Источник ионов тория - 229 Мотивация Статус ПИЯФ - ? 3/2+[631] 5/2+[633] 7.8(5)eV ~3500s 229 Th 229m Th 1976 160 nm, отсутствует IC. PRL 109, 160801 (2012) - презентация

1 Источник ионов тория Мотивация Статус ПИЯФ - ? 3/2+[631] 5/2+[633] 7.8(5)eV ~3500s 229 Th 229m Th 1976

2 Особенности Большое время жизни, малая ширина линии Менее чувствительны к внешним полям Возможность взаимодействия в оптическом диапазоне Влияние химического окружения на распад Зависимость энергии изомера от сильного и э.м. взаимодействия Возможные приложения: Метрология, техника, фундаментальная физика, космология Твердотельные часы, стандарт частоты. Мессбауэровская спектроскопия в оптическом диапазоне. Qubit. Зависимость от времени фундаментальных констант. Мотивация

3 Схема возбуждения 229 Th Ловушка Схема регистрации Почему в ПИЯФ? Опыт работы ГЭЯ с газовыми источниками ионов и ионными пучками. Единственный источник ионов 229g,m Th в JYFL - в зоне ответственности ГЭЯ. Наличие опыта дружественных лазерной, радиохимической группы, группы по поляризации 3 He. Возможность генерации 229m Th на Ц80. Требуется Технологии генерации и регистрации изомера.

4 1. Отработка методики регистрации изомера. Требуется прямая регистрация каналов распада (фотоны, электроны). Изучение особенностей распада в различных условиях. Наблюдение сверхтонкой структуры изомерного состояния. 2. Определение значения энергии перехода Уточнение схемы энергетического баланса Прямое измерение длины волны испускаемого фотона Наблюдаемые при заселении изомера. 3. Заселение изомерного состояния С использованием электронного моста. Прямое двухфотонное возбуждение. Ближайшие задачи Мотивация

5 Предложения экспериментов и методика Progress towards fabrication of Th:229-doped high energy band-gap crystals for use as a solid-state optical frequency reference, arXiv: (2011) Prospects for a Nuclear Optical Frequency Standard based on Thorium-229, arXiv: (2009) Constraining the Evolution of the Fundamental Constants with a Solid-State Optical Frequency Based on the 229Th Nucleus, Phys. Rev. Lett. 104, (2010) Optical transition of the 229Th nucleus in a Solid-state environment, arXiv: (2009) Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in Th-229, Europhys. Lett. 61, 181 (2003) Proposed Experimental Method to determine α Sensitivity of Splitting between Ground and 7.6 eV Isomeric States in 229-Th, Phys. Rev. Lett. 102, (2009) Investigations of the Low Lying Isomer in 229Th by Collinear Laser Spectroscopy. Hyp. Int. 171, 197 – 201 (2006). The search for the existence of 229mTh at IGISOL Eur. Phys. J.A 48, 4 (2012), 52 Wigner Crystals of 229Th for Optical Excitation of the Nuclear Isomer arXiv: v1 [2011] Ultraviolet Photon Emission Observed in the Search for the Decay of the 229Th Isomer PhysRev.Lett v80, N15, 3206 Towards a direct transition energy measurement of the lowest nuclear excitation in 229Th arxiv: v Эксперименты по поиску перехода Search for a 3.5-eV isomer in 229-Th in a hollow-cathode electric discharge, Phys. Rev. C 79, (2009) Energy Splitting of the Ground-State Doublet in the Nucleus 229-Th, Phys. Rev. Lett. 98, (2007) Search for decay of the 3.5-eV level in 229-Th, Phys. Rev. C 64, (2001) Reexamination of the Optical Gamma Ray Decay in 229-Th, Phys. Rev. Lett. 82, 505 (1999) Observation of Electromagnetic Radiation from Deexcitation of the 229-Th Isomer, Phys. Rev. Lett. 79, 990 (1997) Теоретические работы Optical pumping 229mTh through NEET Physics Letters B 372 (1996) 1-7 Nuclear structure of 229-Th, Phys. Rev. C 73, (2006) Spontaneous emission probability for M1 transition in a dielectric medium: 229mTh(3/2+, 3.5 ± 1.0 eV) decay, JETP Lett. 71, (2000) Decay of the low-energy isomer 229 Thm(3/2 +, 3.5±1.0eV ) Phys. Rev. C 61, (2000) Resonance conversion as a dominant decay mode for the 3.5-eV isomer in 229mTh, Physics of Atomic Nuclei 69, 4, 571 (2006) Impact of the electron environment on the lifetime of the 229Thm low-lying isomer, Phys. Rev. C 76, (2007) Ядерные часы Performance of a 229Thorium solid-state nuclear clock. arXiv: v Теоретические работы связанные со стабильностью фундаментальных констант Coulomb energy contribution to the excitation energy in 229-Th and enhanced effect of α variation, Europhys. Lett. 85, (2009) Splitting sensitivity of the ground and 7.6 eV isomeric states of 229Th, Phys. Rev. C 78, (2008) Temporal variation of the fine structure constant and the strong interaction parameter in the 229-Th transition, Nucl. Phys. A 806, 117 (2008) Sensitivity of nuclear transition frequencies to temporal variation of the fine structure constant or the strong interaction, Phys. Lett. B 650, 229 Enhanced Effect of Temporal Variation of the Fine Structure Constant and the Strong Interaction in 229-Th, Phys. Rev. Lett. 97, (2006) Топтаться удобно там, где хорошо вытоптано Росатом создаст ядерные часы Известия 2012

