Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В ходе выполнения проекта была разработана и успешно апробирована методика по формированию пучка ионов тория-232 и -229 методом лазерной абляции с помощью твердотельного Nd:YAG лазера, работающего в режиме модулированной добротности по схеме кольцевого резонатора. С помощью используемого лазера было проведено экспериментальное исследование возможности получения ансамбля многозарядных ионов тория, формируемых при лазерной абляции. Установлено, что в экспериментах при абляции ториевых мишеней формируются ионы Th3+, Th2+, Th1+, а также небольшое количество ионов Th4+. По времяпролетным масс-спектрам была выполнена оценка общего количество ионов, попадающих в квадрупольную ионную ловушку линейной конфигурации (линейная ловушка Пауля). Оценка показывает, что за один лазерный импульс в линейную ловушку Пауля может быть загружено порядка одного миллиона ионов, что является достаточным количеством для проведения дальнейших экспериментов по лазерному охлаждению. Проведены работы по определению оптимальных параметров системы масс-фильтрации (фильтрация по отношению массы атома к заряду) и энергофильтрации линейной ловушки Пауля. В программе SIMION построена численная модель масс-селективного источника ионов тория-232 и -229, учитывающего реальную геометрию и приборные характеристики используемой в проекте многосекционной квадрупольной ловушки линейной конфигурации. Исходя из анализа результатов численного моделирования спектров массового и энергетического распределения ионов тория, полученных для набора различных начальных условий разлета ионов из плазменного факела, выбраны параметры настройки используемого в ловушке энергетического фильтра. Также численными методами были определены оптимальные параметры линейной ловушки Пауля для захвата и удержания ионов Th3+. Рассчитаны величины постоянного и переменного напряжения U и V, подаваемого на квадрупольные стержни и обеспечивающие устойчивое движение ионов тория в плоскости перпендикулярной оси ионной ловушки. По спектрам ионов, получаемым на экспериментальной установке, проведена оптимизация системы путем установки на генераторы питания ловушки напряжений сопоставимых с расчетными. Разработана экспериментальная система синхронной подачи запирающих потенциалов на входные и выходные секции квадрупольной ловушки, позволяющая локализовать облако ионов тория. Разработан проект методики проведения эксперимента по прямому лазерному охлаждению и детектированию ионов тория -229 и -232, локализованных в ловушке Пауля. Из анализа имеющихся в научной периодике данных нами было установлено, что для охлаждения захваченных в ловушку трехкратно заряженных ионов тория-229 и 232 до десятков кельвин используется лазерное излучение, резонансное переходу 1088 нм и 690 нм между основным состоянием 5F5/2 и возбужденными 6D3/2 и 6D5/2. Охлаждение лазерным излучением с длиной волны 984 нм осуществляется резонансно переходу с подуровней 5F7/2 на подуровни 6D5/2. Разработанный проект методики включает описание полной элементной базы лазерной охлаждения и детектирования как трехкратно заряженных ионов изотопа тория-232, так и изотопа тория-229. По результатам работ подготовлен 3D макет системы лазерного охлаждения с полной детализацией оптических элементов. По проекту достигнуты значительные результаты в области теоретических исследований низколежащего изомерного состояния в ядре тория-229. Рассчитана магнитная сверхтонкая структура мюонного атома на основе тория-229. Исследована магнитная сверхтонкая структура уровней низколежащего дублета - основного и первого возбужденного состояний - в ядре тория-229 в мюонном атоме и высокозарядных ионах 229Th(89+,87+). Расчет выполнен с учетом распределения ядерной намагниченности (эффект Бора-Вайскопфа) в рамках коллективной модели ядра с волновыми функциями модели Нильссона для неспаренного нейтрона. Волновые функции мюона и электронов рассчитывались как численным решением уравнения Дирака, так и методом функционала плотности. Показано, что сверхтонкое расщепление основного 5/2+(0.0) и