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

Este trabajo fue apoyado por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de Subvención No 664732 "nuClock", por la subvención de DFG Th956/3-1, y por el departamento de Física Médica de la LMU a través del Maier-Leibnitz-Laboratory.

Los autores no tienen nada que revelar.

El rango de retroceso de los núcleos de la hija de descomposición en el uranio asciende a sólo unos 16 nm. Con el fin de lograr una alta eficiencia de la fuente para los iones de retroceso para una actividad de origen determinada, es obligatorio limitar el espesor del material de origen a este rango. La eficiencia de extracción de retroceso se ve fuertemente afectada por la limpieza de la célula de gas tampón. Las contaminaciones del gas de parada conducirán al intercambio de carga o a la formación de moléculas. Por lo tanto, la propia célula de gas tiene que ser construida de acuerdo con estándares de vacío ultra-alto, en particular para permitir una cocción de la célula y evitar cualquier material orgánico en el interior. El gas de parada debe purificarse de acuerdo con el estado técnico de la técnica, a partir de la pureza de gas de mayor grado asistida por la purificación catalítica y la entrega a la célula de gas a través de una línea de suministro de gas ultralimpia, parcialmente rodeada por una trampa criogénica para congelar las impurezas. En general, la alineación cuidadosa del eje central de la configuración completa a la posición de la boquilla de extracción de células de gas es esencial para lograr una alta eficiencia de transporte y detección29.
El paso 1.4.5 es el más crítico del protocolo. Para la extracción eficiente de iones, se debe aplicar una alta amplitud de RF al electrodo de anillo de embudo. Sin embargo, si la amplitud se elige demasiado alta, se producirán chispas en la célula de gas. La amplitud máxima de voltaje RF alcanzable depende críticamente de la pureza del gas tampón. Una aplicación exitosa de la tensión se monitorea a través de la corriente de la tensión de desplazamiento del embudo. Esta corriente aumentará en el caso de chispas. Si se han producido chispas, el procedimiento de bake-out debe repetirse para garantizar la máxima eficiencia de extracción de iones.
Otro punto crítico es la aplicación de los altos voltajes al detector MCP (pasos 1.6.2-1.6.4). Las emisiones de campo pueden ocurrir en el MCP, lo que conduce a la emisión de electrones que pueden conducir a señales artefactofactuales.
La extracción óptima de iones y el transporte (refrigerado y purificado en masa) hacia la unidad de detección requieren una alineación cuidadosa del eje óptico central. La disponibilidad de un sistema de alineación óptica (láser de alineación o teodolita) es esencial. El transporte iónico eficiente a través de la RFQ de extracción y el QMS requiere una estabilización continua de las amplitudes de radiofrecuencia para las dos fases opuestas aplicadas a cada par opuesto de varillas29. La identificación de los problemas de extracción o transporte puede facilitarse mediante un diagnóstico iónico realizado, por ejemplo, a través de un detector de placas multicanal colocado ya sea consecutivamente en diferentes posiciones a lo largo de la trayectoria iónica durante la fase de puesta en marcha de la configuración, o alternativamente, por ejemplo, por debajo de 90o detrás de la RFQ de extracción con un alto voltaje negativo de la superficie (1-2 kV) para atraer todos los iones extraídos hacia el detector.
Durante el funcionamiento normalmente pueden surgir dos problemas. No todos los voltajes se aplican correctamente. En este caso por lo general no se extraen iones, y uno tiene que encontrar el lugar de voltaje no aplicado correctamente. Además, las impurezas están presentes en el gas tampón de helio. En este caso, la eficiencia de extracción de iones de torio cargados triply se reducirá drásticamente y se producirá la formación de moléculas. En el peor de los casos, incluso las chispas aparecerán cuando se aplique la tensión del embudo. La razón de la pureza insuficiente del gas es típicamente una fuga en la línea de suministro de gas o una brida no debidamente cerrada de la celda de parada de gas tampón.
El método descrito para generar un haz limpio de iones que contiene el isómero de 229mTh de 229m energéticamente bajo se puede aplicar a todos los casos comparables en los que el ion de interés se puede extraer de la atmósfera de gas tampón en cantidades considerables. La limpieza de la célula de gas y el gas tampón es obligatoria, por lo que la cantidad de impurezas de gas restantes es una limitación a la sensibilidad del método. Mientras que el detector de placas microcanal (MCP) empleado se basa en la detección de electrones, como se explota aquí para el registro de electrones de conversión de baja energía, este caso ya se encuentra en el borde de baja energía de la curva de eficiencia para MCPs38, mientras que para las energías más altas el método ganaría significativamente en la eficiencia de detección.
