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Speicherung und Kühlung von Thorium-Ionen aus radioaktivem Zerfall

13.04.2024

Dreifach positiv geladene Ionen des Isotops Th-229 (Th3+) sind von besonderem Interesse als mögliche Taktgeber einer hochgenauen optischen Uhr. Da das Isotop radioaktiv ist, steht es nur in sehr geringen Mengen zur Verfügung und gängige Methoden zur Realisierung einer Ionenquelle (zum Beispiel durch Verdampfung) sind in diesem Fall nicht anwendbar. An der PTB wurde jetzt eine Apparatur zur Erzeugung, Kühlung und Speicherung von Th3+ als Rückstoßionen aus dem radioaktiven Zerfall von U-233 entwickelt. Ein dünner Film von U-233 emittiert die gewünschten Ionen ins Vakuum, allerdings mit einer hohen Energie von mehr als 80 keV. Durch Abbremsung in hochreinem Helium-Gas gelingt es, die Ionen zu sammeln und in eine Ionenfalle zu überführen. Dort werden sie gemeinsam mit Sr+ Ionen gespeichert, die mit Laserlicht auf eine Temperatur im Millikelvin-Bereich gekühlt werden. Durch die Kopplung mit den Sr-Ionen wird auch die Energie des Th3+ reduziert, auf einen Wert der schließlich um etwa 11 Größenordungen unter der Startenergie nach dem U-233-Zerfall liegt. Die gespeicherten Th3+ Ionen stehen nun bei niedriger Energie für Präzisionsmessungen ihrer Resonanzfrequenzen zur Verfügung. Dies bildet eine Grundlage für Untersuchungen der Eigenschaften und Struktur dieses ungewöhnlichen Isotops. 

Die Arbeiten wurden in Kooperation mit der Johannes Gutenberg Universität Mainz und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung durchgeführt, wo die U-233 Quellen hergestellt wurden. Die Ergebnisse wurden jetzt veröffentlicht in der Zeitschrift Physical Review A (https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.109.033116), und dort als "Editor's Suggestion" herausgestellt. 

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