6 NASAs XRS absorber/LLNL 26eV FWHW. Beck et al 2006

7 Наблюдаемые Фотон ~160нм Конверсионный электрон (0-5eV) Спектр фотонов в NEET – спектр Временная зависимость -спектра Сверхтонкая структура ионных уровней Фотон ~160нм Конверсионный электрон (0-5eV) Спектр фотонов в NEET – спектр Временная зависимость -спектра Сверхтонкая структура ионных уровней 229 Th 229m Th q=0 6.1эВ q=1 11.5эВ e I=6.1 эВ, T 1/2 (IC)~ 10 5 с T 1/2 (M1) ~ 1час I=11.5 эВ, T 1/2 (NEET)~ 10 3 с (3/2 + ) 5/2 + IC, NEET Распад с эмиссией фотонов и наблюдение сверхтонкой структуры только из ионов тория. Для наблюдения фотона 160нм желательны 3х-зарядные ионы. Регистрация СЕ требует тонкого источника с малой работой выхода. Распад с эмиссией фотонов и наблюдение сверхтонкой структуры только из ионов тория. Для наблюдения фотона 160нм желательны 3х-зарядные ионы. Регистрация СЕ требует тонкого источника с малой работой выхода. 7.8eV ICC~10 9

8 Заселение изомерного состояния 29.2кэВ LBL: фотонов/с, 10 6 с нм 10 3 с Бк, 2%, ~1.6% ~40 с Ac 229 Ra 233 U y 232 Th (p,p3n) ~50mb, 1 A, 10 4 с Th 229m Th 320нм 1с с -1 NEET Прямое возбуждение Возбуждение через электронный мост 402нм ~265нм

9 Эксперименты по поиску изомера 229 Th Оптическое излучение после распада 233 U. Временная зависимость интенсивностей альфа и гамма линий. Электроны конверсии. Флюоресценция после широкополосного облучения и в тлеющем разряде. Рассеянное на 229 Th оптическое излучение (наблюдение сверхтонкой структуры). T 1/2 ЗаселениеНаблюдаемыеИсточник 1-3 мин229Th + разряд -спектроскопия PRC 79, (2009) 13.9 ± 3 ч 230Th (,n), хим очистка - спектроскопия J. Rad. Nucl. Chem (2003) 6 ± 1 ч; 233 U, хим очистка, атомы отдачи на MgF 2 Два ФЭУ, вакуум. > 160 nm, отсутствует IC. PRL 109, (2012)

10 Неопределенное время жизни в среде с – 10 4 с. Возможен безрадиационный распад в среде. Вероятность IC в среде на 5-6 порядков выше распада с эмиссией фотонов Атомы отдачи имеют пробег 20-30нм. Пробег CE в металле 2-5нм. Фотоны могут иметь 229 Fr- 229 Ra- 229 Ac- 229 Th ISOLDE 232 Th+p(50MeV)-> 229 Th IGISOL 232 Th+p(50MeV)-> 229 Th IGISOL Использовался тлеющий разряд или HgXe –лампа. Флюоресценция, -распад. Использовался тлеющий разряд или HgXe –лампа. Флюоресценция, -распад. Эксперименты по поиску изомера 229 Th

