Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-5399
Authors: Haas, Raphael
Title: Tailor-made thin radionuclide layers for targets and recoil ion sources in nuclear applications
Online publication date: 1-Dec-2020
Language : english
Abstract: The present work deals with the production and characterization of thin inorganic layers consisting of natural isotopes and exotic radionuclides by different methods. These layers are usually deposited on thin substrates and are used, e.g., as targets in accelerator experiments and other nuclear applications for nuclear reaction studies and the synthesis of superheavy elements. With steadily increasing beam intensities of new accelerator facilities, the targets have to withstand increasing power inputs. They also have to contain more material, since the cross sections for the synthesis of the heaviest known elements are extremely small. For off-line studies of the chemical reactions of targets with low energetic electron and ion beams, a pilot experiment for “Off-line Deposit Irradiations” (ODIn) of thin layers was constructed, characterized and commissioned with lead targets. This experiment will help to develop a method to condition targets suitable for future accelerator experiments. Furthermore, the fabrication methods in this work were used for the production of thin radioactive samples, so-called recoil ion sources, which are used for the generation of particle beams of their emitted recoil ions and thus have different requirements in contrast to targets. The goal was the production of ideal recoil ions sources consisting of single atomic layers (monolayers) of alpha-decaying radionuclides. They will be used for quantum logic spectroscopy in the “Trapping And Cooling of Thorium Ions with Calcium” (TACTICa) collaboration. The aim of the TACTICa experiment is to study the isomer 229mTh trapped inside a coulomb crystal of 40Ca+ ions in a Paul trap. The 229Th is a nuclide of high interest due to its low lying isomeric state at (8.28 ± 0.17) eV. The precisely known energy and half-life of the isomeric state, which is currently studied by the nuClock collaboration, will make it usable for applications like a “nuclear clock” or quantum computing. The studies of the TACTICa collaboration are in the field of quantum logic spectroscopy and fundamental physics beyond the standard model. In addition to the production of monolayer recoil ion sources for TACTICa, a setup was developed for the electrostatic deceleration of daughter nuclei including 229mTh coming from alpha-decaying sources like 233U while maintaining their initial charge distribution and thus making them available for loading into a Paul trap.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von dünnen anorganischen Schichten aus natürlichen Isotopen und exotischen Radionukliden mit verschiedenen Methoden. Diese Schichten werden in der Regel auf möglichst dünnen Substraten abgeschieden und werden z.B. für Targets in Beschleunigerexperimenten und anderen nuklearen Anwendungen für Kernreaktionsstudien und die Synthese superschwerer Elemente verwendet. Mit immer höheren Strahlintensitäten neuer Beschleunigeranlagen müssen die Targets der steigenden Energiezufuhr standhalten. Zudem müssen sie auch mehr Material enthalten, da die Querschnitte für die Synthese der schwersten bekannten Elemente verschwindend klein sind. Für Off-Line-Studien der chemischen Reaktionen von Targets mit niederenergetischen Elektronen- und Ionenstrahlen wurde ein Pilotaufbau für “Off-line Deposit Irradiations” (ODIn) von dünnen Schichten aufgebaut, charakterisiert und mit Bleitargets in Betrieb genommen. Dieses Experiment wird dazu beitragen, eine Methode zur Konditionierung von Targets zu entwickeln, die für zukünftige Beschleunigerexperimente geeignet sind. Darüber hinaus wurden die Methoden dieser Arbeit für die Herstellung dünner radioaktiver Proben, so genannter Ionenrückstoßquellen, benutzt, die zur Erzeugung von Teilchenstrahlen ihrer emittierten Rückstoß-Ionen verwendet werden und daher im Gegensatz zu Targets andere Anforderungen haben. Das Ziel war die Herstellung idealer Ionenrückstoßquellen, die aus einzelnen Atomlagen (Monolagen) von alpha-zerfallenden Radionukliden bestehen. Sie werden für quantenlogische Spektroskopie-Experimente in der “Trapping And Cooling of Thorium Ions with Calcium” (TACTICa) Kollaboration verwendet. Ihr Ziel ist es, das Isomer 229mTh zu untersuchen, das in einem Coulomb-Kristall aus 40Ca+ Ionen in einer Paul-Falle gefangen wird. Das 229Th ist ein Nuklid von hohem Interesse aufgrund seines niedrig liegenden isomeren Zustands bei (8.28 ± 0.17) eV. Die genau bekannte Energie und Halbwertszeit des isomeren Zustands, die derzeit von der nuClock Kollaboration untersucht wird, wird es für Anwendungen wie eine “Kern-Uhr” oder Quantenprozessoren nutzbar machen. Die Arbeiten der TACTICa-Kollaboration dienen zur quantenlogischen Spektroskopie und der Suche nach einer Physik jenseits des Standardmodells. Zusätzlich zur Herstellung der Monolagen-Rückstoßquellen wurde in dieser Arbeit ein Aufbau entwickelt, der die Tochterkerne aus den alpha-zerfallenden Quellen, darunter auch 229mTh aus 233U, unter Beibehaltung ihrer ursprünglichen Ladungsverteilung elektrostatisch abbremst und damit zum Einfangen in eine Paul-Falle zur Verfügung stellt.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
530 Physik
530 Physics
540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-5399
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/?language=en
Extent: xi, 132 Seiten
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