низколежащего 3/2+(7.8+/-0.5 eV) уровней ядра 229Th в мюонном атоме (mu229Th)* приводит к ряду нетривиальных эффектов, в частности, инверсии уровней дублета 5/2+(0.0) и 3/2+(7.8+/-0.5 eV) и, как следствие, к спонтанному распаду основного состояния ядра тория-229 в его изомерное состояние 3/2+. Сверхтонкое расщепление в изомерном состоянии оказалось аномально слабым, а редукция сверхтонкой структуры по сравнению с моделью точечного магнитного диполя ядра превысила 100%. Это привело к изменению порядка расположения подуровней. Из-за смешивания мюон-ядерных состояний в схеме уровней появился необычный E0 переход, чувствительный к разности среднеквадратичных зарядовых радиусов ядра. Отметим, что в случае тория-229 это состояния с разными спинами. Таким образом, становится возможным определить величину среднеквадратичного зарядового радиуса ядра тория-229 в изомерном состоянии. Магнитное сверхтонкое расщепление в высокозарядных (89+ и 87+) ионах 229Th значительно меньше, чем в мюонном атоме тория. Нами рассчитаны положения всех подуровней и вероятность электромагнитных переходов между компонентами сверхтонкой структуры в ионах 229Th(89+,87+). Это важно для экспериментальных исследований рассматриваемого дублета уровней в накопительных кольцах ускорителей тяжелых ионов. Разработана теория процесса обратного электронного мостика для возбуждения низколежащего изомерного уровня 3/2+(7.8 эВ) ядра в ионах 229Th3+. Сделаны качественные оценки на сечение возбуждения ядра и количество образующихся изомеров. Точные количественные расчеты двух указанных величин возможны только после прецизионного измерения энергии ядерного перехода между основным и первым возбужденным состоянием в тории-229. В этом случае станет известна точная величина расстройки между энергиями ядерного перехода и второго перехода в электронной оболочке иона (т.е. перехода, в котором происходит возбуждения ядра). С учетом проделанной работы, после появления данных об энергии ядерного перехода, мы сможем уточнить количество ядер, которое будет возбуждаться в ловушке Пауля с помощью созданной нами лазерной системы. Для уточнения параметров ядерного перехода в рамках проекта также предложена оригинальная идея эксперимента по возбуждению изомерного перехода в ядрах тория-229 при облучении мишеней, обладающих необходимыми физическими характеристиками, пучком электронов. Нами было обнаружено, что ширина запрещенной зоны соединения на основе силиката тория (ThSi10O22) составляет величину 7.7 эВ и при длительном воздействии электронного пучка не меняет своих свойств, что свидетельствует о высокой электроннолучевой стойкости. Показано, что исследуемое соединение представляется перспективным как торий-содержащая мишень для проведения экспериментов по возбуждению низколежащего ядерного изомерного перехода в изотопе тория-229 электронами средних энергий (см. таблицу 2 приложение). Предложенную физическую систему нами планируется использовать для уточнения характеристик ядерного перехода. В рамках проекта за 2016 год коллективом исполнителей опубликовано 3 работы в высокорейтинговых журналах, индексируемых Web of Science и Scopus.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках выполнения проекта проведен численный эксперимент, моделирующий движение ионов с кинетической энергией в диапазоне от нескольких сотых до десятитысячных долей электрон-вольта в ловушке Пауля. Эксперимент позволил установить влияние высокочастотного поля, создаваемого квадрупольными стержнями на диаграмму стабильности холодных ионов Th3+, а также получить оценку предельного уровня охлаждения ионов тория в ловушке. Вычисления производились на видеокарте GeForce GTX 560 с использованием архитектуры параллельных вычислений CUDA на языке программирования python с пакетом numba. Удерживающее поле ловушки моделировалось уравнениями Матье в сечении ловушки и параболическим потенциалом в продольном направлении. 