionico incide sulla superficie di un rilevatore a microcanali, dove un basso potenziale superficiale assicura la soppressione dei segnali di impatto ionico e lascia solo gli elettroni derivanti dal rivelatore interno Conversione (IC) canale di decadimento del 229mTh isomer da moltiplicare nel forte campo elettrico dei canali piastra rivelatore. I segnali MCP risultanti ottenuti per tre diverse fonti di uranio sono visualizzati nella figura 3b. La specie iografica di ioni doppi o triplamente caricati che è stata selezionata con l'aiuto del separatore di massa quadrupolo in ogni singola misura è indicata dalle frecce del pannello superiore. Sono mostrate le immagini acquisite con la telecamera CCD dietro lo schermo del fosforo, su cui sono stati accelerati gli elettroni dell'MCP. Il campo visivo della telecamera CCD è indicato dai cerchi tratteggiati per le prime due colonne (le prime due colonne) e doppiamente caricate (ultime due colonne) rispettivamente 229Th e 233U ions. La riga superiore rappresenta il risultato ottenuto per una sorgente di 233U di piccola area (ca. 1000 estratta 229Th3 ioni al secondo, sorgente 1), mentre la riga inferiore mostra lo stesso per una fonte più forte con ca. 10.000 estratto 229Th3 ioni al secondo (fonte 3). È ovvio che in entrambi i casi si ottiene un segnale chiaro per 229Th, mentre non si osserva alcuna indicazione di un segnale elettronico per 233U 11. Al fine di dimostrare che questo segnale in effetti proviene da una deeccitazione nucleare e non da un processo di guscio atomico, la riga centrale mostra l'immagine della fotocamera risultante quando si utilizza una sorgente 234U, dove il decadimento di z popola l'isotopo vicino 230 Con una struttura nucleare elettronica, ma diversa, con una struttura nucleare comparabile. Come previsto per 230Th, nessuna indicazione di un segnale elettronico di conversione si trova in nessuno dei casi studiati. Così il segnale forte, visualizzato in Figura 3c con eccellente rapporto segnale-sfondo, è chiaramente correlato con il decadimento di 229mTh.
Ulteriori misurazioni di verifica per supportare questa interpretazione sono mostrate nella Figura 4. Essi mostrano due misurazioni per fornire ulteriori prove che i segnali elettronici registrati provengono effettivamente dal decadimento dell'isomere nucleare: nella figura 4a è dimostrato che il potenziale superficiale attraente del rivelatore MCP è stato variato da -100 V ( favorendo l'insorgenza di elettroni dall'impatto ionico fino a 0 V, confrontando i tassi di conteggio registrati con l'MCP per l'estrazione di 229Th2 e 233ioni U2 (blu). Chiaramente il tasso di conteggio scende a zero per 233U2 quando si realizza un 'atterraggio morbido' degli ioni in entrata con una tensione superficiale inferiore a ca. -40 V, mentre un tasso di conteggio considerevole rimane per 229Th2, fino alla soglia di 0 V. Nella Figura 4b,la curva blu mostra il tasso di conteggio degli elettroni registrato per gli ioni estratti dopo una forte accelerazione verso la superficie del rivelatore MCP con -2000 V. impatto ionico di 233U2 e 229Th2 ioni è osservato con circa la stessa intensità, come già dimostrato per gli ioni doppiamente caricati nello spettro di massa estratto della figura 3a. La curva rossa mostra lo stesso scenario, tuttavia ora per un "atterraggio morbido" di ioni in entrata con -25 V MCP potenziale di superficie. Nessuna indicazione del segnale di impatto ionico di 233U2 è più visibile, mentre per 229Th2 un segnale rimane, proveniente dal decadimento di conversione interna isomerico11.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig4.jpg"> Figura 4 : Misurazioni di verifica del decadimento Isomer. a) 229segnale Th2 o 2 (rosso) rispetto a 233U2 (blu) in funzione della tensione superficiale MCP. Gli errori sono indicati da bande ombreggiate. b) Segnale di ioni estratti in funzione del rapporto massa-carica dietro il QMS per le tensioni superficiali MCP di -25 V (decadimento isomere, rosso) e -2.000 V (impatto io, blu). Notare i diversi tempi di integrazione e le scale degli assi. Oltre al segnale a 114.5 u/e (corrispondente a 229Th2 '), si verifica un ulteriore segnale a 117.5 u/e, che ha origine dal decadimento iorico di 235U. Con gentile permesso di Springer Research11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig4large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Pertanto, può essere dimostrato in modo inequivocabile (insieme ad argomentazioni aggiuntive fornite nel riferimento 11) che il segnale osservato nella Figura 4 proviene dal decadimento iorico di 229mTh e rappresenta la prima identificazione diretta del deeccitazione di questo isomer sfuggente.