Hasta ahora, el método descrito ha proporcionado la única identificación directa e inequívoca de la desexcitación del isómero de torio. Alternativamente, los cristales ultra-violetas (VUV) transparentes de vacío (con grandes huecos de banda, superando la supuesta energía de excitación del isómero) se dopaden con 229Th. El objetivo es colocar 229th iones en alto (4+) estado de carga de posiciones de celosía cristalina, inhibir la desexcitación por la brecha de banda grande y apuntar a una excitación del isómero utilizando rayos X de fuentes de luz sincrotrón. A pesar del concepto elegante de este enfoque, hasta el momento no se pudo observar fluorescencia VUV en una serie de experimentos reportados por varios grupos en todo el mundo39,40,41,42,43 . Lo mismo ocurre con una clase de experimentos que tiene como objetivo realizar la excitación nuclear del isómero a través de la cáscara de electrones de 229Th, utilizando una llamada transición de puente de electrones. Aquí un acoplamiento resonante entre una transición de la cáscara de electrones y el isómero nuclear debe permitir una población de isómeros más eficiente44,45. Otros experimentos que apuntan a la investigación de las propiedades isoméricas se basan en la microcalorimetría46 o la observación del hipercambio en la cáscara atómica47. Recientemente se informó de otro método para excitar el isómero en un plasma inducido por láser48 y está sujeto a discusión científica dentro de la comunidad.
El descubrimiento del canal de descomposición de conversión interna del isómero de torio11 y la determinación de la vida media correspondiente de 229mTh neutro (7(1) s)12 pueden ser explotados en el futuro para realizar una primera vida media tofáloga excitación con un láser VUV pulsado y ajustable basado en la tecnología ya existente. Por lo tanto, el paradigma actual de que esto requeriría un mejor conocimiento de la energía de excitación y un correspondiente desarrollo láser personalizado puede ser eludido. Por el contrario, explotar el conocimiento de la emisión interna de electrones de conversión, la detección de electrones de conversión con el pulso láser proporcionará una alta relación señal-fondo, al tiempo que permite un escaneo de 1 eV de energía de excitación en menos de 3 días49. Por otra parte, una determinación de la energía de excitación del isómero, todavía en curso, puede basarse en el método descrito de generación del haz de 229mTh mediante el envío de electrones de decaimiento IC en un espectrómetro de electrones de botella magnética con retardo rejillas de electrodos de campo50. La misma técnica también permitirá determinar la vida útil isomérica para diferentes entornos químicos (por ejemplo, en materiales grandes de banda-brecha como CaF2 o argón congelado) o en 229Th+, así como en el átomo libre y neutro.
El método descrito de generación de un haz de iones de torio isótopoticamente puro de 3+ estado de carga se puede utilizar como una herramienta para proporcionar iones de torio para futuros experimentos de espectroscopia láser. En este caso, el haz iónico se puede utilizar para cargar una trampa Paul de una manera estable y eficiente. Hasta ahora, el único método alternativo es producir 229Th3+ por ablación láser de un objetivo sólido. Esto, sin embargo, requiere altas intensidades láser y una gran cantidad de 229Th, que es un material radiactivo caro y conduce a la contaminación de los componentes de vacío utilizados. Por esta razón, el método descrito puede ser de ventaja significativa cuando se trata de experimentos de espectroscopia láser nuclear. Ya se ha publicado una primera aplicación de este tipo51.

El primer estado metastable excitado en el núcleo de torio-229, denotado como 229mTh, exhibe una posición especial en el paisaje nuclear, ya que posee la energía de excitación nuclear más baja de todos los actualmente conocidos alrededor de 176,000 estados excitados nucleares. Mientras que las energías nucleares típicas van desde keV hasta la región MeV, 229mTh posee una energía de menos de 10 eV por encima del estado de tierra nuclear1,2,3. El valor de energía más aceptado actualmente para este estado es 7.8(5) eV4,5. Este bajo valor energético ha suscitado interés por diferentes comunidades físicas y ha llevado a la propuesta de varias aplicaciones interesantes. Entre ellos se encuentran un láser nuclear6, un qubit altamente estable para la computación cuántica7 y un reloj nuclear8,9.
La razón por la que se espera que 229mTh ofrezca una amplia variedad de aplicaciones se basa en el hecho de que, debido a su extraordinaria baja energía, es el único estado nuclear que podría permitir la excitación láser nuclear directa utilizando el láser disponible actualmente Tecnología. Hasta ahora, sin embargo, la excitación láser nuclear directa de 229mTh se vio prevenida por el conocimiento insuficiente de los parámetros del estado metátable, como su energía y vida útil precisas. Aunque la existencia de un estado excitado nuclear de baja energía en 229Th ya fue conjeturada en 197610, todo conocimiento sobre este estado sólo podía deducirse de mediciones indirectas, no permitiendo una determinación precisa de su descomposición Parámetros. Esta situación ha cambiado desde 2016, cuando la primera detección directa de la descomposición de 229mTh abrió la puerta a una multitud de mediciones con el objetivo de fijar los parámetros del estado excitado11,12. Aquí, se proporciona un protocolo detallado, que describe los pasos individuales necesarios para una detección directa de 229mTh como se logró en el experimento de 2016. Esta detección directa proporciona la base para una determinación precisa de la energía y la vida útil de 229mTh y, por lo tanto, para el desarrollo de un reloj nuclear. A continuación se discutirá el concepto de reloj nuclear como la aplicación más importante para 229mTh.