10000 ионов тория были загружены в ловушку в случайно выбранные координаты с нормальным распределением скоростей. Для каждого иона учитывалось взаимодействие со всеми остальными, а также с потенциалами ловушки. Шаг моделирования по времени равнялся 0.01 мкс, что на два порядка меньше периода микродвижений. Это позволило с достаточной точностью учесть влияние микродвижения на стабильность вигнеровского кристалла. В процессе моделирования те ионы, которые вылетали за геометрические размеры ловушки, считались потерянными и удалялись из эксперимента. В результате численного моделирования была продемонстрирована возможность получения ионных кристаллов, используя реально имеющуюся на сегодняшний день систему лазерного охлаждения и конфигурацию ионной ловушки, реализованной на предыдущем этапе проекта. Энергии ионов на краях кристалла составляют несколько микроэлектронвольт, что более чем на два порядка меньше, чем их энергии при загрузке в ловушку. Таким образом было показано, что для формирования вигнеровских кристаллов ионов тория необходимо охладить их до температур 10 мК. Отработана методика лазерного охлаждения ионов тория, захваченных в ловушку. Захват ионов осуществлялся с помощью оригинальной многосекционной квадрупольной ионной ловушки линейной конфигурации. Благодаря более простой структуре уровней изотопа 232Th3+, было решено использовать именно его для отработки методики лазерного охлаждения и симпатического охлаждения ионов 229Th3+. Удобным для доплеровского охлаждения является циклический переход 5F5/2 → 6D3/2, имеющий длину волны 1088 нм и естественную ширину верхнего уровня 6D3/2 145 кГц. Уровень 6D5/2 имеет естественную ширину 234 кГц и распадается с коэффициентом ветвления 1:8 на два подуровня 5F5/2 и 5F7/2 тонкой структуры основного состояния. Длины волн соответствующих переходов составляют 690 нм и 984 нм образуют закрытую трехуровневую систему. Для проведения первого этапа лазерного охлаждения использовался диодный лазер с внешним резонатором ECDL-10960R (VitaWave) 1088 нм. Проведена модификация ловушки и ее монтаж на оптическом столе STANDA. При отработке методики использовалась циклическая загрузка ловушки ионами с частотой 5 Гц. Охлаждающий лазер на длине волны 1088 нм светил непрерывно. Каждый цикл загрузки ловушки начинался импульсом абляционного лазера, используемого для генерации трехкратно заряженных ионов тория, через 50 мкс после которого на диафрагму, установленную на входе в ловушку подавался запирающий потенциал величиной 100 В. Потенциал диафрагмы на выходе ловушки установлен 100 В с начала цикла. Ионы, успевшие залететь в ловушку захватывались и имели возможность многократно взаимодействовать с непрерывно включенным охлаждающим излучением. Через время ~ 0,01 с потенциал диафрагмы на выходе ловушки опускался до нуля, позволяя ионам покинуть ловушку. По сигналу с ВЭУ установленного на выходе ловушки восстанавливались функции распределения ионов по времени регистрации. Эти данные позволили оценить распределение ионов тория по энергиям и определить температуру охлаждаемых ионов тория, которая по оценкам составила величину ~0.01 эВ. Измерена зависимость числа вылетевших из ловушки ионов от момента их регистрации вторичным электронным умножителем для разных времен улавливания. Измерения показывают медленное неэкспоненциальное, логарифмическое уменьшение числа захваченных ионов с временем захвата. Скорость уменьшения числа ионов внутри ловушки обратно пропорциональна времени удержания. Проведены эксперименты по измерению функции распределения ионов по времени регистрации при наличии и отсутствии охлаждающего лазерного излучения на длине волны 1088 нм. Измерения проводились при временах улавливания и охлаждения ионов ~ 0,01 с. При наличии охлаждающего лазерного излучения наблюдается смещение максимума функции распределения в сторону больших времен регистрации, то есть меньших энергий ионов, что может служить демонстрацией процесса лазерного охлаждения. Выполнены оценки на величину среднеквадратичного зарядового радиуса ядра 229Th в низколежащем изомерном состоянии 3/2+(7.8 +/- 0.5 эВ). Рассчитана вероятность конверсионного E0 перехода между компонентами магнитной сверхтонкой структуры дублета основного состояния в мюонном атоме тория-229. Разработана