11 Наблюдаемые: Фотоны PRL 109, (2012) T 1/2 =6(1)h, >160nm PRL 80, n15 (1998)p3206 Karpeshin,Trzhaskovskaya Phys.Rev C 76, (2007)

12 Требования к эксперименту Общие Очистка образца от примесей и продуктов распада. Масс-сепарация получаемых ионов Работа в вакууме Общие Очистка образца от примесей и продуктов распада. Масс-сепарация получаемых ионов Работа в вакууме Регистрация электронов конверсии Регистрация электронов 0-10эВ. Тонкий источник на поверхности с малой работой выхода. Регистрация электронов конверсии сразу после высадки (0-100 сек) Регистрация электронов конверсии Регистрация электронов 0-10эВ. Тонкий источник на поверхности с малой работой выхода. Регистрация электронов конверсии сразу после высадки (0-100 сек) Регистрация уровней сверхтонкой структуры Флуоресценция в RF ловушке Регистрация уровней сверхтонкой структуры Флуоресценция в RF ловушке Регистрация оптического излучения Регистрация излучения 160нм требует имплантации в прозрачную для VUV подложку. Можно ожидать сильной конкуренции со стороны NEET канала и безрадиационной разрядки. Спектр излучения в результате NEET процесса может зависеть от материала подложки. Время «высвечивания» изомера после имплантации от минут до часов. Регистрация оптического излучения Регистрация излучения 160нм требует имплантации в прозрачную для VUV подложку. Можно ожидать сильной конкуренции со стороны NEET канала и безрадиационной разрядки. Спектр излучения в результате NEET процесса может зависеть от материала подложки. Время «высвечивания» изомера после имплантации от минут до часов.

13 Масс-сепарация и удержание в ловушке Возможность имплантации в различные среды Возможность «мягкой» высадки на поверхность Наблюдение конверсионных электронов Возможность изучения процессов с электронным мостом Определение ядерного состояния по переходам сверхтонкой структуры Можно использовать лазерное охлаждение Флуоресценция одиночных ионов Малое число ионов ( 10 5 ) Чистая система Масс-сепарация и удержание в ловушке Возможность имплантации в различные среды Возможность «мягкой» высадки на поверхность Наблюдение конверсионных электронов Возможность изучения процессов с электронным мостом Определение ядерного состояния по переходам сверхтонкой структуры Можно использовать лазерное охлаждение Флуоресценция одиночных ионов Малое число ионов ( 10 5 ) Чистая система Прямое возбуждение/регистрация ядерной флюоресценции Можно пренебречь Допплеровским уширением Проще (?) Большое число частиц Эффекты кристалла(?) Существенно удобнее для приложений Прямое возбуждение/регистрация ядерной флюоресценции Можно пренебречь Допплеровским уширением Проще (?) Большое число частиц Эффекты кристалла(?) Существенно удобнее для приложений Hudson, USA ATI Vienna 233 U -распад Aysto, Jyvaskyla Thirolf, Munich 229 Th - лазерное испарение Chapman, USA Tamm, PTB D Пучок ионов Допирование в кристалл Ионы тория для регистрации изомерного перехода 229 Th +,++, Th 4+

14 ГруппаМетод полученияОборудование для манипуляции ионами Наблюдаемые Aysto, Jyvaskyla 233 U -распад: 232 Th(p,p3n) 229m,g Th 229 Th 1,2,3+, ( 229m Th 1,2,3+ ) Газовая ячейка, магнитный фильтр, RF- и магнитная ловушки, установки для коллинеарной лазерной спектроскопии и ионизации Сверхтонкая структура Thirolf, Munich 233 U -распад: ( 229 Th 1,2,3+, 229m Th 1,2,3+ ) Газовая ячейка, RFQ-фильтрСпектр в УФ- области Chapman, USA Tamm, PTB D 229 Th - лазерное испарение: 229 Th 1,2,3+ Лазерный ИИ, RF-ловушка, схема оптического охлаждения УФ - флуоресценция Группы работающие с пучком ионов 229 Th

15 Chapman, Kuzmich USA Tamm, Peik PTB D 229 Th 3+ в ионной ловушке Atomic level scheme of 229Th3+ allowing for laser cooling.