Con un ancho de línea relativo de e/E-10-20, la transición de estado de tierra del isómero de torio puede ser potencialmente un estándar de frecuencia nuclear («reloj nuclear»)8,9. Debido a un núcleo atómico de aproximadamente 5 órdenes de magnitud más pequeña en comparación con la cáscara atómica, los momentos nucleares (dipolo magnético y cuadrúpolo eléctrico) son por lo tanto más pequeños que los de los átomos, lo que hace que un reloj nuclear sea en gran medida inmune a perturbaciones (en comparación con los relojes atómicos actuales). Por lo tanto, un estándar de frecuencia nuclear promete un funcionamiento de reloj altamente estable y preciso. Aunque la precisión alcanzada en los mejores relojes atómicos presentes alcanza aproximadamente 2.1x10-1813, correspondiente a una desviación de 1 segundo en un período de tiempo considerablemente más largo que la edad del universo, los relojes nucleares tienen el potencial de un mejora que podría llegar a ser esencial para un vasto campo de aplicaciones. Los sistemas de navegación por satélite como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), el Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS) o Galileo actualmente funcionan con una precisión de posicionamiento de unos pocos metros. Si esto pudiera mejorarse a una escala de centímetro o incluso milímetros, se podría prever una gran cantidad de aplicaciones, desde la conducción autónoma hasta el seguimiento de carga o componentes. Además de los relojes de alta precisión, estos sistemas requerirían un funcionamiento ininterrumpido fiable, con estabilidad de deriva a largo plazo que asegura intervalos de resincronización largos. El uso de relojes nucleares podría resultar beneficioso desde este punto de vista práctico. Otras aplicaciones prácticas de (redes sincronizadas de) relojes nucleares podrían estar en el campo de la geodesía relativista14,donde el reloj actúa como un sensor de gravedad 3D, relacionando las diferencias de potencial gravitacional local -U a medida (relativa) diferencias de frecuencia de reloj a través de la relación f/f-U/c2 (c que indica la velocidad de la luz). Los mejores relojes presentes son capaces de realizar cambios gravitacionales a partir de diferencias de altura de aproximadamente 2 cm. Por lo tanto, las mediciones ultraprecisas utilizando una red de reloj nuclear podrían utilizarse para monitorear la dinámica de las cámaras de magma volcánica solosicas o los movimientos de placas tectónicas15. Además, se propuso el uso de estas redes de reloj como herramienta para buscar la clase teóricamente descrita de materia oscura topológica16. En la literatura se puede encontrar una amplia discusión sobre la aplicación de un reloj nuclear basado en La Th de 229men la búsqueda de la detección de posibles variaciones temporales de constantes fundamentales como la constante de estructura fina o la fuerte interacción parámetro (mq/ QCD , con mq que representa la masa del quark yQCD el parámetro de escala de la interacción fuerte), sugerido en algunas teorías unificando la gravedad con otras interacciones17. La detección de una variación temporal en la energía de transición de estado terrestre de 229mTh puede proporcionar una sensibilidad mejorada en aproximadamente 2-5 órdenes de magnitud para las variaciones temporales de la constante de estructura fina o el parámetro de interacción fuerte 18,19,20,21,22,23,24,25,26. El límite experimental actual para tal variación de á asciende a (d./dt)/-0,7(2,1)10-17/año27. A continuación se describirá el siguiente enfoque experimental para la detección directa de la decadencia del estado tierra de 229mTh.