Successivamente l'estrazione-RFQ segmentata è stata azionata come una trappola lineare Paul per creare un fascio di ioni ammassati, consentendo così misurazioni a vita del torio isomer. Poiché il nostro vuoto elevato a temperatura ambiente non consente tempi di stoccaggio sufficientemente lunghi per studiare la durata radiativa prevista fino a 104 secondi, solo un limite inferiore di t1/2 > 1 minuto potrebbe essere derivato per carica 229mTh ioni, limitato dal tempo massimo di stoccaggio degli ioni raggiungibile nella trappola lineare Paul11. Tuttavia, utilizzando la stessa strategia di rilevamento applicata in precedenza per l'identificazione del decadimento isomere dopo la neutralizzazione degli ioni del torio sulla superficie di un rilevatore MCP, la durata prevista molto più breve per gli atomi neutri di 229mTh in fase di decadimento di conversione interno fornisce l'accesso alle informazioni sulla durata12. La figura 5a mostra la forma prevista dello spettro del tempo di decadimento come simulata per un gruppo di ioni con una larghezza dell'impulso di 10 s. Mentre la curva rossa indica il segnale di impatto ionico e il segnale da un decadimento esponenziale con 7 emivita è rappresentato dalla curva grigia con una lunga coda di decadimento, il segnale previsto dal decadimento del torio isomer, composto sia dall'impatto ionico che dall'e decadimento isomerico xponenazionale, è illustrato dalla curva blu. Nella figura 5b viene visualizzato il risultato della misura corrispondente rispettivamente per 233U3 (rosso) e 229Th3 (blu). Mentre gli ioni di uranio mostrano solo il loro segnale di impatto ionico, per 229-thorium chiaramente la coda di decadimento previsto del decadimento isomero può essere osservata12.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig5.jpg"> Figura 5 : caratteristiche simulate e misurate dell'impatto e del decadimento temporale degli ioni. a) Simulazione delle caratteristiche del tempo di decadimento isomere di 229Th mazze. La simulazione si basa su una forma misurata di grappoli e sull'ipotesi che il 2 % dei 229ioni 229Th si trovi nello stato isomerico con un'emivita di 7 s dopo la neutralizzazione. Si presume che l'efficienza di rilevazione degli elettroni sia 25 volte superiore all'efficienza di rilevamento degli ioni. b) Misurazione del decadimento isomerico con un fascio di ioni di 229(m)a grappolo di 229(m) Th3o (blu). Una misurazione comparativa con 233U3 è mostrata in rosso. Con gentile permesso dell'American Physical Society12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig5large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Il montaggio della coda di decadimento con un'inquadramento esponenziale (corrispondente ad una composizione lineare alla rappresentazione logaritmica nella Figura 6) si traduce infine in un'emivita del neutro isomero 229mTh di 7(1) - s12. Questo valore è ben concordato con la riduzione teoricamente prevista della durata prevista di nove ordini di grandezza rispetto al ca. 104 secondi in caso di isomer caricato a causa del coefficiente di conversione elevato di10 937. 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig6.jpg"> Figura 6 : Adatta a 229m La curva di decadimento. Grafico logaritmico delle caratteristiche di decadimento temporale per 229(m)Th2o ioni (a) e 229(m)Th3 ioni (b) insieme a una curva di adattamento applicata per estrarre l'emivita isomerica di 229mTh dopo la ricombinazione della carica su la superficie del rivelatore MCP. Con gentile permesso dell'American Physical Society12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig6large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

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Preparing an Isotopically Pure 229Th Ion Beam for Studies of 229mTh

Vi presentiamo un protocollo per la generazione di un fascio ionico 229Th a bassa energia purificato isotopicamente da una fonte di 233U. Questo fascio di ioni viene utilizzato per il rilevamento diretto del decadimento dello stato del suolo di 229mTh tramite il canale di decadimento di conversione interna. Misuriamo anche la durata di conversione interna di 229mth pure.

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

A methodology is described to generate an isotopically pure 229Th ion beam in the 2+ and 3+ charge states. This ion beam enables one to investigate the ...

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.

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Preparing an Isotopically Pure 229Th Ion Beam for Studies of 229mTh

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