16 Lars v.d.Wense, NIC2012 LMU Munchen setup

17 V. Sonnenschein EMMI 2012 Определены схемы резонансной ионизации для Ti:sa лазера RILIS Спектроскопия высокого разрешения HFS для 229 Th Впервые определены коэффициенты A & B 229 Th для основного состояния атома. Малые ширины HFS для тория в основном состоянии. Планируется использовать коллинеарную спектроскопию для RIS. Mainz University Laser System and Mass-Spectrometer MABU Сверхтонкая структура 229 Th

18 Оборудование в Ювяскюля для изучения 229m Th Циклотрон K-130 (HI, P 80МэВ, 20 А) Газовые ячейки (ячейка с 233 U, ячейка с 232 Th, HI - ячейки) Система дифференциальной откачки c RF- транспортом ионов Масс-сепаратор Деградер/RF-ловушка/кулер Магнитная RF-ловушка для масс- спектроскопии Установки для коллинеарной лазерной спектроскопии и лазерной ионизации IGISOL-3

19 233 U +30кВ МКП Магнитный фильтр Газовая ячейка Изотоп (%) 229 Th Fr At Th /с ( 229m Th + 50/с) 229 Th /с ( 229m Th + 50/с) Пучок ионов 229 Th в JYFL

20 Газовая ячейка 233 U, Бк, 110см 2 Эвакуация ионов электрическим полем Отгаживание и охлаждение до -40 о С Эвакуация:1. Электростатическая 2. RF-carpet 3. С инжекцией электронов Большой объем Химическая активность ионов тория Примеси в гелии Объемный заряд Требуется высокая скорость эвакуации

21 0,4%, -40 o C 1,6% RF- транспорт (JYFL, T. Sonoda) Транспорт с инжекцией электронов (JYFL, PNPI 2002) Эвакуация ионов из газовой ячейки Траектории ионов RF-электроды Выход Поле в ячейке Пучок ионов 229 Th в JYFL

22 Газовая ячейка с источником 233 U 1.С зарядовой компенсацией (эффективная) 2.Охлаждаемая (низкофоновая, источник 1, 2х и 3х зарядных ионов) Транспорт ионов в области дифференциальной откачки RFQ-фильтр масс Формирование источника 1.Высадка на поверхность (1-100эВ) 2.Имплантация ( эВ) 3.RF-ловушка (хранение ионов и заселение изомера) Регистрация 1.Регистрация электронов конверсии и фотоэлектронов 2.Регистрация фотонов радиационного и NEET переходов 3.Регистрация сверхтонкой структуры основного и изомерного состояний Газовая ячейка с источником 233 U 1.С зарядовой компенсацией (эффективная) 2.Охлаждаемая (низкофоновая, источник 1, 2х и 3х зарядных ионов) Транспорт ионов в области дифференциальной откачки RFQ-фильтр масс Формирование источника 1.Высадка на поверхность (1-100эВ) 2.Имплантация ( эВ) 3.RF-ловушка (хранение ионов и заселение изомера) Регистрация 1.Регистрация электронов конверсии и фотоэлектронов 2.Регистрация фотонов радиационного и NEET переходов 3.Регистрация сверхтонкой структуры основного и изомерного состояний Торможение и извлечение ионов Транспорт ионов Масс-сепарация 233 U Регистрация Оборудование для изучения распада 229m Th

23 Вероятное присутствие изомерного состояния (~2%) позволяет использовать источник для поиска и идентификации изомерного состояния Формирование пучка 1, 2 и 3х – зарядных ионов с возможностью вариации Фильтрация по массе Малая энергия ионов получаемого пучка – не требуется высоковольтной платформы и RF-кулера больших размеров Стабильная, долговременная работа Высокая эффективность Небольшая стоимость материала источника – 233 U (~$10/mg) Особенности предлагаемого источника Оборудование для изучения распада 229m Th Методы регистрации – 1 стадия Регистрация конверсионных электронов с металлической поверхности. Требует мягкой высадки ионов. Быстро. Эффективно. Дополнительная селекция по совпадению с Оже- электронами возникающими при нейтрализации ионов. Возможна грубая оценка энергии перехода. Регистрация UV фотонов. Медленно. Требует имплантации ионов в материал с широкой запретной зоной. Абсолютное измерение энергии перехода.