Las pruebas de la existencia del isómero de 229-torio hasta hace poco sólo podían deducirse de mediciones indirectas, lo que sugiere una energía de excitación de 7.8(5) eV (equivalente a una longitud de onda en el rango espectral ultra-violeta de vacío de 160(11) nm)4 , 5. Nuestro enfoque experimental, con el objetivo de identificar directamente la desexcitación isómero de estado terrestre isomio isomerico de 229mTh, se basa en una separación espacial de la población isómero en una célula de parada de gas tampón, seguida de una extracción, y transporte separado en masa hacia una unidad de detección adecuada para registrar los productos de desexcitación28,29. Por lo tanto, la población y la desexcitación del isómero pueden ser desenredadas, lo que resulta en un ambiente de medición limpio, no afectado por contribuciones rápidas de fondo. La población del isómero se logra a través de la descomposición de la é de una fuente radiactiva de 233U, donde una rama de descomposición del 2% procede no directamente al estado del suelo de 229Th, sino que puebla el estado isomerico de primera excitación en su lugar. Los núcleos de retroceso de la decaimiento de la decaimiento se térmican en una atmósfera de helio ultrapura de una célula de parada de gas tampón, antes de ser guiados por campos de radiofrecuencia eléctrica (RF) y corriente directa (DC) hacia una boquilla de extracción, donde el chorro de gas supersónico emergente arrastra en una cámara de vacío adyacente, que alberga una estructura (segmentada) de cuadrúpolo de radiofrecuencia (RFQ) que actúa como guía iónica, enfriador de espacio de fase y potencialmente también como trampa lineal Paul para amontojar los iones extraídos. Para obtener una descripción detallada de la celda de parada de gas tampón y la solicitud de presupuesto de extracción, consulte Refs. 30 , 31 , 32. Dado que hasta ese momento la viga iónica extraída contiene además de 229(m)Th también la cadena de productos hijas de descomposición, la separación de masa se realiza utilizando un separador de masa cuadrúpolo (QMS) en una cámara de vacío posterior para finalmente generar un haz de 229(m)Th isótopoticamente puro en estados de carga seleccionables (q-1-3). Puede encontrar una descripción detallada del QMS en Refs. 33 , 34. La detección de la descomposición isomérica se logró al afectar los iones Th directamente en la superficie de un detector de placas microcanal (MCP), donde los electrones son liberados, acelerados hacia una pantalla de fósforo y vistos por un dispositivo acoplado a la carga (CCD) Cámara. En la Figura 1se muestra una descripción general de la configuración experimental. En la referencia35.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig1.jpg"> Figura 1: Descripción general de la configuración experimental. El isómero de torio-229 se puebla a través de la rama de descomposición del 2% en la descomposición del uranio-233. 229m Los iones, que salen de la fuente de 233U debido a su energía de retroceso cinético, se térmican en una célula de parada de gas tampón llena de gas helio de 30 mbar. Los iones se extraen del volumen de parada con la ayuda para los campos RF y DC y se forma un haz de iones de baja energía con la ayuda de un cuadrúpolo de radiofrecuencia (RFQ). El haz de iones se purifica en masa con la ayuda de un separador de masa cuadrúpeco (QMS) y los iones se implantan suavemente en la superficie de un detector de placa microcanal (MCP) combinado con una pantalla de fósforo que permite la detección espacialdeo de cualquier señales que ocurren. Con el permiso amable de Springer Research, esta figura ha sido modificada a partir de11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
El siguiente protocolo describe el procedimiento subyacente para generar el haz de iones 229(m)Th que permitió la primera detección directa de la decadencia del estado del suelo del isómero de torio, sentando así las bases para estudiar sus propiedades de descomposición como requisito previo del control totodoóptico finalmente previsto de este exótico estado nuclear hacia su aplicación como norma de frecuencia nuclear ultraprecisa. Para una mejor orientación, se proporciona una visión general esquemática de la configuración utilizada para la detección directa de la descomposición isomérica11, que contiene un etiquetado numérico de los componentes abordados en el protocolo siguiente. También los componentes utilizados para la determinación de vida útil12 se contienen como un reintegro.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig2.jpg"> Figura 2: Boceto esquemático de la configuración experimental utilizada para la detección de descomposición isomérica. Los componentes utilizados para la medición de la vida útil se muestran como un reintegro. Los componentes individuales a los que se hará referencia en la sección de protocolo se etiquetan numéricamente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta 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

Se describe una metodología para generar un haz de iones 229Th isótopoticamente puro en los estados de carga 2+ y 3+. Este haz iónico permite investigar el estado de primer excitado isosórico de baja altura de 229Th a una energía de excitación de aproximadamente 7.8(5) eV y una vida útil radiativa de hasta 104 segundos. El método presentado permitió una primera identificación directa de la decadencia del isómero de torio, sentando las bases para estudiar sus propiedades de descomposición como requisito previo para un control óptico de esta transición nuclear. Los iones de alta energía 229Th se producen en la descomposición de una fuente radiactiva de 233U. Los iones se térmican en una celda de parada de gas tampón, se extrae y posteriormente se forma un haz de iones. Este haz de iones es purificado en masa por un separador de masa cuadrúpedo para generar un haz de iones puro. Con el fin de detectar la descomposición isomérica, los iones se recogen en la superficie de un detector de placas de microcanal, donde se observan los electrones, tal como se emiten en la decadencia de conversión interna del estado isomérico.