теория возбуждения ядер 229Th на низколежащее изомерное состояние 3/2+(7.8+/-0.5 эВ) тепловыми электронами высокотемпературной плотной лазерной плазмы по механизму обратной внутренней электронной конверсии. Рассчитаны сечение процесса, эффективность возбуждения и выход изомерных ядер на один лазерный импульс. В рамках предложенной концепции группой исполнителей реализован оригинальный метод возбуждения ядра 229Th. Возбуждение ядер осуществлялось в горячей плотной плазме, создаваемой при облучении интенсивным лазерным пучком ториевой мишени. Ядра тория в возбужденном состоянии имплантировались в тонкопленочную твердотельную матрицу широкозонного диэлектрика оксида кремния. Большая ширина запрещенной зоны получаемых таким образом образцов позволила зарегистрировать фотоны, излучаемые в ядерном изомерном переходе. Измерены их энергия и время жизни возбужденного состояния. Полученные данные на настоящий момент перепроверяются, но уже понятно, что выполненный эксперимент является приоритетными в области ядерной физики и метрологии времени и частоты. Дальнейшие развитие работы по возбуждению изомерных ядер тория в лазерной плазме видится в сужения интервала погрешности измерений энергии и проведении резонансного возбуждения часового ядерного перехода. Результаты этих экспериментов позволят получить прецизионные характеристики ядерного изомерного перехода в изотопе 229Th – его частоты и времени жизни.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За отчетный период по проекту был разработан проект методики по формированию пучка и одновременной загрузке ионов двух типов торий-232 и торий-229 в линейную ловушку Пауля. Специально для выполнения проекта была подготовлена мишень оксида тория с содержанием дефицитного изотопа торий-229, нанесенного на кремниевую пластину размером 1×1 см2. Изотопное соотношение радионуклидов в мишени 232Th/229Th=13.6. Для осуществления улавливания генерируемых ионов тория были рассчитаны и, затем уточнены экспериментально оптимальные параметры переменных и постоянных потенциалов подающихся на стержни ловушки, обеспечивающие надежное удержание ионов в радиальном направлении. Подобранные режимы работы ионной ловушки и уровень вакуума позволили достичь времен удержания до 10 мин. Проведены экспериментальные работы по лазерному охлаждению и детектированию ионов тория -229 и 232 с различной степенью ионизации. Система лазерного охлаждения сформирована с использованием трех лазеров с внешним резонатором: 1 - лазер с длиной волны 1088 нм; 2 - лазер с длиной волны 690 нм; 3 - лазер с длиной волны 984 нм. Выходная мощность лазеров достигала порядка 100 мВт. Диапазон непрерывной перестройки частот составляет ~ 60 ГГц. Трехкратно заряженные ионы тория, полученные в результате лазерной абляции, локализуются ионной ловушке, расположенной в вакуумной камере, где поддерживается давление ~ 10^-9 Торр. Непосредственно в область локализации ионов в ловушке Пауля линейной конфигурации доставка излучения осуществляется через оптически прозрачные в диапазоне от 150 нм до 1100 нм окна в фланцах сверхвысоковакуумной камеры. Электронные уровни изотопа 232Th3+, в отличии от изотопа 229Th3+, не имеют сверхтонкой структуры, так как ядерный спин этого изотопа равен нулю. Благодаря более простой структуре уровней изотопа 232Th3+, было решено использовать именно его для лазерного охлаждения и симпатического охлаждения ионов 229Th3+. Удобным для доплеровского охлаждения является циклический переход 5F5/2 → 6D3/2, имеющий длину волны 1088 нм и и естественную ширину верхнего уровня 6D3/2 145 кГц. Уровень 6D5/2 имеет естественную ширину 234 кГц и распадается с коэффициентом ветвления 1:8 на два подуровня 5F5/2 и 5F7/2 тонкой структуры основного состояния. Длины волн соответствующих переходов, образованных закрытой трехуровневой системы, составляют 690 нм и 984 нм . Благодаря цикличности, переход 1088 решено использовать для проведения первого этапа лазерного охлаждения. Проведены эксперименты по электронной спектроскопии квантовых состояний ионов тория-232 и -229. В продолжение ранее проведенных