24 МКП 233 U 233 U2*10 6 Bq (6mg) 229 Th6*10 5 recoils 229 Th + ( =0.1)6*10 4 ions/s 229m Th ions/s Оборудование для изучения распада 229m Th 233 U RF-транспорт RFQ- масс фильтр МКП Коллектор -детектор ТМН

25 RF-транспорт в области дифференциальной откачки ~ Оборудование для изучения распада 229m Th

26 RF-Cooler (JYFL) RATOF Времяпролетный спектрометр атомов отдачи

27 Фольги с 233 U Газовая ячейка Схема очистки гелия Вакуумный тракт Ионный источник Извлечение ионов 233 U +,++,+++ ; Оптимизация параметров ячейки по -активности 221 Fr, 217 At. Кондиционирование и фильтрация пучка. Оборудование для изучения распада 229m Th Регистрация распада Схема мягкой посадки ионов Схема регистрации электронов Конверсионные электроны Фотоны прямого/NEET перехода Схема имплантация ионов в кристалл (CaF 2 ?). Схема регистрации фотонов Сбор фотонов и спектрометрия Регистрация изомера по двойным импульсам; Изучение зависимости T 1/2 материала коллектора; Оценка энергии распада. Регистрация изомера по UV излучению.; Изучение зависимости T 1/2 материала коллектора; Измерение энергии распада. RF-секступоль RF-фильтр масс

28 Компоненты Газовая ячейка 10 торр ВЧ-транспорт 0.01 торр Квадрупольный фильтр 10-6 торр Детекторы торр

29 Потом… Реализация схемы охлаждения, возбуждения, регистрации.

30 В результате 1 шаг: Источник ионов Стабильный, очищенный источник ионов 229g,m Th +,++,+++. Схемы регистрации с использование конверсионных электронов, и фотонов. Данные о модах распада изомера в разных условиях. 2 шаг: Источник ионов + ловушка + лазеры Отработка схемы возбуждения изомера Схемы регистрации с использованием сверхтонкой структуры … 3 шаг: Источник ионов + ловушка + лазеры => Кристаллизация Схема охлаждения … 4 шаг: Эталон частоты Техника стабилизации лазерного излучения …

31 Спасибо за внимание

32 МКП с Регистрация конверсионных электронов Атомы отдачи имеют пробег 20-30нм. Пробег CE в металле 2-5нм. Период полураспада для канала с эмиссией электрона ~10 -5 с. Малое время жизни в среде с шириной зоны < энергии изомерного состояния (~10 -5 с ?).

33 25/1/0433 Особенности: Поле генерируется объемным зарядом Поле более однородно Поле не экранируется в слабой плазме Газовая ячейка с электродами и электронным эмиттером Транспорт ионов в электронном облаке 6*10 8 e/cm 3 (100µA) Без объемного заряда 2002

34

35

36 Ювяскюля & ПИЯФ Production of refractory elements close to the Z=N line using the ion-guide technique NIM A 416(1998) Status of HIGISOL, a new version equipped with SPIG and electric field guidance, HI 132(2001) "Ion guide simulation, simple approach NIPNET, La Londe-les-Maures Production of neutron deficient rare isotope beams at IGISOL; on-line and off-line studies NIMB v.222 (3-4), p , Production of beams of neutron-rich nuclei between Ca and Ni using the ion-guide technique. Eur. Phys. J. A 25, S1 (2005) Performance of IGISOL 3. Eur. Phys. J. A 25, S1 (2005) 745 – 747 New ion-guide for the production of beams of neutron-rich nuclei between Z = 20–28 NIMA 546(2005), p Development of a sextupole ion guide for LIST. SMI-06, Groningen, An Ion Guide for the Production of a Low Energy Ion Beam of Daughter Products of -Emitters NIMB 252 (2006) 347–353. Investigations of the Low Lying Isomer in 229Th by Collinear Laser Spectroscopy. HI 171, 197 – 201 (2006). LIST developments at IGISOL.EPJ. ST150, (2007). Off-line studies of the laser ionization of yttrium at the IGISOL facility NIMB 266 (2008) 681–700. A cryogenic gas catcher for high energy radioactive ions, Eu.N.Ph. Conf. '09, Bochum, Germany. A study of on-line gas cell processes at IGISOL. NIMB 268, 6, 2010, Characterization of a cryogenic ion guide at IGISOL NIMA: V685, 2012, 70–77 The search for the existence of 229mTh at IGISOL EPJA 48, 4 (2012), 52 Методические работы

37