El método descrito anteriormente permitió la extracción de productos de descomposición de la uedesunta de una fuente de 233U colocada dentro de una célula de parada de gas tampón, operado a unos 30 mbar de gas helio ultrapuro a temperatura ambiente. Por primera vez hasta iones cargados triplicados podrían ser extraídos de un dispositivo de este tipo con alta eficiencia29. La Figura 3a muestra el espectro de masa de iones extraídos de la célula de gas tampón, mostrando tres grupos de productos de 233U-decay (más aductos contaminantes que lo acompañan) en estados iónicos por separado, doblemente y triplicados. Cabe destacar el dominio de 229Th3+ extracción en comparación con 233U3+,mientras que ambas especies se extraen con aproximadamente la misma intensidad cuando se cargan doblemente. Este hecho se utilizó para mediciones comparativas con 233iones U, lo que permitió la exclusión de cualquier impacto iónico como origen de la señal.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig3.jpg"> Figura 3 : Identificación de la descomposición directa del isómero de 229-torio. a) Escaneo de masa completo realizado con la fuente 233U 129. Las unidades se dan como masa atómica (u) sobre carga eléctrica (e). b) Comparación de señales MCP obtenidas durante la acumulación de torio y uranio en los estados de carga 2+ y 3+ (según lo indicado por las flechas que enlazan con el escaneo en masa). 233 usted y 234fuentes U fueron utilizadas (el número de fuente se da en el lado derecho de cada fila). Cada imagen corresponde a una medida individual de 2.000 s de tiempo de integración (apertura de 20 mm de diámetro indicada por el círculo discontinuo). Las mediciones se realizaron a una tensión superficial MCP de -25 V para garantizar el aterrizaje suave de los iones. c) Señal de la decadencia isomérica 229Th obtenida durante la extracción 229Th3+ con fuente 1. Se logra un diámetro de área de señal de aproximadamente 2 mm (FWHM). La intensidad máxima de la señal obtenida es 0,08 recuentos/(s mm2) a una velocidad de fondo de aproximadamente 0,01 recuentos /(s mm2). Con permiso amable de Springer Research 11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Después del transporte, enfriamiento y separación de masa, el haz iónico afecta a la superficie de un detector de placas microcanal, donde un bajo y atractivo potencial superficial asegura la supresión de las señales de impacto iónicas y deja sólo electrones que surgen de la Canal de descomposición de conversión (IC) del isómero 229mTh que se multiplicará en el campo eléctrico fuerte de los canales de la placa detectora. Las señales MCP resultantes obtenidas para tres fuentes de uranio diferentes se muestran en la Figura 3b. La especie iónial de iones cargados doblemente o triplicantemente que fue seleccionada con la ayuda del separador de masa cuadrúpolo en cada medida individual se indica por las flechas del panel superior. Se muestran imágenes adquiridas con la cámara CCD detrás de la pantalla de fósforo, en las que se aceleraron los electrones del MCP. El campo de visión de la cámara CCD se indica mediante los círculos discontinuos para los iones triplicados (primeras dos columnas) y doblemente cargados (las dos últimas columnas) 229Th y 233U, respectivamente. La fila superior representa el resultado obtenido para una fuente de 233U de área pequeña (ca. 1000 extraídos 229Th3+ iones por segundo, fuente 1), mientras que la fila inferior muestra lo mismo para una fuente más fuerte con alrededor de 10,000 extraídos 229 Th 3+ iones por segundo, fuente 1), mientras que la fila inferior muestra lo mismo para una fuente más fuerte con alrededor de 10,000 extraídos 229Th3+ iones por segundo (fuente 3). Es obvio que en ambos casos se obtiene una señal clara para 229Th, mientras que no se observa ninguna indicación de una señal de electrones para 233U 11. Con el fin de probar que esta señal de hecho se origina a partir de una desexcitación nuclear y no de un proceso de concha atómica, la fila central muestra la imagen de la cámara resultante cuando se utiliza una fuente de 234U, donde la descomposición de la parte -rellena el isótopo vecino 230 Th, con una estructura nuclear electrónica comparable, pero diferente. Como se esperaba para 230Th, no se encuentra ninguna indicación de una señal de electrones de conversión en ninguno de los casos estudiados. Por lo tanto, la señal fuerte, que se muestra en la Figura 3c con una excelente relación señal-fondo, está claramente correlacionada con la decadencia de 229mTh.
En la Figura 4se muestran mediciones de verificación adicionales para respaldar esta interpretación. Muestran dos mediciones para dar más evidencia de que las señales de electrones registradas efectivamente se originan a partir de la descomposición del isómero nuclear: en la Figura 4a se muestra que el atractivo potencial superficial del detector MCP fue variado de -100 V ( favoreciendo la aparición de electrones de impacto iónico) hasta 0 V, comparando las tasas de recuento registradas con el MCP para los iones extraídos 229Th2+ (rojo) y 233U2+ (azul). Claramente la tasa de recuento baja a cero para 233U2+ al realizar un 'aterrizaje suave' de los iones entrantes con una tensión de superficie por debajo de ca. -40 V, mientras que una tasa de recuento considerable se mantiene para 229Th2+ hasta el umbral de 0 V. En la Figura 4b, la curva azul muestra la velocidad de recuento de electrones registrada para iones extraídos después de una fuerte aceleración hacia la superficie del detector MCP con -2000 V. Impacto iónico de 233U2+ y 229Th2+ iones se observa con aproximadamente la misma intensidad, como ya se muestra para los iones doblemente cargados en el espectro de masa extraído de la Figura 3a. La curva roja muestra el mismo escenario, sin embargo ahora para un "aterrizaje suave" de iones entrantes con un potencial de superficie MCP de -25 V. Ya no hay indicación de la señal de impacto iónico de 233U2+, mientras que para 229Th2+ queda una señal, originada por la decaimiento de la conversión interna isomérica11.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig4.jpg"> Figura 4 : Mediciones de verificación de la descomposición del isómero. a) 229Th2+ señal (roja) en comparación con 233U2+ (azul) en función de la tensión de superficie MCP. Los errores se indican mediante bandas sombreadas. b) Señal de iones extraídos en función de la relación masa-carga detrás del QMS para voltajes de superficie MCP de -25 V (decaimiento del isómero, rojo) y -2.000 V (impacto iónico, azul). Tenga en cuenta los diferentes tiempos de integración y escalas de eje. Además de la señal en 114.5 u/e (correspondiente a 229Th2+), se produce una señal adicional a 117.5 u/e, que se origina a partir de la decadencia isomérica de 235U. Con permiso amable de Springer Research11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Por lo tanto, puede probarse inequívocamente (junto con argumentos adicionales dados en la Referencia 11) que la señal observada en la Figura 4 se origina a partir de la decadencia isoérica de 229mTh y representa la primera identificación directa de la desinformación de este isómero esquino.