предварительных исследований с помощью электронной спектроскопии проведены детальные исследования квантовых состояний ионов тория-229 при лазерной имплантации в пленки SiO2. Полученное значение энергии возбужденного состояния 229Th составляет 7.1(+0.1−0.2) eВ. Усовершенствование методик регистрации фотоэлектронов позволило увеличить интенсивность измеряемого сигнала и получить качественные кривые кинетики распада изомерного состояния ядра 229Th. Время жизни возбужденного состояния для этой системы оценено на уровне 1850 s. Контрольные измерения фотоэлектронов при имплантации мишени металлического 232Th , оксида 232Th , графита, кремния и тонкопленочного оксида кремния показало отсутствие эмиссии вторичных электронов. Это дало дополнительное подтверждение тому, что наблюдаемое излучение электронов вызвано процессами распада возбужденного состояния ядра 229Th. По теоретической части выполнения проекта также достигнуты существенные результаты. Во-первых, оценена величина вероятности возбуждения низколежащего изомерного состояния в ядре Th-229 при реализации механизма инверсного электронного мостика на системе ультрахолодных ионов тория-229 в ловушке Пауля. Во-вторых, исследовано влияние границ раздела сред на время жизни ядерного изомера в диэлектрике с большой запрещенной зоной. Изменение вероятности спонтанного излучения атомов или молекул при наличии граничных условий впервые было предсказано Парселом в 1946 году. В настоящее время это хорошо изученный как теоретически, так и экспериментально эффект. В ядерной физике подобного эффекта нет, поскольку, во-первых, энергии ядерных переходов велики по сравнению с оптическими атомными переходам, и проникающее гамма излучение практически не отражается на границе разделов сред, а во-вторых, доминирующим каналом распада большинства ядерных состояний в области низких (по ядерным масштабам) энергий является внутренняя конверсия, а не гамма излучение. Исключением из этого правила является, очевидно, изучаемое нами ядро 229Th с его низколежащим изомерным состоянием 3/2+(7-8 эВ). Поскольку в диапазоне энергий фотонов 7-8 эВ существуют как прозрачные кристаллы, так и металлы, способные эффективно отражать излучение с длиной волны 160-180 нм, у нас впервые появляется возможность управлять распадом ядерного состояния так, как это делается в случае атомных переходов оптического диапазона. Мы исследовали несколько случаев распада изомера 229Th: а) в диэлектрической сфере, окруженной вакуумом; б) в диэлектрической сфере, помещенной в металлическую полость (или просто покрытой металлом); в) в тонкой диэлектрической пленке, размещенной между вакуумом и подложкой из кремния; г) в сферической металлической микрополости. В пунктах (а)–(в) речь шла о гамма излучении в диэлектрике с большой шириной запрещенной зоны, в котором внутренняя конверсия запрещена. В пункте (в) имелось в виду влияние отражающей сферической металлической поверхности на процесс внутренней конверсии. Было показано, что действительно существует принципиальная возможность управления скоростью спонтанного распада аномально низколежащего изомерного состояния 3/2+(7-8 эВ) ядра 229Th в диэлектрической среде с границами. В некоторых случаях скорость распада изомера должна изменяться в десятки раз по сравнению с распадом в бесконечной среде без границ. Это, в частности, позволяет примерно на порядок сузить линию излучения и достигнуть беспрецедентной (на уровне 10^(-20)) относительной точности ядерных часов на базе 229Th. Для метрологии представляет интерес частный случай расположения атомов 229Th в центре диэлектрической сферы, причем характерный размер источника должен быть существенно меньше радиуса сферы. В этом случае эффект воздействия на ядро электромагнитной волны, отраженной от границы раздела, максимален. Отдельно следует отметить неэкспоненциальность распада ансамбля возбужденных ядер 229Th, равномерно заполняющих диэлектрическую сферу или тонкую диэлектрическую пленку SiO2. Эффект наблюдался в эксперименте и связан с разным временем жизни изомера в зависимости от удаленности ядра от границ раздела сред.