Posteriormente, la extracción-RFQ segmentada se operó como una trampa lineal de Paul para crear un haz de iones agrupado, permitiendo así mediciones de por vida del isómero de torio. Dado que nuestro alto vacío a temperatura ambiente no permite tiempos de almacenamiento suficientemente largos para investigar la vida útil radiativa esperada de hasta 104 segundos, sólo un límite inferior de t1/2 > 1 minuto podría derivarse para carga de 229mTh Th iones, limitado por el tiempo máximo de almacenamiento de iones alcanzable en la trampa lineal Paul11. Sin embargo, utilizando la misma estrategia de detección aplicada antes para la identificación de la descomposición isómero después de la neutralización de los iones de torio en la superficie de un detector MCP, la vida útil mucho más corta esperada para los átomos neutros de 229mTh el deterioro de la conversión interna proporciona acceso a la información de por vida12. La Figura 5a muestra la forma esperada del espectro de tiempo de decaimiento simulado para un racimo de iones con un ancho de pulso de 10 s. Mientras que la curva roja indica la señal de impacto iónico y la señal de una decadencia exponencial con una vida media de 7 s está representada por la curva gris con una larga cola de descomposición, la señal esperada de la decadencia del isómero de torio, compuesta tanto por el impacto iónico como por la e decaimiento isomérico xfijol, se ilustra con la curva azul. La Figura 5b muestra el resultado de la medición correspondiente para 233U3+ (rojo) y 229Th3+ (azul), respectivamente. Mientras que los iones de uranio sólo exhiben su señal de impacto iónico, para 229-thorium claramente se puede observar la cola de descomposición esperada de la descomposición isómero12.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig5.jpg"> Figura 5 : Simulado y medido de las características de impacto y descomposición de iones temporales. a) Simulación de las características del tiempo de decaimiento isómero de 229Th bunches. La simulación se basa en una forma de racimo medida y la suposición de que el 2 % de los iones 229Th están en estado isomérico con una vida media de 7 s después de la neutralización. Se supone que la eficiencia de detección de electrones es 25 veces mayor que la eficiencia de detección de iones. b) Medición de la descomposición isomérica con un haz de iones de 229(m)Th3+ agrupado (azul). Una medida comparativa con 233U3+ se muestra en rojo. Con amable permiso de la Sociedad Física Estadounidense12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
El ajuste de la cola de descomposición con un ajuste exponencial (correspondiente a un ajuste lineal a la representación logarítmica en la Figura 6) finalmente da como resultado una vida media del isómero neutro de 229mTh de 7(1) s12. Este valor está muy bien de acuerdo con la reducción de la vida útil teóricamente esperada en nueve órdenes de magnitud a partir de los 104 segundos de aprox. en el caso del isómero cargado debido al gran coeficiente de conversión deic 109 37.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58516/58516fig6.jpg"> Figura 6 : Apto para 229m Curva de descomposición. Gráfica logarítmica de las características de descomposición temporal para 229(m)Th2+ iones (a) y 229(m)Th3+ iones (b) junto con una curva de ajuste aplicada para extraer la vida media isomérica de 229mTh después de la recombinación de carga en la superficie del detector MCP. Con amable permiso de la Sociedad Física Estadounidense12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58516/58516fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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

Presentamos un protocolo para la generación de un haz de iones 229Th purificado isotópicamente de una fuente de 233U. Este haz de iones se utiliza para la detección directa de la decadencia del estado de tierra de 229mTh a través del canal de descomposición de conversión interna. También medimos la vida útil de la conversión interna de 229mTh también.

Preparación de un haz de iones isótopológicos de 229Th para estudios de 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 ...

Este método describe la producción de un haz de iones de torio isotópicamente puro después de la descomposición alfa de uranio-233. La principal ventaja de esta técnica es que nos permite estudiar iones Thorium-229 en un estado de baja energía con excitación nuclear que es relevante para el desarrollo de clubes nucleares. Demostrando el procedimiento estará Ines Amersdorffer, un estudiante de nuestro laboratorio.Una fuente de uranio-233 se monta en esta configuración para crear un haz de iones Torio-229 isotópicamente puro. La cámara de vacío ha sido evacuada y horneada para prepararse para el experimento. La configuración está detrás de la electrónica utilizada para monitorear y controlar el sistema.Los investigadores interactúan con la electrónica principalmente a través de computadoras que también recogen y muestran los datos. Este esquema de corte representa elementos del aparato. Considere los pasos de la generación de los isómeros Thorium-229 y la célula de parada de gas tampón para detectarlos con una cámara CCD.Un Becquerel de 290 kilos, gran área de origen de uranio-233 produce los núcleos de torio-229 de descomposición alfa, incluyendo el 2% de los isómeros de estado de primera excitación. Los núcleos de torio rápidos escapan de la fuente y se térmican en una célula de parada de gas amortiguado de atmósfera de helio ultrapura. A continuación se encuentran con un sistema de embudo eléctrico.Su radiofrecuencia y sus campos eléctricos de corriente directa los guían hacia una boquilla de extracción. El chorro de gas supersónico de la boquilla lleva los núcleos a una cámara de vacío con una estructura cuadrúpeda de radiofrecuencia. La estructura actúa como una guía de iones, el espacio de la cara más fresco y potencialmente una trampa de poste.La siguiente cámara de vacío tiene un separador de masa cuadrúpedo para aislar el torio-229 isotópicamente puro en estados de carga seleccionables. Un sistema de electrodos triódicos con electrodos de tres anillos enfoca los iones en el detector. La interacción con un detector de placas de microcanal, hace que los iones meta estables se decaen y libere electrones que se multiplican y detectan en una pantalla de fósforo con la cámara CCD.Este es un esquema seccional transversal de la cámara de vacío y el equipo asociado. Comience el experimento iniciando el purificador de gas catalítico y esperando 20 minutos para que alcance su temperatura de funcionamiento. A continuación, asegúrese de que la válvula de derivación esté cerrada antes de abrir el cilindro de gas helio.Abra la válvula reductora de presión hasta que se mida una presión de aproximadamente 0,5 bar. A continuación, abra la válvula desde el reductor de presión hasta el tubo de gas. Abra el control de flujo de gas estableciendo una presión de celda de 32 milibares.Enjuague el tubo de gas durante unos 10 minutos. A continuación, cierre la válvula que conecta el reductor de presión al tubo de gas y espere unos minutos mientras se retira el helio. Para un gas de mayor pureza-buffer llenar la criotrapa con nitrógeno líquido.Establezca la válvula de compuerta entre la célula de gas tampón y su bomba turbo molecular para funcionar a distancia y, a continuación, cierre la válvula de compuerta de forma remota. Abra la válvula que conecta el reductor de presión al tubo de gas. En este punto, la célula de parada de gas tampón se llena con alrededor de 30 milivares de gas helio.La presión de la cámara cuadrúpeda de radiofrecuencia es de aproximadamente 10 a menos cuatro milibares. La presión de la cámara separadora de masa del cuadrúpedo es de aproximadamente 10 a la menos cinco milibar. Ajuste la velocidad rotativa de la bomba molecular turbo conectada a la cámara de vacío RFQ para ajustar una presión ambiental de 10 a menos dos milibares.Este esquema actualizado incluye representaciones del equipo necesario para aplicar los campos eléctricos guía. Utilice una fuente de voltaje de CC para aplicar un potencial de CC a la fuente de uranio. A continuación, prepare el sistema de electrodos de embudo segmentado.Con la fuente de alimentación de CC y una fuente de desplazamiento de CC de 24 canales, aplique un gradiente potencial de CC de cuatro voltios por centímetro y un desplazamiento de tres voltios. Aplique un potencial de CC de unos dos voltios a la boquilla de extracción. Siga esto aplicando los potenciales de CC al cuadrúpedo de radiofrecuencia de extracción segmentada de 12 voltios.Cree el degradado con la fuente de desplazamiento de CC de 24 canales. Los voltajes para cada uno de los 12 segmentos del cuadrúpedo se pueden aplicar individualmente. Aplique 1,8 voltios al segmento más cercano a la boquilla de extracción.Paso sabio, disminuya los voltajes en los segmentos subsiguientes en 0.2 voltios para lograr un gradiente de CC de 0.1 voltios por centímetro. Ahora, utilice un generador de funciones y un amplificador de RF lineal para aplicar una frecuencia de aproximadamente 850 kilohercios, 220 voltios de amplitud pico a pico al sistema de electrodos de anillo de embudo. Con otro generador de frecuencia y dos amplificadores de RF, aplique una amplitud de 880 kilohercios, 120 a 250 voltios pico a pico a la frecuencia de extracción cuadrúpela de radiofruta y el electrodo de agrupamiento individual.Al aplicar la tensión DE RF a los electrodos de anillo de embudo, si el gas tampón de helio no es lo suficientemente puro, se producirán chispas en la célula de parada de gas tampón. En este caso, interrumpe el procedimiento y realiza bake-out durante un día para volver a obtener la eficiencia de extracción completa. Utilice una fuente de tensión de CC para aplicar un potencial de menos un voltio al electrodo de extracción del cuadrúpeo de radiofrecuencia de extracción.Ajuste la tensión de desplazamiento del separador de masa cuadrúpedo en menos dos voltios con módulos de desplazamiento de CC. Gire al generador de funciones y al amplificador de RF asociado con el separador de masa quadrupole para iniciarlo. Después de seleccionar la relación masa-carga y la aceptación del separador de masa cuadrúpedo, utilice una fuente de alimentación de cuatro canales para aplicar potencialidades a la estructura de electrodos triodica de enfoque.Después de configurar los campos de guía trabajan con el equipo necesario para ajustar el separador de masa cuadrúpedo. Comience aplicando voltajes al detector de placas de microcanal de doble placa, que tiene una placa frontal, una placa posterior y una pantalla de fósforo. Utilice un módulo de alto voltaje para aplicar un atractivo potencial de 1.000 voltios negativos a la placa frontal del detector de placas de microcanal de doble placa.Con un segundo módulo de alta tensión, aplique 900 voltios positivos a la parte posterior de la segunda placa del detector. Utilice un tercer módulo de alto voltaje para aplicar 3.000 voltios positivos a la pantalla de fósforo detrás del detector de placas de microcanal. Encienda la cámara CCD y la carcasa ligera detrás de la pantalla de fósforo y configure sus parámetros de exposición.Observe la salida de la cámara y despelleje la relación de sobrecarga de masa del separador de masa cuadrúpedo desde debajo del valor esperado para Thorium-229 dos más hasta que haya una señal. Alrededor de 10.000 Thorium dos iones más se extraen por segundo correspondientes a aproximadamente 3.5% de eficiencia total. Después de encontrar la exploración de la señal de torio para el tubo de uranio-233 más la señal aumentando de nuevo la relación de masa sobre carga.Una vez que la señal de torio desaparece, la señal de uranio debe hacerse evidente. Establezca el separador de masa cuadrúpedo para extraer sólo el Thorium-229 dos más especies de iones. Con el separador de masa sintonizado, continúe detectando la descomposición isomérica.Apague el sensor de presión separador de masa quadrupole para reducir el fondo del helio ionizado y la luz. Ajuste los parámetros del separador para extraer el ion de torio elegido. A continuación, reduzca el potencial de superficie de la placa frontal del detector de placas de microcanal a menos 30 voltios.Aplique un potencial de aceleración a la segunda placa del detector de placas de microcanal, normalmente 1.900 voltios. Aplique un potencial de aceleración a la pantalla de fósforo detrás del detector, normalmente 4.000 voltios. Inicie la secuencia de adquisición de imágenes CCD.La tasa de recuento asciende a aproximadamente tres recuentos por segundo. Almacene los datos para la evaluación de imágenes y el postprocesamiento. Este escaneo masivo se realiza en unidades de masa atómica sobre carga eléctrica y representa recuentos medidos durante cinco segundos.Hay tres grupos de especies de iones extraídos en estados cargados por separado, doble y tríbido. Tenga en cuenta el número relativo de torio ionizado triplicado en comparación con el uranio ionizado triplicado. Estas señales de detector de placas de microcanal para los estados de torio y uranio cargados por triplicado reflejan experimentos con tres fuentes de uranio separadas.Dos fuentes de uranio-233 de diferentes fortalezas produjeron señales claras para el torio y no para el uranio. Las pruebas que utilizan una fuente de uranio-234 no produjeron señales que proporcionaran evidencia de que las señales generadas con la fuente de uranio-233 provienen de la desexcitación nuclear y de los procesos de la cáscara atómica. Las imágenes del detector de placas de microcanal para el torio y el uranio doblemente cargados son consistentes con esta interpretación.Para estos datos, la atractiva placa del detector de microcanal varía desde un electrón que favorece el voltaje de impacto iónico, hasta cero voltios. Hay una tasa de conteo considerable para el torio doblemente cargado hasta el umbral de cero voltios, a diferencia de la tasa de conteo para el uranio doblemente cargado. Esto proporciona más evidencia de que la señal es de la decadencia del isómero nuclear.Esta técnica allanó el camino para la medición de la energía de vida útil y excitación del thory-myz-imer, así como para una medición de su estructura hiperfina. En última instancia, puede conducir al desarrollo de un reloj nuclear óptico ultra-preciso.

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

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